专利名称：一种高导热聚丁烯盘管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及导热高分子材料的改性及其管材加工，特别是高导热聚丁烯盘管及其制备方法。
背景技术：
在化工生产过程中，反应釜、换热器等设备中需大量换热单元来完成物料热交换，制作换热单元的材料一般以碳钢、不锈钢和铜为主，这些材料虽然具有导热性能好、材料强度高和价格低等优点，但也存在耐腐蚀性差的缺点，导致换热器渗漏、使用寿命短，甚至影响安全生产。如果采用钛合金材料制造换热管，虽然能解决碳钢、不锈钢和铜等材质的换热管的缺点，但是价格昂贵，使用成本高。以聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等为基材，石墨为导热助剂制成具有一定导热性的聚合物复合材料(塑料工业，2003年第12期，45-47页；中国塑料，2004年第11期，26-28页；高等学校化学学报，1999，第9期，1480-1482页)，利用这类材料生产的换热管具有较好的耐腐蚀性和耐高温性，已广泛应用于化工传热设备，但是由于聚合物基体中添加了大量石墨等导热材料，导致管材脆性大，无法弯曲加工，只能以直管的形式应用于列管式换热单元等化工设备，限制了这类管材在反应釜等需要盘管式换热单元的化工设备中的使用。
发明内容本发明的目的是提供一种耐热性好、耐压高和抗蠕变性能好的盘管，可以满足反应釜等化工设备的使用要求，即本发明所述的高导热聚丁烯盘管，解决了石墨等导热材料填充的聚合物基导热管材脆性大，无法实现盘管加工的缺点。
本发明采用的技术方案如下一种高导热聚丁烯盘管，由专用材料制得，所述的专用材料组成为30～60wt％的聚丁烯，40～70wt％的经表面处理的粒径不大于50微米的膨胀石墨，所述的表面处理为石墨加入其质量1.0～2.0％的表面处理剂混合均匀，表面处理剂为下列之一硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯。
较好的，所述的专用材料组成为30wt％聚丁烯和70wt％经表面处理过的粒径不大于50微米的膨胀石墨。
所述的聚丁烯推荐满足下列条件熔体流动速率不大于1.0克/10分钟。
所述的表面处理剂优选为下列之一N-辛基三乙氧基硅烷偶联剂、十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂、硬脂酸、硬脂酸单甘油酯、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯、三硬酯酸钛酸异丙酯或异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯。
本发明还提供了一种如上所述的高导热聚丁烯盘管的制备方法，将聚丁烯与经表面处理过的石墨分别按照质量组成30～60％和40～70％充分混合，然后在160℃～185℃挤出造粒，制得专用料；再将专用料在160℃～185℃熔化挤出，160℃～175℃通过口模成型，于45℃～60℃冷却定型，然后45分钟内定型加工，保持定型处理，即得所述的高导热聚丁烯盘管。
具体的，可将聚丁烯与经表面处理过的石墨充分混合后置于双螺杆挤出机内挤出造粒，制得专用料；再将专用料在单螺杆挤出机通过口模成型。所述的保持定型处理为定型至少72小时。
此过程中，所述表面处理剂优选N-辛基三乙氧基硅烷偶联剂、十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂、硬脂酸单甘油酯、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯、三硬酯酸钛酸异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯或硬脂酸中的任一种。
具体的，所述的高导热聚丁烯盘管的制备方法可按照如下步骤进行在粒径不大于50微米的石墨中加入质量为石墨的1～2％的表面处理剂混合均匀，所述的表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯，优选为N-辛基三乙氧基硅烷偶联剂、十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂或硬脂酸单甘油酯。然后按照质量组成为30～60％的聚丁烯和40～70％的经表面处理过的石墨将两者在高速混合机中混合8～12分钟，然后双螺杆挤出机内挤出造粒，挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，制得专用料；再将专用料在单螺杆挤出机熔化挤出，料筒温度控制在160℃～185℃，160℃～175℃通过口模成型，于45℃～60℃冷却定型，然后45分钟内进行盘管定型加工，保持定型72h，即得所述的高导热聚丁烯盘管。
本发明中所用到的石墨皆为粒径不大于50微米的膨胀石墨。
本发明主要是通过对石墨材料进行表面处理，实现聚丁烯树脂的高含量石墨填充以获得高导热性能，利用聚丁烯的二次结晶性能来制备需求形状的盘管。聚丁烯在挤压冷却成型过程中，先生成半稳定性的晶体形状，最后逐渐二次结晶过渡到稳定状态，这个过程可持续3～4天左右。由于结晶度低，刚挤出成型的聚丁烯管材柔软性较大，可以通过二次加工成为盘管等弯管形式，在二次结晶完成后，即能充分发挥聚丁烯的耐热性好、耐压高和抗蠕变性能好等优点，满足反应釜等化工设备的使用要求。
本发明与现有技术相比，其有益效果体现在本发明解决了石墨等导热材料填充的聚合物基导热管材脆性大、导热率低，无法实现盘管加工的缺点，为化工设备(如换热器、反应釜等)中的换热单元提供了一种耐压、耐腐蚀、耐热、价格低廉、安装方便的聚合物基导热盘管。
