本发明涉及排水管道领域，具体涉及一种排水管道用高强度复合材料及其制备方法。
背景技术
排水管道指汇集和排放污水、废水和雨水的管渠及其附属设施所组成的系统。包括干管、支管以及通往处理厂的管道，无论修建在街道上或其它任何地方，只要是起排水作用的管道，都应作为排水管道统计。随着高分子聚合物塑料管的崛起，替代了传统的生铁管、镀锌管及其他一些金属管道。由于环境、能源、卫生性等要求，所以塑料管材代替传统管材(如铸铁管、镀锌钢管、混凝土管、粘土管等)已成为共识。在塑料管材的使用中，排水管道系统是应用量最大的。在此领域，所使用的塑料管道主要包括聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)管道，在我国pvc管道的用量占绝对优势，约占60％以上。但在近几年，发达国家的管道应用实践表明：无论是给水管道还是排水管道，聚烯烃管材的发展速度超过pvc管材。聚烯烃管道今后将逐渐占主导地位，特别在大口径实壁管和结构壁管系统。
中国专利cn201210191246.2公开了一种埋地塑料排水管道专用料及其制造方法以高密度聚乙烯为原料添加微量的抗氧剂、过氧化物引发剂、润滑剂和增塑剂等加工助剂制备而成，加工性能好，模量高柔韧性好，但是存在耐候性、耐温性和抗机械冲击性能差的缺点。
中国专利cn201210252666.7公开了一种静音排水管道用改性耐冲击共聚聚丙烯及其制备方法，以耐冲击共聚聚丙烯为基体添加玄武岩纤维、有机改性蒙脱土、稀土、纳米二氧化硅、润滑剂、稳定剂和填料共混熔融挤出造粒制备而成，提高了管道材料的热力学温度，进而维卡软化温度也得到了很大提高；但是共聚聚丙烯存在刚性低、高温下抗氧化差的缺点。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种排水管道用高强度复合材料及其制备方法，本发明材料通过几种高分子聚合物进行共混共融改性后，加入纳米填料和加工助剂，协同作用达到增韧补强效果，使材料具有优异的刚性、柔韧性和抗机械冲击性，同时提高了材料的结晶温度、熔点和热变形温度和力学性能。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种排水管道用高强度复合材料，包括以下重量份计的原料：
共聚聚丙烯50-60份、均聚聚丙烯25-30份、三元乙烯丙橡胶14-20份、纳米二氧化硅8-12份、纳米碳化硅4-9份、纳米碳酸钙6-12份、纳米氧化锌6-12份、纳米竹炭粉5-10份、钛酸酯偶联剂0.4-0.8份、抗菌剂1.8-3.6份、相容剂2-4份、增塑剂6-9份、抗氧剂0.8-1.5份和光稳定剂0.8-1.5份。
优选地，包括以下重量份计的原料：共聚聚丙烯55份、均聚聚丙烯28份、三元乙烯丙橡胶18份、纳米二氧化硅10份、纳米碳化硅7份、纳米碳酸钙8份、纳米氧化锌8份、纳米竹炭粉8份、钛酸酯偶联剂0.6份、抗菌剂2.8份、相容剂3.5份、增塑剂8份、抗氧剂1.2份和光稳定剂1.2份。
优选地，所述抗菌剂为负离子粉和纳米氧化银按照1:3的质量比混合组成。
优选地，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
优选地，所述增塑剂为环氧大豆油、环氧乙酰亚麻油酸甲酯、环氧糠油酸丁酯和环氧大豆油酸辛酯中的一种或几种结合。
优选地，所述抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸脂、β-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯和四(β-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯中的一种或几种结合。
优选地，所述光稳定剂为羟基二苯甲酮光稳定剂和羟基苯并三唑光稳定剂中的至少一种。
本发明中还公开了一种上述排水管道用高强度复合材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：
(1)按照上述排水管道用高强度复合材料的原料重量份数称取各组分；
(2)将钛酸酯偶联剂用试剂级酒精进行稀释，然后缓慢加入高速混合机中，使钛酸酯偶联剂与纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化锌和纳米竹炭粉充分混合15-20分钟后，放入烘箱中，在95-105摄氏度下烘干3-5小时，即得纳米混合粒子；
(3)将共聚聚丙烯、均聚聚丙烯、三元乙烯丙橡胶加入密炼机中混炼5-10分钟后，加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，粒料干燥后，即得改性聚丙烯；
(4)将50％重量的改性聚丙烯与纳米混合粒子、相容剂加入高速混合机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得纳米混合粒子母料；
(5)将纳米混合粒子母料与剩余重量的改性聚丙烯、抗菌剂、增塑剂加入高速搅拌机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得所述排水管道用高强度复合材料。
优选地，所述钛酸酯偶联剂和试剂级酒精按照质量1:100的比例进行稀释混合。
