耐磨材料及其制备方法和应用和浆液管道
阅读说明：本技术 耐磨材料及其制备方法和应用和浆液管道 (Wear-resistant material, preparation method and application thereof and slurry pipeline ) 是由 王曙光 马伊 张春波 张寅灵 刘国刚 于芳 梁文斌 于 2019-03-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及耐磨管道领域,公开了一种耐磨材料及其制备方法和应用和浆液管道。所述耐磨材料包含共混以下组分：组分A和加工助剂；其中,所述组分A包含聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、共聚聚丙烯和无机填料,所述加工助剂包含偶联剂、润滑剂和抗氧剂；所述共聚聚丙烯在230℃、2.16kg的熔融指数≤1g/10min；所述偶联剂选自硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。本发明的耐磨材料在湿磨工况具有较高的耐磨损性能,因此特别适合作为浆液管道的耐磨层使用。(The invention relates to the field of wear-resistant pipelines and discloses a wear-resistant material, a preparation method and application thereof and a slurry pipeline. The wear resistant material comprises blending the following components: component A and a processing aid; the component A comprises polysiloxane modified ultrahigh molecular weight polyethylene, polypropylene copolymer and an inorganic filler, and the processing aid comprises a coupling agent, a lubricant and an antioxidant; the melt index of the copolymerized polypropylene at 230 ℃ and 2.16kg is less than or equal to 1g/10 min; the coupling agent is selected from silane coupling agent and/or titanate coupling agent. The wear-resistant material has higher wear resistance under the wet grinding condition, so the wear-resistant material is particularly suitable for being used as a wear-resistant layer of a slurry pipeline.)
技术领域
本发明涉及耐磨管道领域，具体涉及一种耐磨材料及其制备方法和应用和浆液管道。
背景技术
对于像气力和泵送浆体这种具有硬度高、流速快和流量大等特点的物料，在运输过程中，普通的管道往往无法承受而坏掉。因此现如今提出采用耐磨管道输送浆液。耐磨管道输送已遍及电力、冶金、煤炭、石油、化工、建材、机械等领域。
CN101845195A公开了一种耐磨热塑性弹性体及其制备方法，该弹性体是将10-80％基体树脂、10-60％母料、0-42％填充油、0-20％热塑性树脂、0-30％矿物填充剂、0-1.5％份偶联剂、0.1-2％份加工助剂和0.1-2％稳定剂共混制得。所述热塑性弹性体材料在制备过程中需要大量充油，在浆液输送的湿磨工况下的耐磨性能不佳。
CN102838866A公开了一种聚氨酯与聚丙烯纳米改性材料，是将100份聚氨酯、35-70份聚丙烯、15-25份增塑剂、5-8份功能改性剂、0.5-2份纳米材料、6-9份钙锌稳定剂和0.5-1.5份润滑剂共混制得纳米改性材料。所述聚氨酯与聚丙烯纳米改性材料，其延展性不大，适用于机械领域，在湿磨工况下的性能不佳。
