纳米材料填充3PP外防腐材料及其应用管道和制备方法与流程

本发明属于无机纳米材料填充改性聚合物复合材料制备技术领域，尤其涉及一种纳米材料填充3pp外防腐材料及其应用管道和制备方法。

背景技术：

管道外防腐涂层技术经历了沥青、煤焦油瓷漆、熔结环氧粉末等几个阶段。

近些年来，用于原油或天然气管线的外防腐专用材料，国内大多采用三层聚乙烯外防腐专用材料，通过三层聚乙烯的涂覆技术，达到对各种管线进行防腐处理的目的。三层聚乙烯防腐层的基本结构为：熔结环氧粉末为底层，聚烯烃接枝料为中间层，聚乙烯防腐专用料为外层。

由于聚乙烯材料本身的结构特点决定了其软化点较低，作为防腐专用材料，同时存在着耐环境应力开裂差等缺点。聚乙烯外防腐涂层在超过80℃的条件下，其力学性能会产生较大幅度下降，覆膜大大软化，难以正常使用。上述问题导致了三层聚乙烯防腐材料的使用范围受到了一定的限制。

聚丙烯是一种大规模工业生产的聚烯烃材料，其主要特点为密度小、力学均衡性好、耐化学腐蚀、易加工、热变形温度高、价廉等优点。通过采用化学改性或物理改性的方法，制备高性能化和工程化聚丙烯新材料已成为近些年来高分子材料科学与工程中最活跃的研究和应用领域之一。采用聚丙烯作为管道外防腐材料，可以弥补聚乙烯防腐材料所具有的软化点低和低耐环境应力开裂差等缺点，和聚丙烯粉末涂料相比具有配方简单，加工方便，设备适应性强的特点，方便防腐厂3pe/3pp的切换。

在聚合物材料改性的两种常用方法中，物理改性具有方法简单、成本低、易于实现等优点。因此，该种方法仍是目前聚合物材料改性的主要手段。可以通过共混及填充的途径对聚丙烯进行物理改性，从而满足工程化聚丙烯新材料的要求。用于聚丙烯填充改性的无机填料主要包括：碳酸钙、云母粉、滑石粉、二氧化硅、二氧化钛、炭黑等。

无机纳米粉体技术研究的日臻成熟，为传统高分子共混改性技术注入了新的生机和活力。由于纳米材料所具有的小尺寸效应和强大的比表面积，可以在聚合物基体中产生较好的分散作用，同高分子树脂之间产生良好的相互作用，实现对聚合物同时进行增强和增韧改性的目的。

近些年来，人们对钠米氧化锌的研究给予了高度重视，其主要原因是钠米氧化锌材料具有大的比表面积，可以同聚合物基体产生较强的相互作用，通过采用表面处理技术，可以使钠米氧化锌在聚合物基体中形成纳米尺度的分散状态，从而提高基体材料的力学性能。钠米氧化锌的另一作用可以有效地屏蔽紫外光，具有光屏蔽剂的功能，上述性能为聚丙烯管道外防腐材料耐环境老化和光老化提供了良好的基础。

技术实现要素：

为解决现有三层聚乙烯外防腐材料力学性能不好的技术问题，本发明提供一种力学性能不好的纳米材料填充3pp外防腐材料及其应用管道和制备方法。

本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料包括纳米材料及第三层聚丙烯材料，所述纳米材料共混于所述第三层聚丙烯材料中，所述纳米材料为纳米碳酸钙、纳米氧化锌、纳米二氧化钛中的一种或几种。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料一种较佳实施例中，所述纳米材料用量为第三层聚丙烯材料质量的1～10％，优选5～8％。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的应用管道，包括管道、第一层环氧粉末、第二层胶粘剂及纳米材料填充3pp外防腐材料，所述第一层环氧粉末、所述第二层胶粘剂及所述纳米材料填充3pp外防腐材料依次设于所述管道外表面。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、物料准备：以均聚或共聚聚丙烯粒料为基料，以聚烯烃接枝料为相容剂，以纳米材料为无机填料，以其它塑料加工助剂为辅助材料；