优选地，所述双螺杆挤出机的加料段温度为160-180摄氏度，中段温度为180-210摄氏度，后段温度为190-220摄氏度，摸头温度为200-230摄氏度；螺杆转速为60-80转/分钟，牵引速度为900-1000转/分钟。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明材料通过几种高分子聚合物进行共混共融改性后，加入纳米填料和加工助剂，协同作用达到增韧补强效果，使材料具有优异的刚性、柔韧性和抗机械冲击性，同时提高了材料的结晶温度、熔点和热变形温度和力学性能。
(2)本发明添加有纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化锌和纳米竹炭粉复合作用，可以提高聚合物材料的强度，同时纳米粒子的比表面积大，与聚合物具有很好的交联作用，可以增强材料的热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性，同时竹炭粉、纳米氧化锌和抗菌剂配合作用可以增强材料的抗菌性，防止水管材料表面细菌滋生。
(3)本发明制备方法中为了提高纳米混合粒子的在聚合物中的分散性，采用两步法混合分散工艺技术，首先将纳米复合粒子和部分改性聚丙烯、相容剂共混熔融挤出造粒后，制备纳米复合粒子母粒，再与剩余的原料挤出造粒。由于纳米粒子的表面能含量高，相比聚合物来说含量少，此种分散制备方法可以增强纳米粒子在聚合物中的分散性与结合性，从而提高材料的强度和综合性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种排水管道用高强度复合材料，包括以下重量份计的原料：
共聚聚丙烯50份、均聚聚丙烯25份、三元乙烯丙橡胶14份、纳米二氧化硅8份、纳米碳化硅4份、纳米碳酸钙6份、纳米氧化锌6份、纳米竹炭粉5份、钛酸酯偶联剂0.4份、抗菌剂1.8份、相容剂2份、增塑剂6份、抗氧剂0.8份和光稳定剂0.8份。
抗菌剂为负离子粉和纳米氧化银按照1:3的质量比混合组成。
相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
增塑剂为环氧大豆油。
抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸脂。
光稳定剂为羟基二苯甲酮光稳定剂。
本实施例中的排水管道用高强度复合材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：
(1)按照上述排水管道用高强度复合材料的原料重量份数称取各组分；
(2)将钛酸酯偶联剂用试剂级酒精进行稀释，然后缓慢加入高速混合机中，使钛酸酯偶联剂与纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化锌和纳米竹炭粉充分混合15分钟后，放入烘箱中，在95摄氏度下烘干3小时，即得纳米混合粒子；
(3)将共聚聚丙烯、均聚聚丙烯、三元乙烯丙橡胶加入密炼机中混炼5分钟后，加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，粒料干燥后，即得改性聚丙烯；
(4)将50％重量的改性聚丙烯与纳米混合粒子、相容剂加入高速混合机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得纳米混合粒子母料；
(5)将纳米混合粒子母料与剩余重量的改性聚丙烯、抗菌剂、增塑剂加入高速搅拌机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得所述排水管道用高强度复合材料。
钛酸酯偶联剂和试剂级酒精按照质量1:100的比例进行稀释混合。
双螺杆挤出机的加料段温度为160摄氏度，中段温度为180摄氏度，后段温度为190摄氏度，摸头温度为200摄氏度；螺杆转速为60转/分钟，牵引速度为900转/分钟。
实施例2
一种排水管道用高强度复合材料，包括以下重量份计的原料：
共聚聚丙烯60份、均聚聚丙烯30份、三元乙烯丙橡胶20份、纳米二氧化硅12份、纳米碳化硅9份、纳米碳酸钙12份、纳米氧化锌12份、纳米竹炭粉10份、钛酸酯偶联剂0.8份、抗菌剂3.6份、相容剂4份、增塑剂9份、抗氧剂1.5份和光稳定剂1.5份。
抗菌剂为负离子粉和纳米氧化银按照1:3的质量比混合组成。
相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
增塑剂为环氧乙酰亚麻油酸甲酯。
抗氧剂为β-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯。
光稳定剂为羟基二苯甲酮光稳定剂。
本实施例中的排水管道用高强度复合材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：
(1)按照上述排水管道用高强度复合材料的原料重量份数称取各组分；
(2)将钛酸酯偶联剂用试剂级酒精进行稀释，然后缓慢加入高速混合机中，使钛酸酯偶联剂与纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化锌和纳米竹炭粉充分混合20分钟后，放入烘箱中，在105摄氏度下烘干5小时，即得纳米混合粒子；
