專利名稱：一種聚乙烯用色母及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚乙烯用色母，具體涉及一種聚乙烯管材用碳黑色母及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚乙烯(PE)樹脂是塑料管材的主要原材料之一，以其重量輕、耐腐蝕、節(jié)約能源等特點，越來越受到重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越大。目前，聚乙烯管材已部分替代了金屬管。在發(fā)達(dá)國家PE管的年增長率在2.5％以上，它的消費量僅次于聚氯乙烯，是世界上消費量第二大的塑料管道品種，廣泛應(yīng)用于給水、農(nóng)業(yè)灌溉、燃?xì)廨斔汀⑴盼?、礦山砂漿輸送等工程及油田、化工、郵電通訊等領(lǐng)域。
在聚乙烯的很多用途中(如薄膜)，聚乙烯基礎(chǔ)樹脂可不再配以任何添加劑而單獨使用，或僅為著色目的而與色母料配合使用。這種情況下，通常在樹脂廠已配有滿足加工需求量的抗氧劑。但對于制造聚乙烯管材的材料來說，通常應(yīng)包括兩個穩(wěn)定體系，而且必須滿足較長期的穩(wěn)定效果一個是氧化穩(wěn)定體系，其作用是保證PE樹脂在加工成管材的過程中、管材的二次受熱(如焊接)和使用過程中不致遭到氧化破壞；一個是光穩(wěn)定體系，保證管材在貯存期間和使用期間免受紫外輻射的破壞。對于PE管材的耐紫外性能，通常的做法是在PE基料中添加一定量的碳黑。我國對聚乙烯給水管材料中碳黑含量的要求為2.5±0.5wt％，碳黑分散度應(yīng)≤3級(GB/T 13663-2000)；對PE燃?xì)夤懿牧现刑己诤恳鬄?～2.6wt％；ISO4437-1997中規(guī)定PE燃?xì)夤茉现刑己诤吭?～2.5wt％之間，碳黑擴(kuò)散等級應(yīng)≤3級。
目前，聚乙烯管材生產(chǎn)廠家通常采用PE粒料，使用單螺桿擠出機擠出成型PE管材。對于聚乙烯壓力管材料來說，為了保證碳黑在管材中的分散效果，國際上通行的方法是由樹脂生產(chǎn)廠直接出品包含必要穩(wěn)定體系(包括規(guī)定量碳黑)的管材料，國內(nèi)的PE管材料生產(chǎn)廠家是通過對樹脂廠出品的基礎(chǔ)樹脂進(jìn)行改性，加入規(guī)定量碳黑和分散劑，這樣無疑會增加管材料的生產(chǎn)成本，而且在添加碳黑的過程中容易造成PE樹脂力學(xué)性能的下降；另外一種制造成本較低的管材做法是在管材的生產(chǎn)廠，將基礎(chǔ)樹脂與碳黑色母先進(jìn)行機械混合，然后直接通過擠出機擠出成型管材，在該種方法中，為了提高碳黑的分散度，對擠出設(shè)備具有特殊的要求，在普通PE管材擠出設(shè)備上采用該法進(jìn)行管材的擠出時，由于普通碳黑色母的分散性較差，所擠出管材中碳黑的分散效果較差，滿足不了有關(guān)管材標(biāo)準(zhǔn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的是提供一種聚乙烯用高濃度碳黑色母，采用該黑色母與PE管材基料采用常規(guī)的單螺桿管材擠出機進(jìn)行擠出，就能得到碳黑分散度良好的聚乙烯管材。
本發(fā)明還提供該中聚乙烯用高濃度碳黑色母的制備方法，工藝簡單，操作容易，適于工業(yè)應(yīng)用。
本發(fā)明所述的一種聚乙烯用色母，包含有共混的以下組分a.載體樹脂、b.碳黑、c.表面處理劑、d.分散劑。其中以載體樹脂重量份數(shù)為100份計，所述的碳黑為40～180份，優(yōu)先為80～150份；所述的表面處理劑為0.5～20份，優(yōu)先為1～10份；所述的分散劑為1～20份，優(yōu)選為5～15份。
以上所述組分a的載體樹脂包括現(xiàn)有技術(shù)所公開的各種類型的聚乙烯樹脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)樹脂等，或者為以上所述樹脂的混合物。本發(fā)明所述的這兩種載體樹脂和PE管材料的相容性好，且碳黑易在這兩種樹脂中分散，從而可使得最終制備的聚乙烯管材中碳黑分散效果好。從與聚乙烯管材料的相容性及碳黑在其中的分散來看，EVA或其與聚乙烯的混合物效果更好，本發(fā)明所述的載體樹脂優(yōu)選為低密度聚乙烯樹脂(LDPE)、EVA或其混合。但考慮到成本問題，更優(yōu)選為低密度聚乙烯。
以上所述組分b的碳黑可包括現(xiàn)有技術(shù)中所公開的各種類型碳黑，經(jīng)研究證明碳黑粒徑≤30nm時材料的抗紫外線效果較好，但當(dāng)粒徑≤10nm時，粒子之間的內(nèi)聚力增強，導(dǎo)致碳黑的分散性能變差，不利于碳黑在PE管材料中被均勻分散，影響抗紫外性能的發(fā)揮。因此在本發(fā)明的聚乙烯用色母中所述碳黑的平均粒徑為10～30nm，優(yōu)選為15～25nm。
