碳纖維增強(qiáng)聚丙烯材料及其管道的應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明是一種碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特點(diǎn)是，含有碳纖維，聚丙烯樹(shù)脂，滑石粉,丙烯接枝馬來(lái)酸酐，色母。具有強(qiáng)度高、抗沖擊和耐腐蝕性能好,耐高溫等優(yōu)點(diǎn)；采用碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料應(yīng)用在管道上，其線(xiàn)膨脹系數(shù)比單一聚丙烯樹(shù)脂材料管道降低50%以上，抗拉強(qiáng)度約為單一聚丙烯樹(shù)脂材料管道的1.5~2倍，管道正常工作時(shí)的使用溫度為100℃~150℃，在同等級(jí)別的壓力條件下，增加管材內(nèi)徑提高了水流量約15%。
【專(zhuān)利說(shuō)明】碳纖維增強(qiáng)聚丙烯材料及其管道的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種碳纖維增強(qiáng)聚丙烯材料，適用于制作管道，用于建筑的給排水、城鄉(xiāng)給排水、城市燃?xì)?、工業(yè)流體輸送、農(nóng)業(yè)灌溉管道。
【背景技術(shù)】
[0002]近10年來(lái)，在我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的拉動(dòng)下，隨著行業(yè)市場(chǎng)需求的不斷加大，塑料管道行業(yè)在化工建材大發(fā)展的背景下呈現(xiàn)出了高速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。[0003]從2000年起，我國(guó)塑料管道的產(chǎn)量在世界各國(guó)塑料管道產(chǎn)量的排位已經(jīng)是第二位，2008年年產(chǎn)量達(dá)到了 460萬(wàn)噸，超過(guò)美國(guó)而位居世界第一。2010年總產(chǎn)量達(dá)到800萬(wàn)噸以上，約占世界塑料管道總產(chǎn)量的40%。預(yù)計(jì)十二五期間我國(guó)塑料管道生產(chǎn)量將繼續(xù)保持在10%左右的增長(zhǎng)速度，到2015年預(yù)期全國(guó)塑料管道生產(chǎn)量將接近1200萬(wàn)噸，塑料管道在全國(guó)各類(lèi)管道中市場(chǎng)占有率超過(guò)60%，其中增強(qiáng)性塑料管道生產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到200萬(wàn)噸以上，占塑料管道總量的17%左右。我國(guó)已經(jīng)完成了開(kāi)創(chuàng)和擴(kuò)張的初級(jí)階段，即將邁入從塑料管道大國(guó)向塑料管道強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的新時(shí)期。
[0004]目前塑料管道主要采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等單一的熱塑性塑料制造。這些采用單一熱塑性塑料制造的管道，普遍存在且突出的缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低，剛度較小，耐熱溫度較差，因此對(duì)需要承受較大負(fù)載或復(fù)雜負(fù)荷，以及比較惡劣的外部環(huán)境下使用就顯得力有未逮，而且塑料管道相對(duì)直徑較大時(shí)生產(chǎn)鎖耗費(fèi)的材料也很多。例如最高等級(jí)的HDPE管道專(zhuān)用料PE100的設(shè)計(jì)應(yīng)力僅8MPa，而增強(qiáng)細(xì)鋼絲的設(shè)計(jì)應(yīng)力一般在1000MPa 左右。
[0005]為了進(jìn)一步擴(kuò)大塑料管道的市場(chǎng)領(lǐng)域，突破傳統(tǒng)管道的局限，開(kāi)拓和尋求技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能更好的新型管道。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都在努力探索開(kāi)發(fā)增強(qiáng)性塑料管道，其目的是通過(guò)結(jié)合其他的增強(qiáng)材料，由目前的通用塑料發(fā)展至強(qiáng)度更高、耐沖擊性更好的增強(qiáng)性塑料，使塑料管道具有能夠承受壓力更大、耐溫更高，減少原料消耗和制造更大的直徑。
