本发明涉及高分子材料成型加工领域，具体地说，涉及一种高环刚度结构壁管用改性pe材料及其制备方法。
背景技术
聚乙烯(pe)管材由于具有柔韧性高，重量轻、耐腐蚀、承压能力强、摩擦阻力小、节能环保、使用寿命长、安装施工方便等优点，在市政建设埋地管道领域得到了广泛应用。埋地排水排污管道主要承受外压载荷(包括动载和静载)，如果管材的环刚度太小，管材会产生过大变形或压屈失稳等破坏形式，因而要求管材有较高的环刚度。管材的环刚度和管壁的惯性矩成正比例，当采用实壁管结构时需要较大的壁厚才能保证高环刚度；而在相同的环刚度要求下，结构壁管比实壁管少用50％～70％的原材料，结构壁管的经济性明显优于实壁管，也因此使得结构壁埋地管道得到了广泛应用。结构壁管的构造形式包括波纹管、三层夹芯管和环状肋管；可采用直接挤出或缠绕熔接成型。在成型工艺、管壁结构确定的前提下，管材的力学性能取决于原材料的力学性能；更具体地说，在成型工艺、管壁结构确定的前提下，管材的环刚度主要取决于原材料的性能。常见的pe纯料模量低，强度和刚度不高，以聚乙烯为原料生产的结构壁管材往往难以满足工程建设对环刚度的要求；另一方面，pe原料价格较高，全部采用采用聚pe纯料生产制造塑料管道也会使生产成本提高。为满足工程需要和降低生产成本，需要对聚乙烯(pe)进行改性来制备高环刚度结构壁管。
经检索，中国专利公布号cn103613819a，公开日2014.03.05，公开了一种高韧性pe管材，该pe管材由质量分数为84％～90％的聚乙烯原料、2.5％的母粒、8％～10％的超细轻质碳酸钙粉组成，该发明通过将超细轻质碳酸钙粉添加到材料中去，添加了超细轻质碳酸钙一方面可降低pe管材的成本，而且填充碳酸钙后，由于碳酸钙的硬度大，会提高塑料制品的硬度和刚度，力学性能增强。该发明使用了84％～90％的聚乙烯原料，制造成本较高。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中存在pe管材传统强度和刚度不高、成本高的技术缺陷，本发明提供了一种高环刚度结构壁管用改性pe材料及其制备方法，其中的聚丙烯作为基体材料的高刚性和高模量组分，选用具有高模量和高刚性的均聚聚丙烯，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量，从而达到高环刚度的技术效果。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种高环刚度结构壁管用改性pe材料，包括下列重量份的原料组成：聚乙烯100.0～110.0；聚丙烯22.0～28.0；滑石粉50.0～60.0；碳酸钙8.0～12.0；硬脂酸0.3～0.4；铝酸酯偶联剂0.3～1.2；聚乙烯蜡0.5～1.5；色母料5.0～6.0。
进一步地，聚乙烯为管材专用料pe100，作为基体材料的主要组分，强度高、并具有优异的抵抗快速开裂裂纹增长的能力；所述聚丙烯为高模量和高刚性的均聚聚丙烯，作为基体材料的高刚性和高模量组分，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量。
进一步地，碳酸钙为轻质活性碳酸钙。
一种高环刚度结构壁管用改性pe材料的制备方法，步骤为：
步骤一、将滑石粉、碳酸钙按比例加入高速混合机中，搅拌，使滑石粉、碳酸钙充分混匀、干燥；再加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌；再加入硬脂酸、聚乙烯蜡，继续搅拌，得到有机化处理填料；
步骤二、向高速混合机加入配方计量要求中的聚乙烯、聚丙烯和色母料，与有机化处理填料混合，冷却至室温出料为混合物料；
步骤三、将混合物料加入到挤出机挤出造粒。
进一步的制备方法，步骤为：
步骤一、将滑石粉、碳酸钙按比例加入高速混合机中，在90～120℃搅拌15～30分钟，使滑石粉、碳酸钙充分混匀、干燥；再加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌5～10分钟；再加入硬脂酸、聚乙烯蜡，继续搅拌10～15分钟，冷却至60～80℃，得到有机化处理填料；
步骤二、向高速混合机加入配方计量要求中的聚乙烯、聚丙烯和色母料，与有机化处理填料混合，控制混料温度为60～80℃，搅拌20～30分钟后，冷却至室温出料为混合物料；
步骤三、将混合物料加入到挤出机挤出造粒，挤出机各段温度控制在170～240℃。
进一步的制备方法，步骤三中挤出机为双螺杆挤出机。
一种高环刚度结构壁管用改性pe材料的应用，用作结构壁管的材料。
进一步的应用，结构壁管为波纹管、三层夹芯管和环状肋管。
