CN105729747A - 纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，包括如下步骤：(1)将碳纤维或玻璃纤维切为5mm-9mm的短纤维；(2)将切好的短纤维与混合均匀的聚乙烯粉料和抗氧剂通过双螺杆挤出机充分混合挤出造粒，获得纤维增强聚乙烯粒料；(3)利用多层共挤工艺，将聚乙烯和步骤(2)中的纤维增强聚乙烯粒料双层共挤，双层间通过热熔结合，冷却后，形成纤维增强聚乙烯复合材料双层管。

Description

纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法

技术领域

本发明提供一种纤维增强聚乙烯复合材料双层管。具体地说，利用多层共挤工艺，将聚乙烯和短线切纤维增强的聚乙烯粒料双层共挤，获得纤维增强聚乙烯复合材料双层管，管壁外层是短切纤维增强聚乙烯层，管壁内侧是聚乙烯层。

背景技术

通常的聚乙烯管材料都使用PE100，在最高容许压力1MPa的情况下，管外径和管壁厚之比(SDR)规定为11。目前，PE100管材是实用化规格最高的聚乙烯材料，由于PE管具有的耐震性、柔软性和耐腐蚀性等特点，广泛用于埋地水道管。聚乙烯材料具有优异的拉伸断裂性，因此，聚乙烯管体现出良好的耐震性能，利用电气融合等热融合方法将聚乙烯管与同类材料的部件接合，形成一体化管道构造，在地盘下沉、地震等情况下，充分发挥聚乙烯材料的抗震性能。另外，利用聚乙烯材料的拉伸性能，管材自身易弯曲，弯曲部分的配管无需使用弯管，可以直接利用直管完成施工。聚乙烯材料的耐酸、碱性和耐电气腐蚀性强，埋设的聚乙烯地下管无需担心腐蚀问题。正因为上述优点，聚乙烯塑料管取代了铸铁管。钢管，被广泛使用。

可是，埋地水道专用的聚乙烯管铺设在有机溶剂污染的土壤中时，有机溶剂会浸透聚乙烯管的管壁，把水道的水污染。因此，在土壤污染的情况下，通常铺设铸铁水管或者钢管，或者把污染的土壤改良，聚乙烯塑料管不能直接铺放在污染的土壤中。同时，水道专用的聚乙烯管露出的配管，经常受日光照射，容易发生管老化。如果采用钢板保护，就必须要有钢板弯曲等工序，提高生产成本。并且，聚乙烯塑料自身的力学强度比金属小，当设计耐水压和土壤压力时，必须考虑增加管材的壁厚，这样搬运的时候较重，成本也随之上升。虽然聚乙烯管采用热融合方法与同类材料的管材部件结合形成一体化结构管时，结合处的力学强度比管自身的强度高，可以充分发挥聚乙烯管的耐震性能，可是，聚乙烯管和其他材质的部件结合时，前处理的步骤必不可少。

CN102408610A公开了一种增强型聚乙烯管材，有聚乙烯管体，其聚乙烯管体中施加有短玻璃纤维，在管材配料中短玻璃纤维占配料重量的3-72％。通过在管材中添加短玻璃纤维，可大大增强管材的强度，产品经检测，屈服强度可达到80MPa以上，环刚度可提高一倍以上，添加的合理组配的阻燃剂和抗静电剂，使聚乙烯管获得了良好的阻燃和抗静电性能。由于采用添加短玻璃纤维的方式来增加强度，不必将管材制作的较厚，成本低，又轻巧，使用方便，特别适合用作排水管和矿用管。

CN102408610A只是公开了增强型聚乙烯管材产品，并未公开其制备方法，而且CN102408610A公开的是聚乙烯与纤维、助剂混合后直接挤出管材的管材全体增强法，且CN102408610A不能实现根据管材具体的使用要求，调整增强层/纤维增强层的厚度比，这是纤维与聚乙烯混合后直接挤出管材不能达到的。

