一种高导热高强度交联聚乙烯地暖管材

本发明涉及一种高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，属于高分子材料领域。

背景技术：

1、地暖管材是指低温热水地面辐射采暖系统中用来作为低温热水循环流动载体的一种管材。作为地暖供热系统中最为关键的循环散热终端，地暖管材需要拥有快速散热的性能以及足够的力学性能：快速散热能够降低管材的铺设密度，降低采暖初次投入成本的同时还能降低长期使用过程中的能耗；足够的力学性能是保证地暖系统在建筑寿命内运行的安全稳定性，这样能够尽可能减少使用期间内的维护和翻修成本。目前市面上的地暖管材多采用耐热聚乙烯（pe-rt）、交联聚乙烯（xlpe）、无规共聚聚丙烯（ppr）、聚丁烯（pb）等材质，这些材质虽普遍拥有施工简单、内壁相对金属管更为光滑、流动阻力小、耐热耐腐蚀等优点，但是也存在导热差（导热系数大多在0.2~0.4w/m·k）、换热效率低、力学强度不足等明显缺陷。这极大的增加了供暖系统的能耗和运行中渗漏水的风险，因此需要大幅提升地暖塑料管材的导热系数和力学强度。

2、中国专利cn103242581a公开了一种高导热耐热聚乙烯地暖管材及制备方法，它是由质量比为1:40的高分子母料粒料与耐热聚乙烯粒料制备而成，该发明在管材中加入了氮化铝聚乙烯母料，使管材各原料产生协同作用，使得制得的管件导热性得到提高，管材导热率提至1.8w/m·k以上。该专利虽然提高了耐热聚乙烯管材的导热性能，但并没有改善耐热聚乙烯的力学强度。中国专利cn114409992a公开了一种高导热线性低密度聚乙烯地暖管材料及其制备方法，选用lldpe（线性低密度聚乙烯）为基体，具有高导热的h-bn（六方结构的氮化硼）作为导热填料，以lldpe-g-py作为相容剂，通过h-bn与lldpe-g-py分子之间强烈的π-π相互作用，使bn在聚合物基体中分散均匀，构建高效的导热网络，从而提高复合材料的导热性。该专利所得管材的导热系数，均低于1.0w/m·k，这并没有显著提升线性低密度聚乙烯的导热性能。

3、从以上论述可以看出，塑料材质的地暖管材仍存在导热率低，力学强度低这两项明显劣势，开发高导热高强度地暖管材对提升采暖行业产品品质，节约能源具有普遍而重大的意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，实现以下发明目的：制备出以交联聚乙烯为主体材质的地暖管材，该管材在拥有高导热系数的同时还具备较高的力学强度。

2、为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，所述高导热高强度交联聚乙烯地暖管材的主体材质为硅烷交联聚乙烯，高导热增强填料为碳化硅晶须；

4、所述硅烷交联聚乙烯由高密度聚乙烯和低密度聚乙烯经两步硅烷交联法（双螺杆挤出步骤的预交联聚乙烯管材和水交联）制备得到；

5、所述高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其制备方法包括碳化硅晶须表面改性、碳化硅晶须-硅烷分散液的制备、双螺杆挤出、水交联处理四个步骤；

6、以下是对上述技术方案的进一步改进：

7、步骤1、碳化硅晶须表面改性

8、将油酸酰胺、乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂、有机溶剂、碳化硅晶须按质量比1~3:0.9~2.2:100~140:12~18混合后，在搅拌速率800~1500转/分、回流状态下升温至45~75℃，然后恒温搅拌5~8小时，再离心分离，得到的沉淀在60~80℃下烘干至恒重即可获得表面改性的碳化硅晶须；

9、所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、丙酮中的一种；

10、所述碳化硅晶须的直径为0.1~0.6微米，长度为10~50微米；

11、步骤2、碳化硅晶须-硅烷分散液的制备

12、将乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、双酚a 二烯丙基醚、乙醇、表面改性的碳化硅晶须按质量比1~3:2~4:0.5~0.9:70~90:3~6混合后，置于高速分散机上，在10000~18000转/分条件下高速分散35~50分钟后，得到均一液体，将该液体在-0.09~-0.1mpa、60~80℃条件下旋蒸4~7小时除去乙醇后，得到粘稠的碳化硅晶须-硅烷分散液。