3.有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明的高环刚度结构壁管用改性pe材料，配方中所用聚乙烯为管材专用料pe100，作为基体材料的主要组分，强度高、并具有和优异的抵抗快速开裂裂纹增长的能力。配方中的聚丙烯作为基体材料的高刚性和高模量组分，优先选用具有高模量和高刚性的均聚聚丙烯，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量。配方中的滑石粉、碳酸钙用作无机填料，起到降低成本、增加材料刚性的作用；配方中的铝酸酯偶联剂用于改善无机填料和基体树脂材料的界面性能；配方中的硬脂酸、聚乙烯蜡作为润滑剂和分散剂，用以改善材料的加工性能和提高填料的分散性能；色母料可根据需要选用相应颜色品种，一般采用黑色母料；
(2)本发明的高环刚度结构壁管用改性pe材料，具有生产成本低、生产方便、节能环保等优点。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料，包括下列重量份的原料组成：聚乙烯100.0；聚丙烯22.0；滑石粉50.0；碳酸钙8.0；硬脂酸0.3；铝酸酯偶联剂0.3；聚乙烯蜡0.5；色母料5.0。聚乙烯为管材专用料pe100，聚丙烯为高模量和高刚性的均聚聚丙烯，作为基体材料的高刚性和高模量组分，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量。
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料的制备方法，步骤为：
步骤一、将滑石粉、碳酸钙按比例加入高速混合机中，在90℃搅拌30分钟，使滑石粉、碳酸钙充分混匀、干燥；再加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌10分钟；再加入硬脂酸、聚乙烯蜡，继续搅拌15分钟，冷却至60℃，得到有机化处理填料；
步骤二、向高速混合机加入配方计量要求中的聚乙烯、聚丙烯和色母料，与有机化处理填料混合，控制混料温度为60℃，搅拌30分钟后，冷却至室温出料为混合物料；
步骤三、将混合物料加入到挤出机挤出造粒，挤出机各段温度控制在170℃，制得高环刚度结构壁管用改性pe材料。
将以上改性pe材料制作内径为φ295mm、层压壁厚为2.3mm的双壁波纹管，按照
gb/t19472.1-2004《埋地用聚乙烯(pe)结构壁管道系统第1部分：聚乙烯双壁波纹管材》进行检测，平均环刚度为18.37kn/m2，而且试样圆滑，无反向弯曲，无破裂，两壁无脱开现象。
实施例2
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料，包括下列重量份的原料组成：聚乙烯110.0；聚丙烯28.0；滑石粉60.0；碳酸钙12.0；硬脂酸0.4；铝酸酯偶联剂1.2；聚乙烯蜡1.5；色母料6.0。聚乙烯为管材专用料pe100，聚丙烯为高模量和高刚性的均聚聚丙烯，作为基体材料的高刚性和高模量组分，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量。碳酸钙为轻质活性碳酸钙；色母料为黑色母料。
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料的制备方法，步骤为：
步骤一、将滑石粉、碳酸钙按比例加入高速混合机中，在120℃搅拌15分钟，使滑石粉、碳酸钙充分混匀、干燥；再加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌5分钟；再加入硬脂酸、聚乙烯蜡，继续搅拌15分钟，冷却至80℃，得到有机化处理填料；
步骤二、向高速混合机加入配方计量要求中的聚乙烯、聚丙烯和色母料，与有机化处理填料混合，控制混料温度为80℃，搅拌20分钟后，冷却至室温出料为混合物料；
步骤三、将混合物料加入到挤出机挤出造粒，挤出机各段温度控制在240℃，制得高环刚度结构壁管用改性pe材料。
将以上改性pe材料制作φ297mm、壁厚为2.1mm的缠绕结构壁管材，如三层夹芯管和环状肋管，按照gb/t9647-2015《热塑性塑料管材环刚度的测定》进行检测，平均环刚度为18.82kn/m2，能够满足工程需要，具有广阔的应用前景。
实施例3
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料，包括下列重量份的原料组成：聚乙烯105.0；聚丙烯25.0；滑石粉55.0；碳酸钙10.0；硬脂酸0.4；铝酸酯偶联剂0.7；聚乙烯蜡1.0；色母料5.5。聚乙烯为管材专用料pe100，聚丙烯为高模量和高刚性的均聚聚丙烯，作为基体材料的高刚性和高模量组分，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量。碳酸钙为轻质活性碳酸钙；色母料为黑色母料。