为了解决聚乙烯水管的耐有机溶剂腐蚀性能差、与其他材质的部件结合性能，特开2002-36431提供了一种金属补强的聚乙烯复合材料管：聚乙烯管的外层缠绕薄层金属片，并在金属片外层缠绕树脂含浸后的碳纤维(单向连续纤维或碳纤维编织物)或玻璃纤维进行增强；或者在金属外层再覆盖一层聚乙烯。该发明中，中间的金属层和聚乙烯层之间，没有任何接着剂，只是简单物理叠加覆盖，从复合管的切断面中，可以将聚乙烯层与金属层剥离开，整个复合管一体结构性能会受到影响，例如抗震时聚乙烯材料的优异拉伸性能会受到外层金属层的制约，降低整体管材的抗震性能；同时，该发明由于要尽可能保持聚乙烯管材的柔软性能，要求金属层极薄，这给加工带来了较高的技术要求，而在金属外层附加的碳纤维增强部分，由于使用碳纤维布或树脂含浸的连续纤维(碳纤维或玻璃纤维)，工艺过程较为复杂，生产成本较高。本发明针对上述发明中存在的问题，提出了解决方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种短切纤维增强聚乙烯复合材料双层管，纤维含量根据双层管的管径与管壁厚度比控制在20％～50％之间。该复合管制造工艺简单，并具有耐腐蚀性强、轻量化程度高、抗光氧化老化性能好等优点。

本发明提供一种纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，包括如下步骤：

(1)短纤维的切取

将碳纤维或玻璃纤维切为5mm-9mm的短纤维；

(2)纤维增强聚乙烯粒料

将切好的短纤维与混合均匀的聚乙烯粉料和抗氧剂通过双螺杆挤出机充分混合挤出造粒，获得纤维增强聚乙烯粒料；

(3)纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造

利用多层共挤工艺，将聚乙烯和步骤(2)中的纤维增强聚乙烯粒料双层共挤，双层间通过热熔结合，冷却后，形成纤维增强聚乙烯复合材料双层管。

其中，所述碳纤维优选为12KT300、12KT700或24K以上的大丝束碳纤维。

步骤(2)中抗氧剂优选为酚类、亚磷酸酯。

所述酚类抗氧剂优选为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂Irganox245；所述亚磷酸酯抗氧剂优选为抗氧剂Irgafos168、抗氧剂Irgafos38、抗氧剂618。

步骤(2)中所述纤维增强聚乙烯粒料中，纤维含量优选为20-50wt％。

纤维增强聚乙烯复合材料双层管中，纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比优选为0.2-0.5。

复合材料双层管外层为聚乙烯层，内层为纤维增强层，也可以是复合材料双层管外层为纤维增强层，内层为聚乙烯层。

本发明还可以详述如下：

(1)PE100或其他牌号的聚乙烯粉料与抗氧剂等助剂通过高速混合机混合均匀。

(2)将碳纤维12KT300、12KT700或24K以上的大丝束碳纤维或玻璃纤维等连续长纤维切为不小于5mm的短纤维。

(3)将切好的短纤维与上述聚乙烯粉料通过双螺杆挤出机充分混合挤出造粒，获得碳纤维增强聚乙烯粒料，其中，纤维的质量含量为20％～50％。

(4)利用多层共挤工艺，将聚乙烯和短线切纤维增强的聚乙烯粒料双层共挤，聚乙烯层与纤维增强聚乙烯层所用的聚乙烯是同一厂家的同一牌号产品。双层间通过热熔结合，冷却后，形成双层管。

(5)双层管的厚度根据使用要求，纤维增强层与聚乙烯层的厚度比值一般在0.2～0.5之间。

(6)在挤出管材过程中，根据双层管的具体使用环境，调整双层管内外层材质：当双层管用来输送水时，内层为聚乙烯层，外层为增强层；输送石油等腐蚀性液体时，内层为纤维增强层，外层为聚乙烯层。

