PVC三層共擠瓦斯抽放管的研究

孟麗盼

文章編號：2095-6835（2016）17-0143-02

摘 要：長期以來，井下大多使用金屬管道作為抽放瓦斯管，但是，金屬管道存在容易生銹腐蝕、碰撞易產(chǎn)生火花和運(yùn)輸不便等問題。PVC三層共擠瓦斯抽放管是以PVC樹脂為主要成分，添加各種助劑，通過三層共擠新型生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行擠出成型的瓦斯抽放管，可以有效代替質(zhì)量大、安裝不便、易腐蝕、使用壽命短的鋼管，巧妙地解決了普通塑料管靜電指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)相互制約的難題。

關(guān)鍵詞：三層共擠；瓦斯抽放管；PVC；煤礦安全

中圖分類號：TQ320.72+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.143

煤塵、瓦斯、火、水、冒頂是威脅煤礦安全的五大災(zāi)害，及時(shí)抽排瓦斯是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，是減少煤礦安全事故的必要措施。長期以來，井下大多使用金屬管道作為瓦斯抽放管，它存在容易生銹腐蝕、碰撞易產(chǎn)生火花和運(yùn)輸不便等使用弊端。塑料管相比之下運(yùn)輸方便、性能優(yōu)良、使用壽命長，但是，普通塑料管材的抗靜電問題一直是相關(guān)人員攻關(guān)的難點(diǎn)。安全性能高、運(yùn)輸方便且性價(jià)比高的塑料管道產(chǎn)品一直是煤礦企業(yè)的追求。PVC三層共擠瓦斯抽放管是以PVC樹脂為主要成分，并添加各種助劑，通過三層共擠新型生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行擠出成型的瓦斯抽放管。

1 總體思路

嚴(yán)格按照MT 558.2—2005《煤礦井下用塑料管材 第2部分：聚氯乙烯管材》相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，研究PVC三層共擠瓦斯抽放管的配方和工藝設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2 研究的主要內(nèi)容

三層共擠將PVC瓦斯抽放管的管壁分為三層，即內(nèi)、外壁層和芯層同時(shí)擠出，管材內(nèi)、外壁表面電阻要求小于等于1.0×106 Ω，內(nèi)、外壁層研制抗靜電配方通過主機(jī)擠出。芯層作為管材的中間骨架，不需要抗靜電性能，但必須保證有足夠的強(qiáng)度，研制芯層增強(qiáng)型配方，通過輔機(jī)擠出，主機(jī)和輔機(jī)通過的不同原料配方再通過專用模具混合擠出。在管材的配方設(shè)計(jì)上，指導(dǎo)思想是提高管材各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，降低成本。作為抽放瓦斯用塑料管材，必須保證管材接觸粉塵、氣體的部位具有抗靜電性能，普通塑料管在生產(chǎn)時(shí)將抗靜電劑直接添加在原料中混合擠出。這樣一來，管材任何部位都具有抗靜電性能，包括管壁內(nèi)部不接觸粉塵、氣體的部位。三層共擠管材的內(nèi)外壁層添加適量的抗靜電劑，能夠滿足靜電指標(biāo)，而中間芯層根據(jù)管材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用管壁中間芯層無需抗靜電性能。但是，其必須具有一定的強(qiáng)度，保證管材整體強(qiáng)度指標(biāo)符合相關(guān)要求。在中間芯層配方中，減少抗靜電劑的加入量，添加一些增強(qiáng)劑，游刃有余地解決了管材強(qiáng)度受靜電指標(biāo)限制的因素，既保證了管材內(nèi)、外壁層的抗靜電性能，又提高了管材芯層的強(qiáng)度，同時(shí)，還大大節(jié)省了管材的生產(chǎn)成本。

2.1 配方設(shè)計(jì)

PVC三層共擠瓦斯抽放管的配方設(shè)計(jì)主要包括確定穩(wěn)定劑系統(tǒng)、潤滑劑配合設(shè)計(jì)和加工改性劑的選用3項(xiàng)工作。此外，PVC樹脂、填充劑、著色劑等原料的選用也直接影響產(chǎn)品的性能。