[0006]最早推動(dòng)增強(qiáng)性塑料管道開(kāi)發(fā)是石油和天然氣產(chǎn)業(yè)。過(guò)去石油和天然氣產(chǎn)業(yè)所采用的絕大部分是鋼管，其突出的問(wèn)題是耐腐蝕性差，后通過(guò)塑料材料夾襯鋼材料的工藝方法研制開(kāi)發(fā)出了高強(qiáng)度、抗沖擊和耐腐蝕的撓性管道，目前已被廣泛應(yīng)用，包括在我國(guó)的海上油田，但該類(lèi)管道的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造成本較高。在撓性管的成功帶動(dòng)下，適合在陸地使用的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本低廉的塑料增強(qiáng)管道也提到了發(fā)展議程之上。
[0007]塑料增強(qiáng)管道的特點(diǎn)是既能夠承受較高工作壓力，同時(shí)還保持了塑料管道有一定柔韌性的優(yōu)點(diǎn)，可以做成盤(pán)管形式，每盤(pán)長(zhǎng)度從幾十米到近千米。國(guó)外主要應(yīng)用在石油、天然氣開(kāi)采，高壓長(zhǎng)距離輸送天燃?xì)庖约案鞣N需要較高壓力輸送介質(zhì)的管線(xiàn)領(lǐng)域。通常是以提高抗內(nèi)壓能力為目標(biāo)采取的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層為各種熱塑性樹(shù)脂塑料，中間層是由纖維、鋼材料或其他高強(qiáng)度材料構(gòu)成的增強(qiáng)層，國(guó)際上習(xí)慣稱(chēng)其為增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管，簡(jiǎn)稱(chēng)RTP，根據(jù)增強(qiáng)層材料的不同，分為玻纖增強(qiáng)管、鋼帶增強(qiáng)管、鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)管等等。這種增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管的制造工藝一般是先生產(chǎn)管道內(nèi)層，在內(nèi)層的基礎(chǔ)上直接使用高強(qiáng)度的各種合成纖維，如:芳綸；無(wú)機(jī)纖維，如:玻璃纖維，鋼絲鋼帶等增強(qiáng)層直接纏繞在內(nèi)管上，然后再生產(chǎn)管道外層將中間層包裹形成。
[0008]以全鋼帶或網(wǎng)孔鋼帶為增強(qiáng)層的復(fù)合管道，因塑料和金屬的收縮率相差200倍以上，在冷卻過(guò)程中會(huì)在管壁內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力，而在焊接點(diǎn)和沖孔的邊緣處，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，因此增加了管道破壞的風(fēng)險(xiǎn)，所以這種增強(qiáng)管道由于可靠性的原因沒(méi)有成為市場(chǎng)上的主要推廣產(chǎn)品。
[0009]世紀(jì)中葉，以玻璃纖維增強(qiáng)層為代表性的玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料管道，簡(jiǎn)稱(chēng)FR的發(fā)展較多，該產(chǎn)品雖然提高了管道的強(qiáng)度、韌性和一般耐熱性，但由于其增強(qiáng)樹(shù)脂材料的彈性模量小、長(zhǎng)期耐溫性差、材料結(jié)構(gòu)層間剪切強(qiáng)度低，而且沒(méi)有擺脫三層復(fù)合的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，以及工藝操作環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)設(shè)備投資大等缺陷限制，已經(jīng)不具備更大的發(fā)展空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種強(qiáng)度高、抗沖擊和耐腐蝕性能好，耐高溫的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料及其在管道上的應(yīng)用。