(3)将共聚聚丙烯、均聚聚丙烯、三元乙烯丙橡胶加入密炼机中混炼10分钟后，加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，粒料干燥后，即得改性聚丙烯；
(4)将50％重量的改性聚丙烯与纳米混合粒子、相容剂加入高速混合机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得纳米混合粒子母料；
(5)将纳米混合粒子母料与剩余重量的改性聚丙烯、抗菌剂、增塑剂加入高速搅拌机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得所述排水管道用高强度复合材料。
钛酸酯偶联剂和试剂级酒精按照质量1:100的比例进行稀释混合。
双螺杆挤出机的加料段温度为180摄氏度，中段温度为210摄氏度，后段温度为220摄氏度，摸头温度为230摄氏度；螺杆转速为80转/分钟，牵引速度为1000转/分钟。
实施例3
一种排水管道用高强度复合材料，包括以下重量份计的原料：
共聚聚丙烯55份、均聚聚丙烯28份、三元乙烯丙橡胶18份、纳米二氧化硅10份、纳米碳化硅7份、纳米碳酸钙8份、纳米氧化锌8份、纳米竹炭粉8份、钛酸酯偶联剂0.6份、抗菌剂2.8份、相容剂3.5份、增塑剂8份、抗氧剂1.2份和光稳定剂1.2份。
抗菌剂为负离子粉和纳米氧化银按照1:3的质量比混合组成。
相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
增塑剂为环氧糠油酸丁酯和环氧大豆油酸辛酯按照质量比1:1混合组成。
抗氧剂为四(β-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯。
光稳定剂为羟基二苯甲酮光稳定剂和羟基苯并三唑光稳定剂按照质量比1:1.5混合组成。
本实施例中的排水管道用高强度复合材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：
(1)按照上述排水管道用高强度复合材料的原料重量份数称取各组分；
(2)将钛酸酯偶联剂用试剂级酒精进行稀释，然后缓慢加入高速混合机中，使钛酸酯偶联剂与纳米二氧化硅、纳米碳化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化锌和纳米竹炭粉充分混合18钟后，放入烘箱中，在100摄氏度下烘干4小时，即得纳米混合粒子；
(3)将共聚聚丙烯、均聚聚丙烯、三元乙烯丙橡胶加入密炼机中混炼9分钟后，加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，粒料干燥后，即得改性聚丙烯；
(4)将50％重量的改性聚丙烯与纳米混合粒子、相容剂加入高速混合机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得纳米混合粒子母料；
(5)将纳米混合粒子母料与剩余重量的改性聚丙烯、抗菌剂、增塑剂加入高速搅拌机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，粒料干燥后，即得所述排水管道用高强度复合材料。
优选地，所述钛酸酯偶联剂和试剂级酒精按照质量1:100的比例进行稀释混合。
优选地，所述双螺杆挤出机的加料段温度为170摄氏度，中段温度为190摄氏度，后段温度为210摄氏度，摸头温度为215摄氏度；螺杆转速为70转/分钟，牵引速度为950转/分钟。
对比例1
采用与实施例1相同的方法制备复合材料，所不同的是，不加入纳米竹炭粉和纳米氧化锌；
对比例2
采用与实施例1相同的方法制备复合材料，所不同的是，不加入相容剂和增塑剂；
对比例3：
采用的原料组分与实施例1中的原料组分相同，所不同的是制备方法采用一步法，直接将所有原料直接进行共混挤出熔融造粒；
对实施例1-3制得排水管道用高强度复合材料和对比例制得1-3的复合材料进行性能测试，测试结果如下表1；
表1
从表1的数据可以看出，本发明具有以下优点：
1、对比实施例1-3和对比例1-3中的数据可以看出本发明排水管道用高强度复合材料具有优异的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度和弯曲弹性模量，说明本发明具有良好的机械韧性好抗机械冲击性，强度高，材料结构稳定。
2、将实施例1与对比例1的数据进行对比可以看出，当材料组分中去除纳米竹炭粉和纳米氧化锌组分时，复合材料的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度和弯曲弹性模量值均下降显著，说明本发明组分中纳米竹炭粉和纳米氧化锌占有显著重要的作用。
3、将实施例1与对比例2的数据进行可以看出，去除相容剂和增塑剂时，复合材料的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度和弯曲弹性模量值均下降显著，说明本发明制备方法中助剂相容剂和增塑剂直接影响材料的加工性能和综合力学性能。
4、将实施例1与对比例3的数据进行对比可以看出，实施例1中的二步法混合工艺制备的排水管道用高强度复合材料的力学性能明显优于对比例3中采用一步法工艺制备的复合材料，由此可见，合适的加工工艺可以提高填料的分散性，从而有效改善材料的综合力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。