步骤二、熔融共混：将均聚或共聚聚丙烯粒料、聚烯烃接枝料、纳米材料及其它塑料加工助剂熔融共混。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种较佳实施例中，所述步骤一中，所述纳米材料预先进行表面活化处理，具体为选用钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂进行表面活化处理。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种较佳实施例中，所述步骤一中，所述聚丙烯的选择条件为：在230℃，2.16㎏测试条件下的熔体流动速率为0.5-5.0g/10min，拉伸强度≥25mpa，断裂伸长率≥600％。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种较佳实施例中，选用1～7％钛酸酯偶联剂作为纳米材料的表面处理剂，优选3％。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种较佳实施例中，所述步骤二中，具体包括如下步骤：

步骤二一、在高速混合机中混合；

步骤二二、采用双螺杆熔融共混的工艺路线，控制合适的共混工艺条件，得到纳米材料填充3pp外防腐材料。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种较佳实施例中，所述步骤二二具体为：采用双螺杆熔融共混的工艺路线，挤出机长径比为40:1，各段温度：机身温度230℃-250℃，机头温度220℃，熔体温度235℃。

在本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种较佳实施例中，所述步骤二一具体为：采用高速混合机在80～100℃条件下混合5～10分钟，冷却后备用。

本发明的纳米材料填充3pp外防腐材料及其制备方法具有如下

有益效果：

采用纳米氧化锌、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛中的一种或几种作为新型无机填充材料，通过配方设计及加工条件的选择，制备符合管道外防腐性能要求的3pp外防腐新材料。由本发明所得到的聚丙烯复合材料，可以满足国内外管道防腐行业对聚丙烯外防腐材料的要求。采用冲击实验机和电子万能实验机测试聚丙烯复合材料的力学性能达标，按iso527标准进行拉伸强度测试达标，按iso178标准进行弯曲强度测试达标；按iso179标准进行悬臂梁冲击强度测试达标；按iso306标准进行热变形温度测试达标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种实施例的工艺流程图；

图2是图1所示的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法的熔融共混的一种实施例的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

所述纳米材料填充3pp外防腐材料包括纳米材料及第三层聚丙烯材料，所述纳米材料共混于所述第三层聚丙烯材料中，所述纳米材料为纳米碳酸钙、纳米氧化锌、纳米二氧化钛中的一种或几种。所述纳米材料用量为第三层聚丙烯材料质量的1～10％，优选5～8％。

所述纳米材料填充3pp外防腐材料的应用管道，包括管道、第一层环氧粉末、第二层胶粘剂及纳米材料填充3pp外防腐材料，所述第一层环氧粉末、所述第二层胶粘剂及所述纳米材料填充3pp外防腐材料依次设于所述管道外表面。

请参阅图1及图2，图1是本发明提供的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法一种实施例的工艺流程图；图2是图1所示的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法的熔融共混的一种实施例的工艺流程图。

所述的纳米材料填充3pp外防腐材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤s1、物料准备：以均聚或共聚聚丙烯粒料为基料，以聚烯烃接枝料为相容剂，以纳米材料为无机填料，以其它塑料加工助剂为辅助材料；

具体地，所述纳米材料预先进行表面活化处理，具体为选用钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂或铝酸酯偶联剂进行表面活化处理；选用1～7％钛酸酯偶联剂作为纳米材料的表面处理剂，优选3％；所述聚丙烯的选择条件为：在230℃，2.16㎏测试条件下的熔体流动速率为0.5-5.0g/10min，拉伸强度≥25mpa，断裂伸长率≥600％；

步骤s2、熔融共混：将均聚或共聚聚丙烯粒料、聚烯烃接枝料、纳米材料及其它塑料加工助剂熔融共混；具体包括如下步骤：

步骤s21、在高速混合机中混合；具体为：采用高速混合机在80～100℃条件下混合5～10分钟，冷却后备用；

步骤s22、采用双螺杆熔融共混的工艺路线，控制合适的共混工艺条件，得到纳米材料填充3pp外防腐材料；具体为：采用双螺杆熔融共混的工艺路线，挤出机长径比为40:1，各段温度：机身温度230℃-250℃，机头温度220℃，熔体温度235℃。