CN103275402A公开了一种耐磨热塑性弹性体及其制备方法，其特征是由70-95重量份热塑性动态硫化橡胶、5-30重量份耐磨剂、0.2-1重量份抗氧剂、1-2重量份加工助剂通过双螺杆共混加工制成耐磨热塑性弹性体材料。所述磨热塑性弹性体，采用的PP/EPDM的动态硫化胶具有一定的延展性和耐磨性，但是EPDM的耐磨性仍然偏低。
CN104448505A公开了一种聚乙烯微晶陶瓷复合材料及其制备方法，其特征是将PE基体体系和微晶陶瓷体系以70-80/30-20共混制备成聚乙烯微晶陶瓷复合材料，其中聚乙烯基体体系为：高密度聚乙烯100份、硅酮粉1-5份，弹性体接枝物增韧改性剂5-10份，抗氧剂1010 0.5-1份；微晶陶瓷体系为：硅酸盐类微晶陶瓷30-56份，氧化锌60-66份，蒙脱土2-3份，钛酸酯偶联剂2-3份。但是由于基体树脂延展性差，随着浆液的冲击粒子的脱落会降低材料的磨耗性能。
由上可见，现有技术不能有效解决管道在浆液输送过程中的磨耗问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种新的耐磨材料及其制备方法和应用和浆液管道。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种耐磨材料，该耐磨材料包含共混以下组分：组分A和加工助剂；其中，所述组分A包含聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、共聚聚丙烯和无机填料，所述加工助剂包含偶联剂、润滑剂和抗氧剂；所述共聚聚丙烯在230℃、2.16kg的熔融指数≤1g/10min；所述偶联剂选自硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂；以所述组分A的总重量为基准，所述硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯的含量为60-85重量％，所述共聚聚丙烯的含量为5-30重量％，所述无机填料的含量为1-27重量％；相对于100重量份的组分A，所述加工助剂的含量为1-10重量份。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种制备本发明第一方面所述耐磨材料的方法，该方法包括：
1)将所述无机填料与偶联剂进行第一共混，使所述偶联剂包覆在无机填料的表面，形成第一共混物；
2)将所述第一共混物与所述聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、共聚聚丙烯、润滑剂和抗氧剂进行第二共混，形成第二共混物；
3)将所述第二共混物进行熔融挤出并造粒。
根据本发明的第三方面，本发明提供了所述耐磨材料在浆液管道中的应用。
根据本发明的第四方面，本发明提供了一种浆液管道，该浆液管道包括一体成型的中空管道，所述中空管道具有双层结构，由作为内层的耐磨层和作为外层的承压层构成，其中，所述耐磨层的材料为本发明第一方面所述的耐磨材料，所述承压层的材料选自聚烯烃树脂，所述聚烯烃树脂的弯曲模量≥1.2GPa，缺口冲击强度≥30KJ/m2。
本发明的耐磨材料在湿磨工况具有较高的耐磨损性能，因此特别适合作为浆液管道的耐磨层使用，而且所述耐磨材料具有优异的加工性能，与管道的承压层材料之间的相容性好，两种材料可经过挤出机一次成型且不存在界面剥离问题，可实现浆液管道的长效利用。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的浆液管道的结构示意图。
附图标记说明
1：耐磨层；2：承压层。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种耐磨材料，该耐磨材料包含共混的以下组分：组分A和加工助剂。
本发明的耐磨材料中，所述组分A包含聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、共聚聚丙烯和无机填料；以所述组分A的总重量为基准，所述聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯的含量为60-85重量％，所述共聚聚丙烯的含量为5-30重量％，所述无机填料的含量为1-27重量％。
本发明的耐磨材料中，所述加工助剂包含偶联剂、润滑剂和抗氧剂。相对于100重量份的所述组分A，所述加工助剂的含量为1-10重量份，优选为2-7重量份。
