一种增强聚乙烯管材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种增强聚乙烯管材料及其制备方法 (Reinforced polyethylene pipe material and preparation method thereof ) 是由 梁丽 叶林 吴步永 孔令举 梁恒远 赵晓文 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种增强聚乙烯管材料及其制备方法,其特点是利用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)极高的分子缠结密度及强韧性,通过分别在PE管材料及UHMWPE分子上接枝反应性基团,采用简便高效的反应性熔融加工方法实现两相分子在界面上的反应,并引入较低分子量UHMWPE(L-UHMWPE)构建聚乙烯管材料与UHMWPE相匹配的粘度梯度,从而构筑两相界面分子间强相互作用,促使界面分子间扩散,形成界面高度分子缠结,获得良好界面相容性,实现UHMWPE在聚乙烯管材料基体中的良好分散,显著提升聚乙烯管材料的强韧性。(The invention provides a reinforced polyethylene pipe material and a preparation method thereof, which is characterized in that the ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) is utilized to achieve extremely high molecular entanglement density and toughness, reactive groups are grafted on the PE pipe material and UHMWPE molecules respectively, a simple and efficient reactive melt processing method is adopted to achieve reaction of two-phase molecules on an interface, UHMWPE (L-UHMWPE) with lower molecular weight is introduced to construct a viscosity gradient matched with the UHMWPE, so that strong interaction between the two-phase interface molecules is constructed, diffusion between the interface molecules is promoted, high-level molecular entanglement of the interface is formed, good interface compatibility is obtained, good dispersion of the UHMWPE in a polyethylene pipe material matrix is achieved, and the toughness of the polyethylene pipe material is remarkably improved.)
技术领域
本发明涉及一种增强聚乙烯管材料及其制备方法，属于聚合物加工领域。
背景技术
聚乙烯(PE)管材综合性能优异，广泛用于建筑给排水、燃气输送、电工电讯防护及农业灌溉等领域；近年来，随管网输送压力增大、管道口径增加及对管网安全性要求的日益提高，对PE管材的耐压强度及使用寿命提出了更高要求。为此，人们开展了大量工作对PE管材料进行力学性能改性研究。冉崇文等，合成树脂及塑料，2018,(4),31-33，描述了石墨烯增强PE管材料的研究，表明复合材料的弯曲模量可从纯PE的1080MPa提升至1160MPa。王春广等，塑料科技，2016,(44),32-36，对玻璃纤维改性PE管材料进行了研究，发现当加入20wt％的玻璃纤维时，复合材料的拉伸强度较纯PE提升了10％。冯宗东等，工程塑料应用，2016,(44),110-114，采用玄武岩纤维增强PE管材料，当玄武岩纤维用量为20wt％时，复合材料的拉伸强度较纯PE提高了60％，由25MPa提高至40MPa。以上改性方法中，采用纤维·、无机纳米粒子等虽可在一定程度上提高PE管材料力学强度，但由于填料与PE基体间缺乏强相互作用，其增强效果有限，并伴随PE管材料韧性的显著降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种增强聚乙烯管材料及其制备方法，其特点是利用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)极高的分子缠结密度及强韧性，通过分别在PE管材料及UHMWPE分子上接枝反应性基团，采用简便高效的反应性熔融加工方法实现两相分子在界面上的反应，并引入较低分子量UHMWPE(L-UHMWPE)构建聚乙烯管材料与UHMWPE相匹配的粘度梯度，从而构筑两相界面分子间强相互作用，促使界面分子间扩散，形成界面高度分子缠结，获得良好界面相容性，实现UHMWPE在聚乙烯管材料基体中的良好分散，显著提升聚乙烯管材料的强韧性。
本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料分数除特殊说明外，均为重量份数。
一种增强聚乙烯管材料的起始主要原料配方组分为：
其中，UHMWPE分子量为500-1100万，L-UHMWPE分子量为40-500万；
反应性单体1为马来酸酐(MA)、苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)、顺丁烯二酸酐(BA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、烯丙基缩水甘油醚(AGE)中的任一种；
反应性单体2为丙烯酰胺(AM)、烯丙胺(AP)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MAA)中的任一种；
引发剂1为过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈、过氧化二异丙苯中的任一种；