具体实施例方式以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此实施例1将粒径为50微米的膨胀石墨与N-辛基三乙氧基硅烷偶联剂按100∶1的质量比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照聚丁烯和处理过的石墨质量百分比分别为60％和40％将聚丁烯树脂(熔体流动速率0.3克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机料筒温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到专用料。将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即可得到高导热聚丁烯盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥25MPa，弯曲强度≥20MPa，悬臂梁冲击强度≥15Kj/m2，导热系数为1.5W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
实施例2配方(质量百分数)聚丁烯30％，石墨70％。
将粒径为30微米的膨胀石墨与十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂按100∶1的比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照质量比聚丁烯树脂处理过的石墨为30％70％将聚丁烯树脂(熔体流动速率0.7克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机料筒温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到高导热管专用料。然后将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即得到高导热聚丁烯平盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥27MPa，弯曲强度≥28MPa，悬臂梁冲击强度≥9Kj/m2，导热系数为2.6W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
实施例3配方(质量百分数)聚丁烯30％，石墨70％。
将粒径为10微米的膨胀石墨与硬脂酸单甘油酯按100∶1.5的比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照质量比聚丁烯树脂处理过的石墨为30％70％将聚丁烯树脂(熔体流动速率1.0克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到高导热管专用料。然后将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即得高导热聚丁烯盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥30MPa，弯曲强度≥32MPa，悬臂梁冲击强度≥7Kj/m2，导热系数为5.2W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
实施例4配方(质量百分数)聚丁烯40％，石墨60％。
将粒径为40微米的膨胀石墨与异丙基三油酸酰氧基钛酸酯按100∶1.0的比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照聚丁烯处理过的石墨为30％70％将聚丁烯树脂(熔体流动速率1.0克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到高导热管专用料。然后将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即得高导热聚丁烯盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥22MPa，弯曲强度≥32MPa，悬臂梁冲击强度≥7Kj/m2，导热系数为4.2W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
实施例5配方(质量百分数)聚丁烯40％，石墨60％。
将粒径为40微米的膨胀石墨与三硬酯酸钛酸异丙酯按100∶1.0的比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照聚丁烯处理过的石墨为40％60％将聚丁烯树脂(熔体流动速率1.0克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到高导热管专用料。然后将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即得高导热聚丁烯盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥26MPa，弯曲强度≥32MPa，悬臂梁冲击强度≥7Kj/m2，导热系数为4.2W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
实施例6配方(质量百分数)聚丁烯40％，石墨60％。
将粒径为40微米的膨胀石墨与异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯按100∶1.0的比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照聚丁烯树脂处理过的石墨为40％60％将聚丁烯树脂(熔体流动速率1.0克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到高导热管专用料。然后将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即得高导热聚丁烯盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥28MPa，弯曲强度≥33MPa，悬臂梁冲击强度≥6.5Kj/m2，导热系数为4.2W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