本发明的耐磨材料中，所述聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯属于热塑性弹性体，由聚硅氧烷链段和超高分子量聚乙烯链段构成，其中，所述聚硅氧烷链段为耐磨材料提供了极佳的延展性，超高分子量聚乙烯链段为耐磨材料提供了较低表面摩擦系数。所述聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯可参照本领域熟知的方法制得，例如参照CN103013022B中对于“改性聚烯烃管道材料”的制备方法制得，也可以通过商购获得，例如购自四川鑫成新材料有限公司的牌号为GXCG-1101的产品。
本发明的耐磨材料中，所述共聚聚丙烯在230℃、2.16kg的熔融指数≤1g/10min。所述共聚聚丙烯可以为商购的各种产品，只要满足上述熔融指数要求即可。
本发明的耐磨材料中，所述无机填料能够进一步提高耐磨材料的硬度和耐磨性能。具体地，所述无机填料可以选自金刚石、金红石型TiO2、玻璃纤维、玻璃微珠、硅灰石、石灰石(例如重质碳酸钙)、硫酸钙晶须、硼酸铝晶须、钛酸钾晶须和碳酸钙晶须中的至少一种。优选情况下，所述无机填料为硫酸钙晶须和/或硼酸铝晶须，这样能进一步提高耐磨材料的耐磨损性以及与浆液管道承压层的结合强度。优选所述硫酸钙晶须的直径≤5μm、长径比≤80。
本发明的耐磨材料中，优选情况下，以所述组分A的总重量为基准，所述硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯共聚物的含量67-80重量％，所述共聚聚丙烯的含量为5-30重量％，所述无机填料的含量为15-25重量％。
本发明的耐磨材料中，所述润滑剂选自聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯，所述润滑剂能够降低耐磨材料表面的摩擦系数，使以耐磨材料形成的浆液管道的表面具有更高的耐磨性能。优选地，所述润滑剂的粒径＜40μm。
优选地，相对于100重量份的组分A，所述润滑剂的含量为1-5重量份。
本发明的耐磨材料中，所述抗氧剂可参照现有技术选择。通常地，所述抗氧剂包含酚类抗氧剂和/或亚磷酸酯类抗氧剂。优选情况下，所述抗氧剂为酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂的组合物，其中，所述酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的质量比可以为1-2:1。
优选地，所述酚类抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和/或3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八烷醇酯。
优选地，所述亚磷酸酯类抗氧剂为双(2,4-二叔丁基苯酚)季戊四醇二亚磷酸酯和/或三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯。
优选地，相对于100重量份的所述组分A，所述抗氧剂的含量为0.1-0.5重量份。
本发明的耐磨材料中，所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。所述硅烷偶联剂例如可以选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。所述钛酸酯偶联剂例如可以选自异丙基三油酸酰氧基钛酸酯(HY-105)、三(异硬脂酰基)钛酸异丙酯、三异辛酰基钛酸异丙酯、二油酰基二异辛脂磷酸酰氧基伏酸异丙酯和二油酰基钛酸乙二酯中的一种或多种。
优选地，相对于100重量份的所述组分A，所述偶联剂的含量为0.1-0.3重量份。
按照一种实施方式，所述耐磨材料可以是通过将其中的各组分通过共混、熔融挤出并造粒制得。为了使所述无机填料更均匀分散在聚合物中，优选所述共混的方法分两阶段进行，为此，本发明第二方面提供了一种优选的制备所述耐磨材料的方法。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种制备所述耐磨材料的方法，该方法包括：
1)将所述无机填料与偶联剂进行第一共混，使所述偶联剂包覆在无机填料的表面，形成第一共混物；
2)将所述第一共混物与所述聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯共聚物、共聚聚丙烯、润滑剂和抗氧剂进行第二共混，形成第二共混物；
3)将所述第二共混物进行熔融挤出造粒。
根据本发明的方法，所述第一共混、第二共混均可在高速共混机中进行，本发明对共混的条件没有特别限定，只要能将各组分混合均匀即可。但为了提高共混效率，优选地，所述第一共混的温度为90-100℃，共混时间为2-10分钟，更优选为3-5分钟。优选地，所述第二共混的温度为80-90℃，共混时间为1-5分钟，更优选为2-4分钟。