以上所述組分c的表面處理劑為用于無機顏料表面活化處理的助劑，亦稱為偶聯(lián)劑，包括以下物質(zhì)中的至少一種鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑、脂肪酸鹽或硬脂酸鹽；其中優(yōu)選為鈦酸酯偶聯(lián)劑。
以上所述組分d的分散劑包括以下物質(zhì)中的至少一種氧化聚乙烯、聚乙烯蠟、硬脂酸、硬脂酸鹽、固體石蠟、液體石蠟、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、松節(jié)油、磷酸三苯酯或乙撐雙硬脂酰胺等，可使得該體系具有良好分散效果；其中優(yōu)選包括以下物質(zhì)中的至少一種聚乙烯蠟、硬脂酸或乙撐雙硬脂酰胺。
此外，本發(fā)明的聚乙烯用色母還可包含有聚乙烯用的常規(guī)助劑，如潤滑劑、抗氧劑等加工助劑。其中潤滑劑如硬脂酸鈣、硬脂酸鋅等；抗氧劑為聚乙烯用常規(guī)抗氧劑，如抗氧劑1076、1010，輔助抗氧劑DLTP、DSTP等。常用助劑的用量為常規(guī)用量，或根據(jù)實際情況的要求來進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明所述的聚乙烯用色母，其由包括以下步驟的方法而制備①將以上所述碳黑和表面處理劑按所述用量均勻共混；②將包括步驟①表面處理劑處理過的碳黑、以上所述載體樹脂在內(nèi)的組分在密煉機中密煉，混合均勻、出料后，壓片、粉碎；③將步驟②所得的粉碎料和以上所述分散劑混合后熔融共混得到所述分散性能優(yōu)良的高濃度聚乙烯用色母。
本發(fā)明所述的聚乙烯用色母的制備方法中，載體樹脂重量份數(shù)為100份計，所述的碳黑為40～180份，優(yōu)先為80～150份；所述的表面處理劑為0.5～20份，優(yōu)先為1～10份；所述的分散劑為1～20份，優(yōu)選為5～15份。
以上所述的本發(fā)明聚乙烯用色母的制備方法中，步驟①中可通過現(xiàn)有技術(shù)中通用的機械共混和方法將表面處理劑和碳黑進(jìn)行混合。優(yōu)選使用高速攪拌機進(jìn)行混合，攪拌速度100～3000rpm，處理時間一般可在0.5～10min之間。一般增加處理時間會提高表明處理效果，但同時會影響加工效率。
以上所述的本發(fā)明聚乙烯用色母的制備方法中，步驟②中將載體樹脂、步驟①得到的表面處理過的碳黑和其他如抗氧劑一類的常規(guī)助劑放入密煉機中進(jìn)行密煉。密煉過程無需外部加熱，載體樹脂可在自身摩擦升溫的情況下熔融。這種情況下一般密煉機內(nèi)溫度為50～135℃，效果更好為80～130℃。在此步驟中通過樹脂和碳黑之間的強大的摩擦力將碳黑顆粒粉碎并將碳黑均勻的分散在載體樹脂中；密煉混合均勻后出料。將混和料趁熱放在雙輥開煉機上壓成片材，冷卻后進(jìn)行粉碎處理。
以上所述的聚乙烯用色母的制備方法中，步驟③中的熔融共混可采用現(xiàn)有技術(shù)中通用的熔融共混設(shè)備和工藝。優(yōu)選利用螺桿擠出機(單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機)對所述物料進(jìn)行熔融共混，熔融共混溫度為60～180℃。
本發(fā)明提出了一種聚乙烯用色母及其制備方法，采用該方法制備的黑色母其碳黑含量高(可高達(dá)60％左右)，并且具有優(yōu)良的分散性能。在與PE管材基料進(jìn)行簡單機械共混后，采用常規(guī)的單螺桿管材擠出機進(jìn)行管材擠出，所擠出的管材的碳黑分散度良好，符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求(≤3級)，極大地簡化了PE管材的加工過程，并有效地降低加工成本。而且由于色母中碳黑含量高，在管材擠出加工時用量的比例(本發(fā)明色母聚乙烯基料)可達(dá)到1∶20(此時所擠出管材的碳黑含量≥2.0％)。本發(fā)明所述的PE管材用高濃色母可廣泛用于PE管材的擠出加工，具有良好的應(yīng)用前景。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。本發(fā)明的范圍不受這些實施例的限制，本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書中提出。