2.1.1 穩(wěn)定劑系統(tǒng)的確定和用量

在生產(chǎn)PVC三層共擠瓦斯抽放管的過程中，通常使用鉛鹽穩(wěn)定劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑、金屬皂類穩(wěn)定劑和稀土復(fù)合穩(wěn)定劑等。鉛鹽穩(wěn)定劑是這幾種穩(wěn)定劑中最經(jīng)濟(jì)的，它成型加工容易，熱穩(wěn)定性和潤滑性比有機(jī)錫和金屬皂類穩(wěn)定劑的好，但是，有毒性。不過，對用于煤礦抽放瓦斯的PVC管材，則可不考慮毒性，而直接選用最經(jīng)濟(jì)的鉛鹽穩(wěn)定劑。

2.1.2 外潤滑劑與穩(wěn)定劑的匹配設(shè)計(jì)

外滑劑的匹配設(shè)計(jì)主要是確定與不同穩(wěn)定劑匹配的外潤滑劑的種類、用量和配合比例。在工作過程中，要注意以下2點(diǎn)：①根據(jù)穩(wěn)定劑選擇與之匹配的外潤滑劑。鉛鹽穩(wěn)定劑與PVC樹脂相容性差，僅附在PVC粒子表面，阻礙了PVC粒子間的融合，物料塑化后其熔體也不均勻，通常用外潤滑劑硬脂酸鉛與之匹配。②外潤滑劑的用量。在一個(gè)體系中加入潤滑劑的量，使物料在正常操作條件下能均勻塑化，并有足夠的流動(dòng)性。如果調(diào)整外潤滑劑用量仍不能滿足物料加工的要求，則可以考慮添加少量的內(nèi)潤滑劑。通常添加硬脂酸作為內(nèi)潤滑劑。

2.1.3 加工改性劑的選用

在PVC樹脂中加入導(dǎo)電炭黑時(shí)，隨著炭黑用量的增加，不僅加工困難，而且復(fù)合材料變得又脆又硬，沖擊性能急劇下降。為了使材料具有良好的力學(xué)性能，必須考慮改性復(fù)合材料。目前，用于硬質(zhì)PVC管材的、較好的加工改性劑是聚丙烯酸酯類（簡稱“ACR”）和CPE。ACR和CPE作為加工改性劑，主要功能是促進(jìn)樹脂熔融，改善熔體流變性能，提高沖擊性能。

2.1.4 抗靜電劑

抗靜電劑有外部抗靜電劑和內(nèi)部抗靜電劑2種。外部抗靜電劑通常是用涂布、噴霧、浸漬等方法使之附著在塑料表面，而內(nèi)部抗靜電劑則是將抗靜電劑在塑料樹脂加工過程中添加到樹脂組成中去，將其與樹脂組成物混為一體。相比之下，內(nèi)部抗靜電劑比外部抗靜電劑的耐久性能要強(qiáng)得多。因此，我單位在本項(xiàng)目的研制過程中，采用塑料混煉時(shí)添加內(nèi)部抗靜電劑的方式。通常情況下，選用的抗靜電劑是炭黑。

2.1.5 阻燃劑

阻燃劑是提高塑料難燃性的一類助劑，它大多是化學(xué)周期表中第Ⅴ，Ⅶ和Ⅲ族元素的化合物。阻燃劑是通過物理和化學(xué)途徑達(dá)到切斷燃燒循環(huán)的目的，它的加入能控制燃燒熱能的分散，使可燃性塑料與空氣隔絕，稀釋塑料分解產(chǎn)生的可燃性氣體等。根據(jù)PVC的特點(diǎn)，一般選用三氧化二銻作為阻燃劑。

2.1.6 PVC樹脂

樹脂是一種高分子聚合物，是塑料制品的主要成分，在制品中成為均一的連續(xù)相，作用是將各種助劑粘連成一個(gè)整體，使之具有一定的物理力學(xué)性能。PVC樹脂的黏度、揮發(fā)性、分子結(jié)構(gòu)、粒度大小和形狀、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性能等對硬質(zhì)PVC管材的質(zhì)量有重要的影響。為了獲得綜合性能優(yōu)良的硬質(zhì)PVC管材，應(yīng)選擇適當(dāng)分子量的樹脂和合適的加工條件，使制品的塑化度達(dá)到60%～65%.