根据本发明的方法，步骤3)中，所述熔融挤出造粒可通过双螺杆挤出机进行，所述双螺杆的长径比可以为36-48。所述熔融挤出造粒的条件可以包括：挤出温度为180-230℃。
根据本发明的第三方面，本发明提供了所述耐磨材料在浆液管道中的应用。本发明的耐磨材料不仅具有较高的耐磨损性，而且具有优异的加工性能，该材料与作为管道承压层材料的聚烯烃树脂可通过挤出机一体挤出成型而不脱落，两功能层之间连接紧固，使得浆液管道在运输条件下具有更高的耐持久性。
根据本发明的第四方面，本发明提供了一种浆液管道，如图1所示，该浆液管道包括一体成型的中空管道，所述中空管道具有双层结构，由作为内层的耐磨层1和作为外层的承压层2构成。所述浆液管道所的公称直径可以为DN40-DN250，耐磨层1的厚度可以为0.5-2.5mm，与承压层2的厚度之比可以为1:1-10。
根据本发明的浆液管道，所述耐磨层1的材料选自本发明第一方面所述的耐磨材料，所述承压层的材料为聚烯烃树脂；且所述聚烯烃树脂的弯曲模量≥1.2GPa，缺口冲击强度≥30KJ/m2。所述聚烯烃树脂为已知材料，例如可以参照CN108059770A进行选择。
所述浆液管道可以由以下方法制得：将作为芯层的所述耐磨材料与作为皮层的所述聚烯烃树脂通过双螺管挤出机共挤出成型。其中，所述耐磨材料的加工条件可以包括：双螺杆温度为170-200℃，模口温度为150-170℃，双螺杆转速为300-600转/分钟，所述聚烯烃树脂的加工条件包括：双螺杆温度为200-230℃，模口温度为170-190℃，双螺杆转速为1000-1500转/分钟。
本发明的浆液管道具有较高的耐磨损性，且加工工艺简单、成本低，并在运输条件下具有较高的耐持久性。所述浆液管道可应用于电厂脱硫浆液管道、河道疏浚管道等低粒度固液输送工况。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例1-7用于说明本发明的耐磨材料及其制备方法。其中，
聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯购自四川鑫成新材料有限公司，牌号为GXCG-1101；
共聚聚丙烯购自中国石化燕山石化公司，牌号为4220，熔融指数(230℃、2.16kg)为0.45g/10min；
硅烷偶联剂购自湖北华欣有机硅新材料有限公司，牌号为KH-550；
钛酸酯偶联剂购自杭州杰西卡化工有限公司，牌号为HY-105；
聚四氟乙烯购自克拉玛尔试剂公司，平均粒径为5μm；
硫酸钙晶须购自上海峰竺复合新材料技术有限公司，牌号为NP-M02，直径为1-4μm，长径比为40-80；
高速共混机购自张家港格瑞科技发展有限公司，型号为SHR-200B；
26型双螺杆挤出机购自南京瑞亚挤出机制造机械有限公司，型号为AK-26；
45型复合管道挤出机购自青岛瀚海塑料机械有限公司，型号为SJQG-Z90×30-160。
实施例1
1)将15.5重量份的硫酸钙晶须和0.15重量份的硅烷偶联剂KH-550在高速共混机中于90℃共混3分钟，使KH-550均匀包覆在硫酸钙晶须表面，得到第一共混物；
2)将75重量份的聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、9.5重量份的共聚聚丙烯、2重量份的聚四氟乙烯、0.15重量份的抗氧剂1010、0.15重量份的抗氧剂168和所述第一共混物在高速共混机中于80℃共混3分钟，得到第二共混物；
3)将所述第二共混物于26型双螺杆挤出机中于220℃挤出造粒，得到耐磨材料，记为A1。
实施例2
1)将17重量份的硫酸钙晶须和0.17重量份的硅烷偶联剂KH-550在高速共混机中于90℃共混3分钟，使KH-550均匀包覆在硫酸钙晶须表面，得到第一共混物；
2)将76重量份的聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、7重量份的共聚聚丙烯、2重量份的聚四氟乙烯、0.15重量份的抗氧剂1010、0.15重量份的抗氧剂168和所述第一共混物在高速共混机中于80℃共混3分钟，得到第二共混物；
3)将所述第二共混物于26型双螺杆挤出机中于220℃挤出造粒，得到耐磨材料，记为A2。
实施例3
1)将25重量份的硫酸钙晶须和0.25重量份的钛酸酯偶联剂HY-105在高速共混机中于90℃共混5分钟，使钛酸酯偶联剂均匀包覆在硫酸钙晶须表面，得到第一共混物；