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料的制备方法，步骤为：
步骤一、将滑石粉、碳酸钙按比例加入高速混合机中，在120℃搅拌15分钟，使滑石粉、碳酸钙充分混匀、干燥；再加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌5分钟；再加入硬脂酸、聚乙烯蜡，继续搅拌15分钟，冷却至80℃，得到有机化处理填料；
步骤二、向高速混合机加入配方计量要求中的聚乙烯、聚丙烯和色母料，与有机化处理填料混合，控制混料温度为80℃，搅拌20分钟后，冷却至室温出料为混合物料；
步骤三、将混合物料加入到双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度控制在240℃，制得高环刚度结构壁管用改性pe材料。
将以上改性pe材料制作φ297mm、壁厚为2.1mm的缠绕结构壁管材，如三层夹芯管和环状肋管，按照gb/t9647-2015《热塑性塑料管材环刚度的测定》进行检测，平均环刚度为18.6kn/m2。
实施例4
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料，包括下列重量份的原料组成：聚乙烯105.0；聚丙烯24.0；纳米级滑石粉58.0；轻质活性碳酸钙12.0；硬脂酸0.4；铝酸酯偶联剂1.0；聚乙烯蜡1.0；黑色母料5.5。聚乙烯为管材专用料pe100，聚丙烯为高模量和高刚性的均聚聚丙烯，作为基体材料的高刚性和高模量组分，与聚乙烯同属聚烯烃塑料、具有良好的相容性，通过与聚乙烯共混改性来提高基体树脂的刚性和模量。
其中轻质活性碳酸钙由真空冷冻干燥工艺制作而成，制作步骤为：
(1)反应物生成：将碳酸钠和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀，过滤得碳酸钙粗粉；
(2)混合：将碳酸钙粗粉、稳定剂和水充分混合成为冻干前驱体；加水用量为粗粉总重的3.5倍；
(3)速冻：将冻干前驱体平铺入模具后置入速冻库速冻成块状，速冻温度-45～-47℃；
(4)铺模：铺入模具的厚度为4.0～4.5cm；
(5)冻干：将块状物料推入冻干仓进行冻干成蜂窝状块物料；冻干过程中，冷阱温度控制在-40℃以下，冻干工艺为：
a、升温期：板温0℃～80℃，升温斜率3～4℃/min，80℃保持40～60分钟，抽真空至80pa以内；
b、保温期：板温降温至70～75℃，保持50～70分钟，真空控制在60pa以内；
c、后期：板温降温至55～60℃，保持40～60分钟，真空控制在50pa以内；
d、恒温期：板温降温至50℃，恒温保持40分钟出仓。
(6)细磨：将蜂窝状块物料送入球磨机进行细磨至纳米级轻质活性碳酸钙粉。
本实施例的高环刚度结构壁管用改性pe材料的制备方法，步骤为：
步骤一、将滑石粉、轻质活性碳酸钙粉按比例加入高速混合机中，在100℃搅拌25分钟，使滑石粉、碳酸钙充分混匀、干燥；再加入铝酸酯偶联剂，继续搅拌8分钟；再加入硬脂酸、聚乙烯蜡，继续搅拌15分钟，冷却至70℃，得到有机化处理填料；
步骤二、向高速混合机加入配方计量要求中的聚乙烯、聚丙烯和色母料，与有机化处理填料混合，控制混料温度为70℃，搅拌25分钟后，冷却至室温出料为混合物料；
步骤三、将混合物料加入到双螺杆挤出机挤出造粒，挤出机各段温度控制在200℃，制得高环刚度结构壁管用改性pe材料。
将以上改性pe材料制作双壁波纹管，按照gb/t19472.1-2004《埋地用聚乙烯(pe)结构壁管道系统第1部分：聚乙烯双壁波纹管材》进行检测，平均环刚度为24.7kn/m2。
经检测，制得的作双壁波纹管与传统配方性能指标对比中，如下表1：
本实施例中纳米级轻质活性碳酸钙和纳米级滑石粉的配合使用，对于提高环刚度有着显著的技术效果，而且，经检测，对于降低烟气产生也取得显著的技术效果。在实施例2至4有焰法进行燃烧时，与现有技术相比，烟密度有效降低75％以上的基础上，又降低了50％以上。无烟法进行燃烧时，与现有技术相比，烟密度有效降低63％以上的基础上，又降低了20％以上，具有更高的环保价值。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实施例中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。