(7)聚乙烯材质层与碳纤维增强聚乙烯层通过热熔相互接合，通过冷却定型，形成一体化复合材料双层管。

该发明中提供的纤维增强聚乙烯复合材料双层管，与传统的金属增强聚乙烯管相比，具有轻量化、强度高、耐腐蚀、抗光氧化老化性能好、施工简单等优点，外层的纤维增强层既可以增加整体复合管的耐压强度和抗光氧化性能，同时与管道同类材质部件通过热融合就可以形成一体化结构，施工简单。该纤维增强聚乙烯复合材料双层管外露部分(不埋地部分)，无需使用金属遮光，管材外层自身具有良好的抗光氧化性。与特开特开2002-3643相比，本发明提供的复合材料管一体化性能好，可以充分发挥聚乙烯材料作为管材的优异性能，同时，施工简单。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。

短纤维的切取：

在本发明中，对短纤维的切取并无特别限定，通常将碳纤维或玻璃纤维切为5mm-9mm的短纤维，如果将碳纤维或玻璃纤维切取的小于5mm，由于过短，容易造成增强作用不明显；而将碳纤维或玻璃纤维切取的大于9mm，由于过长，造成纤维与聚乙烯相容性差，并无其它有益效果。

碳纤维：

在本发明中，对碳纤维的类型并无特别限定，通常碳纤维可以选取以下列举的：12KT300、12KT700或24K以上的大丝束碳纤维。

抗氧剂：

在本发明中，对抗氧剂类型并无特别限定，通常可以选择酚类、亚磷酸酯；酚类抗氧剂可以列举为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂Irganox245；亚磷酸酯抗氧剂可以列举为抗氧剂Irgafos168、抗氧剂Irgafos38、抗氧剂618。

步骤(2)中所述纤维增强聚乙烯粒料：

在本发明中，对步骤(2)中所述纤维增强聚乙烯粒料并无特别限定，通常步骤(2)中所述纤维增强聚乙烯粒料中，纤维含量为20-50wt％；如果纤维含量小于20wt％，由于纤维含量过小，容易造成增强效果不明显；而纤维含量大于50wt％，由于纤维含量过大，造成浪费，并无其它有益效果。

纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度比：

在本发明中，纤维增强聚乙烯复合材料双层管中，纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度比并无特别限定，通常纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比为0.2-0.5，如果纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度比小于0.2，造成增强作用不明显；而纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度比大于0.5，容易造成浪费，并无其他有益效果。

实施例1：

制备管径与管壁厚比为11的碳纤维增强聚乙烯复合材料管：利用切割设备将连续碳纤维(12KT300，吉化石化)切割为长度5mm的短切纤维，短切碳纤维与PE100粉料(吉林石化)按重量比1:4的比例混合，再添加0.01wt％的抗氧剂1076和0.01wt％抗氧剂1010，充分混合后，一起通过双螺杆挤出机造粒，挤出机机头温度为200℃，获得碳纤维增强PE100粒料，其纤维含量20wt％。通过多层共挤管线生产设备，把PE100粒料与碳纤维增强的PE100粒料双层共挤，冷却定型，获得碳纤维增强聚乙烯复合材料双层管。该管外层为碳纤维增强聚乙烯层，内层为聚乙烯层，管径与壁厚比为11，纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比为0.2。

实施例2：

制备管径与管壁厚比为26的碳纤维增强聚乙烯复合材料管：利用切割设备将连续碳纤维(12KT300，吉化石化)切割为长度7mm的短切纤维，短切碳纤维与PE100粉料(吉林石化)按重量比1:3的比例混合，再添加0.01wt％的抗氧剂1076和0.01wt％抗氧剂Irgafos168，充分混合后，一起通过双螺杆挤出机造粒，挤出机机头温度为200℃，获得碳纤维增强PE100粒料，其纤维含量25wt％。通过多层共挤管线生产设备，把PE100粒料与碳纤维增强的PE100粒料双层共挤，冷却定型，获得碳纤维增强聚乙烯复合材料双层管。该管外层为碳纤维增强聚乙烯层，内层为聚乙烯层，管径与壁厚比为26。纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比为0.3。