2)将68重量份的聚硅氧烷改性超高分子量聚乙烯、7重量份的共聚聚丙烯4220、3重量份的聚四氟乙烯、0.1重量份的抗氧剂1010、0.1重量份的抗氧剂168和所述第一共混物在高速共混机中于80℃共混3分钟，得到第二共混物；
3)将所述第一共混物于26型双螺杆挤出机中于220℃挤出造粒，得到耐磨材料，记为A3。
实施例4
1)将2重量份的硫酸钙晶须和0.2重量份的硅烷偶联剂KH-550在高速共混机中于90℃共混2分钟，使硅烷偶联剂均匀包覆在硫酸钙晶须表面，得到第一共混物；
2)将85重量份的聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯、13重量份的共聚聚丙烯、2重量份的聚四氟乙烯、0.1重量份的抗氧剂1010、0.1重量份的抗氧剂168和所述第二共混物在高速共混机中于80℃共混5分钟，得到第二共混物；
3)将所述第一共混物于26型双螺杆挤出机中于210℃挤出造粒，得到耐磨材料，记为A4。
实施例5
按照实施例1的方法制备耐磨材料，所不同的是，将硫酸钙晶须替换为等重量的重质碳酸钙(购自长兴县振华石料有限公司，牌号为PT-4000)，从而制得耐磨材料，记为A5。
实施例6
按照实施例1的方法制备耐磨材料，所不同的是，将硫酸钙晶须替换为等重量的玻璃纤维(购自麦克林公司，牌号为F832297)，从而制得耐磨材料，记为A6。
实施例7
按照实施例1的方法制备耐磨材料，所不同的是，将硫酸钙晶须替换为等重量的硼酸铝晶须(购自上海峰竺复合新材料技术有限公司，牌号为NP-BW2)，从而制得耐磨材料，记为A7。
对比例1
按照实施例1的方法制备耐磨材料，所不同的是，将聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯替换为等质量的超高分子量聚乙烯树脂(Ticona 4150)，从而制得耐磨材料，记为D1。
对比例2
将95重量份的高密度聚乙烯(购自利安德巴塞尔公司公司，牌号为CRP100)和5重量份的金红石型TiO2(购自济南宝利金化工有限公司，牌号为NR-950)在高速共混机共混5分钟，通过26型双螺杆挤出机挤出造粒，挤出温度210℃，得到耐磨材料，记为D2。
对比例3
按照实施例1的方法制备耐磨材料，所不同的是，不采用共聚聚丙烯，直接将聚丙烯替换为聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯，即聚硅氧烷改性的超高分子量聚乙烯的总用量为84.5重量份，从而制得耐磨材料，记为D3。
测试例1
测试例1用于测试耐磨材料的耐磨损性能。
将耐磨材料A1-A7和D1-D3分别压制成型制备成380mm×130mm×4mm的样片，按照标准GB/T2668-2004中砂浆磨耗测试方式测试样片的砂浆磨损量，结果如表1所示。
表1
由表1可见，本发明制备的耐磨材料具有更高的耐磨损性能。
以下应用实施例用于说明本发明的浆液管道及其制备方法。
聚烯烃树脂参照CN108059770A的实施例1制得，其中，该聚烯烃树脂的弯曲模量为2025MPa，缺口冲击强度为69.4KJ/m2。
应用实施例1-7
浆液管道通过45型复合管道挤出机制备。分别将耐磨材料A1-A7置于管道芯层挤出的喂料装置中，螺杆温度190℃，模口温度150℃，双螺杆转速400转/分钟，将聚烯烃树脂置于管道皮层挤出的喂料装置中，螺杆温度210℃，模口温度180℃，双螺杆转速1200转/分钟。两种材料通过管道共挤模头成型并进入冷却真空定型设备定型，制成一体成型的图1所示的浆液管道，记为B1-B7。管道的公称直径均为DN65，耐磨层厚度为2.2mm，与承压层的厚度之比为1∶3。
应用对比例1
按照应用实施例1的方法制备浆液管道，所不同的是，用对比例1的耐磨材料D1代替实施例1的耐磨材料，制得浆液管道，记为BD1。
应用对比例2
按照应用实施例1的方法制备浆液管道，所不同的是，用对比例2的耐磨材料D2代替实施例1的耐磨材料，制得浆液管道，记为BD2。
应用对比例3
按照实施例1的方法制备浆液管道，所不同的是，用对比例3的耐磨材料D2代替实施例1的耐磨材料，制得浆液管道，记为BD3。
测试例2
测试例2用于测试浆液管道的剥离性能。
将应用实施例1-7和应用对比例1-3的浆液管道分别裁切成600mm×15mm的样片，在样片的一段手动剥开50mm，测试方法参照GB/T8808-1988软质复合塑料剥离实验方法，剥离力结果如表2所示。
表2
由此可见，本发明的浆液管道的双层结构牢固，更利于实现浆液管道的长效利用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。