實施例1～6將碳黑(碳黑ELFTEXTP，粒徑≤25nm，美國CABOT公司生產(chǎn))和表面處理劑(單烷氧基鈦酸酯偶聯(lián)劑，牌號NDZ-101，南京曙光集團(tuán)有限公司生產(chǎn))置于高速攪拌機中，于1500rpm攪拌下5min進(jìn)行碳黑的表面改性處理；然后將載體樹脂(低密度聚乙烯，牌號1F7B，中石化北京燕山石油化工股份有限公司生產(chǎn))、上述處理后的碳黑和抗氧劑1010(瑞士汽巴嘉機公司生產(chǎn))、抗氧劑168(瑞士汽巴嘉機公司生產(chǎn))放入密煉機(GK型，益陽橡膠塑料機械集團(tuán)有限公司生產(chǎn))中，開動密煉機，直至載體樹脂熔融，并和碳黑混和均勻后出料。其中抗氧劑1010用量以載體樹脂為100重量份數(shù)計，為0.2份；抗氧劑168為0.3份。將所出的物料置于雙輥開煉機上壓成片材，冷卻降溫后粉碎處理，然后加入分散劑(1#分散劑聚乙烯蠟，PEwax，3型，北京化工大學(xué)生產(chǎn)；2#分散劑乙撐雙硬脂酰胺EBS，上海長征第二化工廠)于雙螺桿擠出機(WP公司的ZSK-25雙螺桿擠出機)熔融共混擠出造粒，得到PE管材用高濃色母。將所制備的色母和PE管材基料(高密度聚乙烯管材基料，牌號4803T，中石化揚子石油化工股份有限生產(chǎn))在高速攪拌機中簡單機械共混后，在普通的聚烯烴管材擠出設(shè)備(PE(PP)110型管材擠出裝置，寧波方力公司生產(chǎn))上擠出成型，將所得管材按GB/T 18251-2000進(jìn)行碳黑分散度的測試，按GB/T 13021-1991進(jìn)行碳黑含量的測試。具體配方及性能測試結(jié)果如表1所示。
對比例1～2將載體樹脂(低密度聚乙烯，同實施例1)、碳黑(同實施例1)、抗氧劑1010(汽巴公司)和抗氧劑168(Ciba)放入密煉機中。開動密煉機，直至載體樹脂熔融，并和碳黑混和均勻后出料。其中抗氧劑1010用量以載體樹脂為100重量份數(shù)計，為0.2份；抗氧劑168為0.3份。將所出的物料置于雙輥開煉機上壓成片材，冷卻降溫后粉碎處理，然后加入分散劑(1#分散劑聚乙烯蠟，PEwax，3型，北京化工大學(xué)生產(chǎn)；2#分散劑乙撐雙硬脂酰胺(EBS)，上海長征第二化工廠)于雙螺桿擠出機(同實施例1)熔融共混擠出造粒，制備出碳黑色母。將所制備的色母和PE管材基料(同實施例1)在高速攪拌機中簡單機械共混后，在普通的聚烯烴管材擠出設(shè)備上擠出成型，所得管材按GB/T 18251-2000進(jìn)行碳黑分散度的測試，按GB/T 13021-1991進(jìn)行碳黑含量的測試。具體配方及性能測試結(jié)果如表1所示。
對比例3～4將碳黑(同實施例1)和表面處理劑(單烷氧基鈦酸酯偶聯(lián)劑，牌號NDZ-101，南京曙光集團(tuán)有限公司生產(chǎn))置于高速攪拌機中進(jìn)行碳黑的表面改性處理；然后將載體樹脂(同實施例1)、處理后的碳黑、分散劑(1#分散劑聚乙烯蠟，PEwax，3型，北京化工大學(xué)生產(chǎn)；2#分散劑EBS，上海長征第二化工廠)和抗氧劑1010(汽巴公司)、抗氧劑168(汽巴公司)放入密煉機中，開動密煉機，在沒有外部加熱的情況下依靠自身摩擦升溫，直至載體樹脂熔融，并和碳黑混和均勻后出料。其中抗氧劑1010用量以載體樹脂為100重量份數(shù)計，為0.2份；抗氧劑168為0.3份。將所出的物料置于雙輥開煉機上壓成片材，冷卻降溫后粉碎處理，然后于雙螺桿擠出機(同實施例1)熔融共混擠出造粒，制備出碳黑色母。將所制備的色母和PE管材基料(同實施例1)在高速攪拌機中簡單機械共混后，在普通的聚烯烴管材擠出設(shè)備上擠出成型，所得管材按GB/T18251-2000進(jìn)行碳黑分散度的測試，按GB/T 13021-1991進(jìn)行碳黑含量的測試。具體配方及性能測試結(jié)果如表1所示。
表1

對比例1～2沒有對碳黑進(jìn)行表面處理，當(dāng)其制備的色母按比例和管材樹脂混合，并在管材擠出機上擠出管材后，測得碳黑的分散度≥3，不能滿足有關(guān)管材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。
對比例3～4中，在密煉階段就將分散劑投入到密煉機中，而不是同實施例中提到的那樣，分散劑是在螺桿混合階段再加入，所制備的的色母的分散效果也不理想，不能滿足有關(guān)管材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。
權(quán)利要求
