[发明专利]高强度高韧性聚丙烯管材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚丙烯管材及其制备技术领域，具体涉及一种高强度高韧性聚丙烯管材及其制备方法。

背景技术

聚丙烯管材具有如热传导率低、耐高温、耐腐蚀、可热熔焊接等优异的综合性能，已被广泛用于建筑物内冷热水输送等领域。2001年至2011年间，我国平均每年的室内冷水管需求量约3亿米，热水管需求量约1亿米。其中，对聚丙烯管材的需求约占50%，2011年，我国聚丙烯管材的用量超过80万吨，其加工产业已成为了国家的重要支柱产业。但是，目前国产聚丙烯管材专用树脂的极限爆破压力，耐慢速裂纹生长等性能与国外进口树脂之间尚存在一定差距，使得所制备的管材的使用性能较差，使用寿命较短。故长期以来，国内聚丙烯管材的生产厂家大多采用进口树脂在进行生产，但进口树脂与国产树脂之间存在较大的价格差，价格昂贵的因素抑制了聚丙烯管材在给排水领域的广泛应用。

另外，采用常规挤出技术加工的聚丙烯管材还存在以下缺陷：1.抗冲击强度性能差。原因是制备的聚丙烯管材内主要生成的是呈粗大放射状的α型球晶，该球晶间的联系较小，易使材料产生应力集中，发生脆性断裂。2.环向强度低。加工过程中，因大分子是沿轴向进行取向的，因而使管材的轴向强度超过环向强度，而理论分析证明，在实际使用中，管材的环向受力是轴向受力的2倍以上。环向强度低，这一方面将影响管材的使用寿命，另一方面也会使管材的品质评价降低而影响其市场的占有份额，这对管材生产企业是极为不利的。

为此，国内外学术界和产业界为提高聚丙烯管的性能进行了大量研究，从而也公开了许多聚合物管材的新加工方法，如针对聚丙烯管低温韧性差的特性，对聚丙烯进行化学改性，在聚丙烯基体中引入了弹性相，从而提高了聚丙烯管材的低温韧性（Tan, H.Li, L. Chen, Z. Song, Y. Zheng, Q., Polymer, 2005, 46,:3522）；针对压力管道的环向受力约为轴向受力两倍的特点，Chen等人（Chen K.Y., Zhou N.Q., Liu B., Jin G., Journal of applied polymer science，2009, 114: 3612）利用挤出螺杆的周期性旋转与前后进动来产生振动力场，得到二维自增强的聚丙烯管，使其环向强度得到了提高；Morath等人（Morath C.C., Ward I.M., Plastics, Rubber And Composites, 2006, 35: 447）在聚丙烯熔点以下，对聚丙烯管坯进行扩管，使其在冷拉过程中同时受到轴向与环向应力来提高其环向取向度，得到了高环向强度的聚丙烯管。Lee等人（Lee K.S., Lai M.O., Chen C.M., Journal of materials processing technology, 1997, 65: 228）将预成型的聚丙烯管材固定在芯轴上，在较低温度下用双滚轴前后滚压聚丙烯管，使环向拉伸强度提高了70%。但遗憾的是上述加工方法或只能单独提高聚丙烯管材环向强度，或只能单独提高聚丙烯管材韧性，也就是无法同时获得环向强度和韧性都显著增加的聚丙烯管材。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，首先提供的一种高强度高韧性聚丙烯管材，以适应实际使用中管材的环向受力状况，满足使用要求，延长使用寿命。

本发明的另一目的是提供一种制备上述高强度高韧性聚丙烯管材的新方法。

本发明提供的高强度高韧性聚丙烯管材，该管材是由按重量计的以下组分经熔融共混旋转挤出而得：

聚丙烯                        95~99.99份

β成核剂                      0.01~5份，

其中β成核剂为通过分子间络合作用或氢键作用而自组装形成纤维的芳香族类、稀土类、有机酸及其盐类化合物中的至少一种，该管材的环向拉伸强度为20~42MPa，环向断裂伸长率为900~1600%。

以上管材按重量计优选以下比例：

聚丙烯                        98~99.95份

β成核剂                      0.05~2份。