[0011]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，一種碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特征是，它含有下述重量份的原料:碳纖維15~25份，聚丙烯樹(shù)脂65~75份，滑石粉I~3份，丙烯接枝馬來(lái)酸酐5~10份，色母I~2份。
[0012]所述的碳纖維為聚丙烯腈基短碳纖維，長(zhǎng)度2~4mm。
[0013]所述的聚丙烯樹(shù)脂為共聚聚丙烯樹(shù)脂粉,粒度直徑250~300Mm,氯含量≤IOOmg/kg，灰份≤350mg/kg,揮發(fā)份≤0.2%。
[0014]所述的滑石粉為塑料級(jí)滑石粉，粒度直徑13.5-2Mffl,白度> 90 ;二氧化硅> 60%;
氧化鎂≤30%o
[0015]所述的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料管道的應(yīng)用。
[0016]本發(fā)明碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，亦即英文縮寫(xiě)為:CFR/PP_R，是采用主要成分短切碳纖維與聚丙烯樹(shù)脂材料合成的，使制品獲得了優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、耐高溫性，同時(shí)大大降低了聚丙烯樹(shù)脂材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)；丙烯接枝馬來(lái)酸酐能夠改善碳纖維與聚丙烯樹(shù)脂之間的界面相容性，提高合成材的剛度和韌性；滑石粉作為潤(rùn)滑劑和改性劑對(duì)合成更有利；色母的著色能力使產(chǎn)品具有外觀色彩多樣化。減少生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)設(shè)備投資，緩解資源能量消耗；同時(shí)，具有原材料獲取容易，加工尺寸穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，耐高溫、耐腐蝕，綠色無(wú)污染，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0017]采用碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料管道的應(yīng)用，其線(xiàn)膨脹系數(shù)比單一聚丙烯樹(shù)脂材料管道降低50%以上，抗拉強(qiáng)度約為單一聚丙烯樹(shù)脂材料管道的1.5^2倍，管道正常工作時(shí)的使用溫度為100°C ~150°C，在同等級(jí)別的壓力條件下，增加管材內(nèi)徑提高了水流量約15%。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，它含有下述重量份的原料:碳纖維15~25份，聚丙烯樹(shù)脂65~75份，滑石粉I~3份，丙烯接枝馬來(lái)酸酐，即PP-g-MAH 5~10份，色母I~2份。
[0020]所述的碳纖維為聚丙烯腈基短碳纖維，長(zhǎng)度2~4mm。
[0021]所述的聚丙烯樹(shù)脂為共聚聚丙烯樹(shù)脂粉，粒度直徑250~300Mm，氯含量≤IOOmg/kg，灰份≤350mg/kg,揮發(fā)份≤0.2%。
[0022]所述的滑石粉為塑料級(jí)滑石粉，粒度直徑13.5-2Mm,白度> 90 ;二氧化硅> 60%;
氧化鎂≥30%o
[0023]所述的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料管道的應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料生產(chǎn)工藝為:
短碳纖維制備一短碳纖維表面處理一短碳纖維分散一增強(qiáng)材料混配一短切冷造粒一輔助材料混合一真空吸附上料一熔融擠出一真空定徑一水浸冷卻一牽引噴碼一切割下線(xiàn)—產(chǎn)品檢驗(yàn)一包裝入庫(kù)。
[0025]短切冷造粒與管材的擠出溫度控制在175_215°C之間，冷卻水溫不超過(guò)50°C，造粒直徑2-2.2mm ;管件注塑熔融溫度控制在185_210°C，壓力75MPa，注塑成型周期不低于60s。管道產(chǎn)品執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18742-2002。