1.一種聚乙烯用色母，包含有共混的以下組分a.載體樹脂 100 重量份數(shù)b.碳黑 40～180 重量份數(shù)c.表面處理劑 0.5～20 重量份數(shù)d.分散劑 1～20 重量份數(shù)以上所述組分a的載體樹脂包括聚乙烯樹脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或其混合；所述組分b的碳黑平均粒徑為10～30nm；所述組分c的表面處理劑包括以下物質(zhì)中的至少一種鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑、脂肪酸鹽或硬脂酸鹽；所述組分d的分散劑包括以下物質(zhì)中的至少一種氧化聚乙烯、聚乙烯蠟、硬脂酸、硬脂酸鹽、固體石蠟、液體石蠟、鄰苯二甲酸二辛酯、松節(jié)油、磷酸三苯酯或乙撐雙硬脂酰胺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯用色母，包含有共混的以下組分a.載體樹脂 100 重量份數(shù)b.碳黑 80～150 重量份數(shù)c.表面處理劑 1～10 重量份數(shù)d.分散劑 5～15 重量份數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯用色母，其中組分a的載體樹脂為低密度聚乙烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯用色母，其中組分b的碳黑的平均粒徑為15～25nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯用色母，其中組分c的表面處理劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯用色母，其中組分d的分散劑包括以下物質(zhì)中的至少一種聚乙烯蠟、硬脂酸或乙撐雙硬脂酰胺。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6之任一項所述的聚乙烯用色母，其由包括以下步驟的方法而制備①將所述碳黑和表面處理劑按所述用量均勻共混；②將包括步驟①表面處理劑處理過的碳黑、所述載體樹脂在內(nèi)的組分在密煉機中密煉，混合均勻、出料后，壓片、粉碎；③將步驟②所得的粉碎料和所述分散劑混合后熔融共混得到所述聚乙烯用色母。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1～6之任一項所述的聚乙烯用色母的制備方法，包括以下步驟①將所述碳黑和表面處理劑按所述用量均勻共混；②將包括步驟①表面處理劑處理過的碳黑、所述載體樹脂在內(nèi)的組分在密煉機中密煉，混合均勻、出料后，壓片、粉碎；③將步驟②所得的粉碎料和所述分散劑混合后熔融共混得到所述聚乙烯用色母。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚乙烯用色母的制備方法，其中步驟①中通過高速攪拌將表面處理劑和碳黑混合均勻。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚乙烯用色母的制備方法，其中步驟③中利用螺桿擠出機對所述物料進(jìn)行熔融共混，熔融共混溫度為60～180℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及聚乙烯用色母的技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種聚乙烯用色母及其制備方法。本發(fā)明的聚乙烯用色母，包含有共混的以下組分a.載體樹脂，包括聚乙烯樹脂、EVA或其混合；b.碳黑；c.偶聯(lián)劑類表面處理劑；d.分散劑。其中以載體樹脂重量份數(shù)為100份計，所述的碳黑為40～180份；所述的表面處理劑為0.5～20份；所述的分散劑為1～20份。通過用表面處理劑處理碳黑，然后與載體樹脂密煉共混，再與分散劑熔融擠出的辦法制備的本發(fā)明的聚乙烯用色母其碳黑含量可高達(dá)60％左右，其與PE管材基料擠出的管材的碳黑分散度良好，符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求(≤3級)，簡化了PE管材的加工過程，并有效地降低加工成本，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號C08K3/00GK101033309SQ200610057230
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者呂明福, 張師軍, 張麗英, 張薇, 張 浩, 呂蕓, 尹華, 邵靜波, 王小蘭, 劉濤, 段淑清, 陳力, 李魁 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司北京化工研究院