引发剂2为二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉-1-丙酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮、(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦中的任一种；
抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(即：Irganox1010)，N,N'-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基]己二胺(即：Irganox1098)，β-(4-羟基-3，5-二叔丁基苯基)丙酸十八醇酯(即：Irganox 1076)，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(即：BHT(264))中的任一种；
该增强聚乙烯管材料的制备方法包括以下步骤：
聚乙烯管材料-g-反应性单体1的制备
将100份聚乙烯管材料加入密炼机于180-250℃进行塑化熔融，转速为40-100rpm，然后依此加入0.05～5份抗氧剂、0.1-20份反应性单体1及0.1-10份引发剂1，反应10-100min，得到聚乙烯管材料-g-反应性单体1；
UHMWPE-g-反应性单体2的制备
将1-50份UHMWPE、0.1-10份引发剂2、0.1-20份反应性单体2及10-200份丙酮于30-60℃搅拌混合均匀，通入N2，然后采用紫外灯处理10-60min，紫外灯功率为200-5000W，随后用丙酮清洗，于90℃真空干燥4小时，得到UHMWPE-g-反应性单体2；
增强聚乙烯管材料的制备：
将100份聚乙烯管材料-g-反应性单体1、1-50份UHMWPE-g-反应性单体2、1-50份L-UHMWPE与0.05～5份抗氧剂加入高速混合机中混合均匀，然后用双螺杆挤出机熔融混炼，挤出造粒，螺杆转速50～200转/分，料筒温度180～250℃，即得增强聚乙烯管材料。
增强聚乙烯管材料的性能
本发明所制备的增强聚乙烯管材料，其拉伸强度相对于原聚乙烯管材料提高15-30％，冲击强度提高80-100％。
本发明具有如下优点
本发明诣在制备一种增强聚乙烯管材料，具有如下特点：
·超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于具有极高的分子量，其分子缠结密度大，力学强韧性及耐磨性优异，然而由于UHMWPE与聚乙烯(PE)之间粘度差异大、不匹配，导致共混物两相相分离明显、相容性较差，力学性能远低于预期。为此，本发明创造性地通过分别在PE管材料及UHMWPE分子上接枝反应性基团，采用简便高效的反应性熔融加工方法实现两相分子在界面上的反应，构筑界面分子间强相互作用，获得良好界面相容性，实现了UHMWPE在聚乙烯管材料基体中的良好分散，显著提升了聚乙烯管材料的强韧性；
·在聚乙烯管材料/UHMWPE共混体系中进一步引入较低分子量UHMWPE(L-UHMWPE)，以构建聚乙烯管材料与UHMWPE相匹配的粘度梯度，促使两相界面分子间扩散，形成界面高度分子缠结，减少相分离现象发生，可进一步提升共混物力学性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
将1kg聚乙烯管材料加入密炼机于180℃进行塑化熔融，转速为40rpm，然后依此加入5g四[-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(即：Irganox1010)、50g马来酸酐(MA)及5g过氧化二苯甲酰，反应30min，得到聚乙烯管材料-g-MA。
将100g UHMWPE、3g二苯甲酮、10g烯丙胺(AP)及300g丙酮于30℃搅拌混合均匀，通入N2，然后采用紫外灯处理10min，紫外灯功率为800W，随后用丙酮清洗，于90℃真空干燥4小时，得到UHMWPE-g-AP。
将1kg聚乙烯管材料-g-MA、100g UHMWPE-g-AP、50g L-UHMWPE与5g Irganox1010加入高速混合机中混合均匀，然后用双螺杆挤出机熔融混炼，挤出造粒，螺杆转速50转/分，料筒温度180℃，即得增强聚乙烯管材料。
实施例2
将1kg聚乙烯管材料加入密炼机于220℃进行塑化熔融，转速为70rpm，然后依此加入10g N,N'-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基]己二胺(即：Irganox 1098)、100g烯丙基缩水甘油醚(AGE)及10g偶氮二异丁腈，反应50min，得到聚乙烯管材料-g-AGE。
将200g UHMWPE、10g 2,4-二羟基二苯甲酮、50g丙烯酸(AA)及500g丙酮于45℃搅拌混合均匀，通入N2，然后采用紫外灯处理30min，紫外灯功率为2000W，随后用丙酮清洗，于90℃真空干燥4小时，得到UHMWPE-g-AA。
将1kg聚乙烯管材料-g-AGE、200g UHMWPE-g-AA、100g L-UHMWPE与10g Irganox1098加入高速混合机中混合均匀，然后用双螺杆挤出机熔融混炼，挤出造粒，螺杆转速120转/分，料筒温度220℃，即得增强聚乙烯管材料。
实施例3
将1kg聚乙烯管材料加入密炼机于250℃进行塑化熔融，转速为100rpm，然后依此加入20g b-(4-羟基-3，5-二叔丁基苯基)丙酸十八醇酯(即：Irganox 1076)、150g苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)及20g过氧化二异丙苯，反应80min，得到聚乙烯管材料-g-SMA。
将500g UHMWPE、30g 2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、100g丙烯酰胺(AM)及1000g丙酮于60℃搅拌混合均匀，通入N2，然后采用紫外灯处理60min，紫外灯功率为5000W，随后用丙酮清洗，于90℃真空干燥4小时，得到UHMWPE-g-AM。
将1kg聚乙烯管材料-g-SMA、500g UHMWPE-g-AM、200g L-UHMWPE与15g Irganox1076加入高速混合机中混合均匀，然后用双螺杆挤出机熔融混炼，挤出造粒，螺杆转速200转/分，料筒温度250℃，即得增强聚乙烯管材料。