实施例1：

称取聚丙烯5公斤，聚烯烃接枝料0.3公斤，表面活化处理纳米氧化锌0.4公斤，加入适量抗氧剂及光稳定剂和润滑剂，将上述原材料及加工助剂在高速混合机中混合30s-45s。采用双螺杆熔融共混的工艺路线，挤出机长径比为40:1，各段温度：机身温度230℃-250℃，机头温度220℃，熔体温度235℃。经熔融共混工艺路线，熔体挤出后经水冷，然后经过切粒机切粒，粒料干燥后在平板硫化机上压制标准试片，用切刀切制标准试样，平衡24小时进行力学性能测试。上述纳米材料填充3pp外防腐材料的力学性能测试结果如下：拉伸断裂强度：36.3mpa；断裂伸长率850％；悬臂梁缺口冲击强度：14j/mm；维卡软化点：143℃。上述性能指标超过国内目前采用的有关聚丙烯管道外防腐材料din30678标准。

实施例2：

称取聚丙烯5公斤，聚烯烃接枝料0.4公斤，表面活化处理纳米碳酸钙和纳米二氧化钛0.3公斤，二者比例为5:1，加入适量抗氧剂及光稳定剂和润滑剂，将上述原材料及加工助剂在高速混合机中混合30s-45s。采用双螺杆熔融共混的工艺路线，挤出机长径比为40:1，各段温度：机身温度230℃-250℃，机头温度220℃，熔体温度235℃。经熔融共混工艺路线，熔体挤出后经水冷，然后经过切粒机切粒，粒料干燥后在平板硫化机上压制标准试片，用切刀切制标准试样，平衡24小时进行力学性能测试。上述纳米材料填充3pp外防腐材料的力学性能测试结果如下：拉伸断裂强度：40.5mpa；断裂伸长率730％；悬臂梁缺口冲击强度：20j/mm；维卡软化点：145℃。上述性能指标超过国内目前采用的有关聚丙烯管道外防腐材料din30678标准。

实施例3：

称取聚丙烯5公斤，聚烯烃接枝料0.5公斤，表面活化处理纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳酸钙0.25公斤，三者比例为2:3:1，加入适量抗氧剂及光稳定剂和润滑剂，将上述原材料及加工助剂在高速混合机中混合30s-45s。采用双螺杆熔融共混的工艺路线，挤出机长径比为40:1，各段温度：机身温度230℃-250℃，机头温度220℃，熔体温度235℃。经熔融共混工艺路线，熔体挤出后经水冷，然后经过切粒机切粒，粒料干燥后在平板硫化机上压制标准试片，用切刀切制标准试样，平衡24小时进行力学性能测试。上述纳米氧化锌填充改性聚丙烯管道外防腐材料的力学性能测试结果如下：拉伸断裂强度：36.8mpa；断裂伸长率780％；悬臂梁缺口冲击强度：16j/mm；维卡软化点：142℃。上述性能指标超过国内目前采用的有关聚丙烯管道外防腐材料din30678标准。

实施例4：

称取聚丙烯5公斤，聚烯烃接枝料0.4公斤，表面活化处理纳米二氧化钛、纳米氧化锌0.4公斤，加入适量抗氧剂及光稳定剂和润滑剂，将上述原材料及加工助剂在高速混合机中混合30s-45s。采用双螺杆熔融共混的工艺路线，挤出机长径比为40:1，各段温度：机身温度230℃-250℃，机头温度220℃，熔体温度235℃。经熔融共混工艺路线，熔体挤出后经水冷，然后经过切粒机切粒，粒料干燥后在平板硫化机上压制标准试片，用切刀切制标准试样，平衡24小时进行力学性能测试。上述纳米氧化锌填充改性聚丙烯管道外防腐材料的力学性能测试结果如下：拉伸断裂强度：38.0mpa；断裂伸长率800％；悬臂梁缺口冲击强度：18j/mm；维卡软化点：143℃。上述性能指标超过国内目前采用的有关聚丙烯管道外防腐材料din30678标准。

本发明的纳米材料填充3pp外防腐材料及其制备方法s1具有如下有益效果：

采用纳米氧化锌、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛中的一种或几种作为新型无机填充材料，通过配方设计及加工条件的选择，制备符合管道外防腐性能要求的3pp外防腐新材料。由本发明所得到的聚丙烯复合材料，可以满足国内外管道防腐行业对聚丙烯外防腐材料的要求。采用冲击实验机和电子万能实验机测试聚丙烯复合材料的力学性能达标，按iso527标准进行拉伸强度测试达标，按iso178标准进行弯曲强度测试达标；按iso179标准进行悬臂梁冲击强度测试达标；按iso306标准进行热变形温度测试达标。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。