实施例3：

制备管径与管壁厚比为33的碳纤维增强聚乙烯复合材料管：利用切割设备将连续碳纤维(12KT300，吉化石化)切割为长度9mm的短切纤维，短切碳纤维与PE100粉料(吉林石化)按重量比1:1的比例混合，再添加0.01wt％的抗氧剂1076和0.01wt％抗氧剂618，充分混合后，一起通过双螺杆挤出机造粒，挤出机机头温度为200℃，获得碳纤维增强PE100粒料，其纤维含量50wt％。原材料利用实施例1中所使用的碳纤维增强PE100粒料和PE100粒料，通过多层共挤管线生产设备，把PE100粒料与碳纤维增强的PE100粒料双层共挤，冷却定型，获得碳纤维增强聚乙烯复合材料双层管。该管外层为碳纤维增强聚乙烯层，内层为聚乙烯层，管径与壁厚比为33。纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比为0.5。

实施例4：

制备管径与管壁厚比为33的碳纤维增强聚乙烯复合材料管：利用切割设备将连续碳纤维(12KT300，吉化石化)切割为长度9mm的短切纤维，短切碳纤维与PE100粉料(吉林石化)按重量比1:1的比例混合，再添加0.01wt％的抗氧剂1076和0.01wt％抗氧剂Irganox245，充分混合后，一起通过双螺杆挤出机造粒，挤出机机头温度为200℃，获得碳纤维增强PE100粒料，其纤维含量50wt％。原材料利用实施例1中所使用的碳纤维增强PE100粒料和PE100粒料，通过多层共挤管线生产设备，把PE100粒料与碳纤维增强的PE100粒料双层共挤，冷却定型，获得碳纤维增强聚乙烯复合材料双层管。该管外层为聚乙烯层，内层为碳纤维增强聚乙烯层，管径与壁厚比为33。纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比为0.5。

实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所得的碳纤维增强PE双层复合材料管都在1MPa以上，满足水道管最高容许压强要求。

Claims (9)

1.一种纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，包括如下步骤：

(1)短纤维的切取

将碳纤维或玻璃纤维切为5mm-9mm的短纤维；

(2)纤维增强聚乙烯粒料

将切好的短纤维与混合均匀的聚乙烯粉料和抗氧剂通过双螺杆挤出机充分混合挤出造粒，获得纤维增强聚乙烯粒料；

(3)纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造

利用多层共挤工艺，将聚乙烯和步骤(2)中的纤维增强聚乙烯粒料双层共挤，双层间通过热熔结合，冷却后，形成纤维增强聚乙烯复合材料双层管。

2.根据权利要求1所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：所述碳纤维为12KT300、12KT700或24K以上的大丝束碳纤维。

3.根据权利要求1或2所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：步骤(2)中抗氧剂为酚类、亚磷酸酯。

4.根据权利要求3所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：所述酚类抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂Irganox245；所述亚磷酸酯抗氧剂为抗氧剂Irgafos168、抗氧剂Irgafos38、抗氧剂618。

5.根据权利要求1或2或4所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：步骤(2)中所述纤维增强聚乙烯粒料中，纤维含量为20-50wt％。

6.根据权利要求3所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：步骤(2)中所述纤维增强聚乙烯粒料中，纤维含量为20-50wt％。

7.根据权利要求1或2所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：纤维增强聚乙烯复合材料双层管中，纤维增强聚乙烯层厚度和聚乙烯层的厚度的比为0.2-0.5。

8.根据权利要求1所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：复合材料双层管外层为聚乙烯层，内层为纤维增强层。

9.根据权利要求1所述的纤维增强聚乙烯复合材料双层管的制造方法，其特征在于：复合材料双层管外层为纤维增强层，内层为聚乙烯层。