13、步骤3、双螺杆挤出

14、将碳化硅晶须-硅烷分散液、二月桂酸二丁基锡、抗氧剂1010搅拌混合均匀后得到混合液，将混合液、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯倒入混捏锅中，在转速50~70转/分、室温条件下混捏4~7小时后出料，得到混捏料，将混捏料以6~10千克/小时的速度喂入双螺杆挤出机中，双螺杆分六段控温，第一段60~150℃，第二段140~180℃，第三段160~220℃，第四段170~220℃，第五段175~230℃，模头温度185~230℃，螺杆转速120~145转/分，模头挤出管材后，空冷至室温得到预交联聚乙烯管材；

15、所述碳化硅晶须-硅烷分散液、二月桂酸二丁基锡、抗氧剂1010、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯的质量比为4~9:0.6~1.3:0.1~0.4:40~65:35~50；

16、所述高密度聚乙烯为粉末料，粉末直径20~60微米；

17、所述低密度聚乙烯为粉末料，粉末直径20~60微米。

18、步骤4、水交联处理

19、将预交联聚乙烯管材全部浸没入80~100℃水中进行水交联处理，处理时间7~10小时，然后取出自然晾干后，得到高导热高强度交联聚乙烯地暖管材。

20、与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：

21、1、本发明通过在交联聚乙烯基体树脂中掺杂碳化硅晶须来提高管材的力学性能和导热系数，用油酸酰胺、乙氧基类非离子型氟碳表面活性剂两种物质对碳化硅晶须进行表面改性，并结合高速分散和旋蒸两步工艺，使表面改性的碳化硅晶须在液体硅烷交联剂中得到充分分散后，再混入基体树脂中，这极大的减少了碳化硅晶须团聚现象，进而使碳化硅晶须能够在基体树脂中以单根纤维分散形态彼此连接，使碳化硅晶须自身具备的高强度、高韧性、高导热的本征性能充分发挥出来；

22、2、本发明通过在液体硅烷交联剂中混入双酚a二烯丙基醚来进一步提高聚乙烯树脂的交联程度，含有两个烯丙基的双酚a二烯丙基醚拥有相对较高的反应活性，在双螺杆模口高温挤出阶段能够提高聚乙烯树脂的预交联程度，增强聚乙烯熔体强度的同时也一定程度上减小了模口处的挤出胀大效应，这对提高最终管材的力学强度有积极作用；

23、3、本发明得到的交联聚乙烯管材，其交联度为70~74%，导热系数为1.57~1.62w/m·k，拉伸强度为31~35mpa，95℃热水爆破压力为8.6~9.1mpa，耐静液压性能符合gb/t18992.2《冷热水用交联聚乙烯管道系统第2部分：管材》的相关要求。

技术特征：

1.一种高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其特征在于：

5.根据权利要求2所述的高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其特征在于：

6.根据权利要求2所述的高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，其特征在于：

技术总结
一种高导热高强度交联聚乙烯地暖管材，属于高分子材料领域，所述高导热高强度交联聚乙烯地暖管材的主体材质为硅烷交联聚乙烯，高导热增强填料为碳化硅晶须；其制备方法包括碳化硅晶须表面改性、碳化硅晶须‑硅烷分散液的制备、双螺杆挤出、水交联处理四个步骤，本发明得到的交联聚乙烯管材，其交联度为70~74%，导热系数为1.57~1.62W/m·K，拉伸强度为31~35MPa，95℃热水爆破压力为8.6~9.1MPa，耐静液压性能符合GB/T18992.2《冷热水用交联聚乙烯管道系统第2部分：管材》的相关要求。

技术研发人员：孟凡华,马姿,于子涵,王术龙
受保护的技术使用者：潍坊学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12