实施例7配方(质量百分数)聚丁烯40％，石墨60％。
将粒径为40微米的膨胀石墨与硬脂酸按100∶2.0的比例加到高速混合机中混合10分钟，得到处理过的石墨。按照聚丁烯树脂∶处理过的石墨为40％∶60％将聚丁烯树脂(熔体流动速率1.0克/10分钟)与处理过的石墨在高速混合机中混合8分钟，将混合料加入双螺杆挤出机内混炼，挤出机温度控制在165℃～185℃，使聚丁烯树脂与石墨在双螺杆挤出机中混合均匀，然后挤出切粒得到高导热管专用料。然后将专用料加入单螺杆挤出机内熔化挤出，通过口模成型和冷却定型得到高导热聚丁烯管材，单螺杆挤出机的料筒温度控制在160℃～185℃，口模温度160℃～175℃，冷却定型温度45℃～60℃。管材应在生产后的45分钟内，进行盘管定型加工，保持定型72小时，即得高导热聚丁烯盘管。
上述制得的盘管专用料的性能拉伸强度≥24MPa，弯曲强度≥30MPa，悬臂梁冲击强度≥8.3Kj/m2，导热系数为4.2W/(m·K)，相应盘管的耐压能力超过0.4MPa，耐酸碱腐蚀性良好。
权利要求
1.一种高导热聚丁烯盘管，其特征在于所述的盘管由专用材料制得，所述的专用材料组成为30～60wt％的聚丁烯，40～70wt％的经表面处理的粒径不大于50微米的膨胀石墨，所述的经表面处理过的石墨为石墨加入其质量1.0～2.0％的表面处理剂混合均匀，所述的表面处理剂为下列之一硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯。
2.如权利要求1所述的高导热聚丁烯盘管，其特征在于所述的专用材料组成为30wt％聚丁烯和70wt％经表面处理过的石墨。
3.如权利要求1所述的高导热聚丁烯盘管，其特征在于所述的聚丁烯的熔体流动速率不大于1.0g/10min。
4.如权利要求1所述的高导热聚丁烯盘管，其特征在于所述的表面处理剂为下列之一N-辛基三乙氧基硅烷偶联剂、十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂、硬脂酸、硬脂酸单甘油酯、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯、三硬酯酸钛酸异丙酯或异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯。
5.一种制备如权利要求1所述的高导热聚丁烯盘管的方法，其特征在于所述高导热聚丁烯盘管由专用材料制得，所述的专用材料组成为30～60wt％的聚丁烯，40～70wt％的经表面处理过的粒径不大于50微米的膨胀石墨，所述的经表面处理的石墨为石墨加入其质量1.0～2.0％的表面处理剂混合均匀，所述的表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯；所述的方法为将聚丁烯与经表面处理过的石墨按照组成充分混合，然后在160℃～185℃挤出造粒，制得专用料；再将专用料在160℃～185℃熔化挤出，160℃～175℃通过口模成型，于45℃～60℃冷却定型，然后45分钟内定型加工，保持定型处理，即得所述的高导热聚丁烯盘管。
6.如权利要求5所述的高导热聚丁烯盘管的制备方法，其特征在于所述的方法为将聚丁烯与经表面处理过的石墨充分混合后置于双螺杆挤出机内挤出造粒，制得专用料；再将专用料在单螺杆挤出机熔化挤出通过口模成型。
7.如权利要求5所述的高导热聚丁烯盘管的制备方法，其特征在于所述的保持定型处理为定型至少72小时。
8.如权利要求5所述的高导热聚丁烯盘管的制备方法，其特征在于所述表面处理剂为N-辛基三乙氧基硅烷偶联剂、十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂或硬脂酸单甘油酯。
9.如权利要求5所述的高导热聚丁烯盘管的制备方法，其特征在于所述高导热聚丁烯盘管用专用材料制得，所述的专用材料组成为30～60wt％的聚丁烯，40～70wt％的经表面处理过的粒径不大于50微米的膨胀石墨，所述的经表面处理过的石墨为石墨加入其质量1.0～2.0％的表面处理剂混合均匀，所述的表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯，所述的方法为将聚丁烯与经表面处理过的石墨按照组成在高速混合机中混合8～12分钟，然后双螺杆挤出机内在160℃～185℃挤出造粒，制得专用料；再将专用料在单螺杆挤出机在160℃～185℃熔化挤出，160℃～175℃通过口模成型，于45℃～60℃冷却定型，然后45分钟内定型加工，保持定型72h，即得所述的高导热聚丁烯盘管。
全文摘要
本发明涉及高导热聚丁烯盘管及其制备方法。所述的盘管由专用材料制得，所述专用材料组成为30～60wt％的聚丁烯，40～70wt％的经表面处理的粒径不大于50微米的膨胀石墨。制备方法为将聚丁烯与经表面处理过的石墨按组成充分混合，然后在160℃～185℃挤出造粒，制得专用料；再将专用料在160℃～185℃熔化挤出，160℃～175℃通过口模成型，于45℃～60℃冷却定型，然后45分钟内进行定型加工，保持定型处理，即得所述的高导热聚丁烯盘管。本发明解决了石墨等导热材料填充的聚合物基导热管材脆性大、导热率低，无法实现盘管加工的缺点，提供了一种耐压、耐腐蚀、耐热、价格低廉、安装方便的聚合物基导热盘管。
文档编号B29B9/02GK101020777SQ20071006762
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月19日 优先权日2007年3月19日
发明者王旭, 张扩潮, 唐伟 申请人:浙江工业大学, 浙江省磐安县莹达塑业有限公司