[0026]本發(fā)明的增強(qiáng)體材料選用聚丙烯腈基短碳纖維，其力學(xué)性能良好，生產(chǎn)工藝成熟，是目前碳纖維領(lǐng)域中最主要的并占絕對(duì)地位的品種。基體材料選用的是聚丙烯樹(shù)脂，由乙烯分子和丙烯分子同時(shí)進(jìn)行聚合反應(yīng)而制得的高分子合成樹(shù)脂材料，易加工成型性好，對(duì)酸、堿、醇、低沸點(diǎn)碳?xì)浠衔锶軇┘昂芏嘤袡C(jī)化學(xué)品的作用有很強(qiáng)的抵抗力，室溫下基本不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑；丙烯接枝馬來(lái)酸酐能夠改善碳纖維與聚丙烯樹(shù)脂之間的界面相容性，提高合成材的剛度和韌性；滑石粉作為潤(rùn)滑劑和改性劑對(duì)合成更有利；色母的著色能力使產(chǎn)品具有外觀色彩多樣化。
[0027]本發(fā)明所用原材料易得，均為市售產(chǎn)品。其中:本發(fā)明采用的碳纖維為聚丙烯腈基短碳纖維，由吉林化纖股份有限公司生產(chǎn)；聚丙烯樹(shù)脂選用的是共聚聚丙烯樹(shù)脂粉，由大慶華科股份有限公司、盤(pán)錦乙烯工業(yè)公司和北京燕山石化公司等大型化工企業(yè)生產(chǎn)；塑料級(jí)滑石粉由遼寧海城丹?；な蹚S(chǎng)生產(chǎn)；丙烯接枝馬來(lái)酸酐，即PP-g-MAH由江蘇南通日之升高分子新材料科技有限公司生產(chǎn)；色母由遼寧撫順易桂塑膠科技有限公司生產(chǎn)。
[0028]單一丙烯樹(shù)脂材料制成的管道，其抗拉強(qiáng)度約為20MPa左右，長(zhǎng)期工作溫度一般不超過(guò)70°C，最高工作溫度不超過(guò)95°C ;而采用碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料制成的管道，線(xiàn)膨脹系數(shù)僅為單一丙烯樹(shù)脂材料管道的50%，抗拉強(qiáng)度約為單一丙烯樹(shù)脂材料管道的
1.5~2倍，正常工作使用溫度在100°C~15(rC，在同等級(jí)別的壓力條件下，增加管材內(nèi)徑提高了水流量約15%?？蓾M(mǎn)足更高要求的耐壓、耐溫場(chǎng)合中使用。
[0029]實(shí)施例1:實(shí)施例1的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，含有的原料:碳纖維15 kg,聚丙烯樹(shù)脂65 kg，滑石粉I kg，丙烯接枝馬來(lái)酸酐5 kg，色母I kg。
[0030]實(shí)施例2:實(shí)施例2的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，碳纖維20 kg、聚丙烯樹(shù)脂70kg，滑石粉2 kg，丙烯接枝馬來(lái)酸酐7 kg，色母1.5 kg。
[0031]實(shí)施例3:實(shí)施例3的碳纖維23 kg、聚丙烯樹(shù)脂73 kg，滑石粉2 kg，丙烯接枝馬來(lái)酸酐9 kg，色母2 kg。
[0032]實(shí)施例4:碳纖維25 kg、聚丙烯樹(shù)脂75 kg，滑石粉2kg，丙烯接枝馬來(lái)酸酐10 kg，色母2 kg。[0033]在制作和工藝一樣的條件下，不同組份的碳纖維結(jié)果對(duì)比:
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特征是，它含有下述重量份的原料:碳纖維15~25份，聚丙烯樹(shù)脂65~75份，滑石粉I~3份，丙烯接枝馬來(lái)酸酐5~10份，色母I~2份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特征是，所述的碳纖維為聚丙烯腈基短碳纖維，長(zhǎng)度2~4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特征是，所述的聚丙烯樹(shù)脂為共聚聚丙烯樹(shù)脂粉，粒度直徑250~300Mm,氯含量≤100mg/kg,灰份≤350mg/kg,揮發(fā)份(0.2%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特征是，所述的滑石粉為塑料級(jí)滑石粉，粒度直徑13.5-2Mm,白度≥90 ;二氧化硅≥60%;氧化鎂≥30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料，其特征是，所述的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂材料管道的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C08L51/06GK103694566SQ201310621555
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月30日
【發(fā)明者】劉興有 申請(qǐng)人:吉林省松花湖管業(yè)有限公司