2.1.7 填充劑

選擇適當(dāng)?shù)奶畛鋭┖吞畛淞磕苁筆VC三層共擠瓦斯抽放管獲得較高的沖擊強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，并能降低成本。目前，國內(nèi)硬質(zhì)PVC管材的填充劑主要是碳酸鈣、沉淀碳酸鋇、硫酸鋇和陶土等。

2.2 確定管材的斷面結(jié)構(gòu)

PVC管材本身具有一定的阻燃和抗靜電性能，但是，要想滿足阻燃和抗靜電的要求，就要加入一定量的阻稀劑、抗靜電劑和碳酸鈣。這樣，會大大降低管材的強(qiáng)度和抗沖擊性。塑料管材可以分層，而管材只是內(nèi)外表面需要阻燃、抗靜電和耐磨。因此，可以將管材的斷面分為三層，提高管材芯部的剛性，中間層不添加相關(guān)材料和炭黑，從而增加管材的整體強(qiáng)度和抗沖擊性，大大降低成本。

2.3 研究管材配方

對于PVC管材的配方設(shè)計(jì)，指導(dǎo)思想是在保持普通聚氯乙烯管材物理性能的基礎(chǔ)上，增加管材內(nèi)外表面的抗靜電性和阻燃性能。同時(shí)，增加管材的表面硬度和抗沖擊性能，使管材保持一定的強(qiáng)度，但又不會使管材的壁太厚。

工作人員要考慮到煤礦井下的使用環(huán)境，管材的內(nèi)外表層都需要耐磨、防靜電和阻燃。要想使管材保持一定的抗沖擊性，中部有韌性，就要采用三層夾心的斷面結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)、外壁層是防靜電、阻燃和高強(qiáng)度的耐磨層，中間是芯層，通過三層共擠的方式加工成型。

在內(nèi)、外壁層的配方中加入抗靜電劑、阻燃劑，能夠滿足井下防靜電和阻燃的要求。另外，內(nèi)、外壁層的配方中要加入貝殼粉、增強(qiáng)劑和改性劑，以增加材料自潤滑性、剛性和吸水性，提高材料的化學(xué)穩(wěn)定性，使管材的表面平滑、流體阻力小，易于擠出成型。

中間芯層為了增加管材的抗沖擊性能，特加入了增強(qiáng)劑和改性劑，以確保管材的抗沖擊性能。

2.4 制訂管材成型工藝

主機(jī)擠出中間層，輔機(jī)擠出內(nèi)、外壁層，然后通過共擠模具來成型。PVC三層共擠瓦斯抽放管生產(chǎn)工藝流程可分為3個(gè)過程：成型料準(zhǔn)備過程（又稱為“擠出前段”），包括配比（原料、輔料的前處理、計(jì)量、輸送）、混合（高速和低速）、過篩（成型粉料）或造粒（粒料）；擠出成型過程；定型包裝過程（又稱為“擠出后段”）。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 阻燃性能

6根試樣的有焰燃燒時(shí)間的算術(shù)平均值不應(yīng)大于3 s，其中任何一條試樣的有焰燃燒時(shí)間不應(yīng)大于10 s；6根試樣的無焰燃燒時(shí)間的算術(shù)平均值不應(yīng)大于20 s，其中任何一條試樣的無焰燃燒時(shí)間不應(yīng)大于60 s。

3.2 抗靜電性能

PVC三層共擠抽瓦斯放管時(shí)，內(nèi)外壁表面電阻算術(shù)平均值不應(yīng)大于1.0×106 Ω。

3.3 落錘沖擊性能

管材經(jīng)MT558.2規(guī)定的落錘沖擊后，10根試樣中9根應(yīng)無裂紋，沒有被破壞。

3.4 耐壓性能

在MT558.2規(guī)定的試驗(yàn)壓力下，保壓100 h，管材應(yīng)無滲漏，沒有被破壞。

4 結(jié)束語

通過“三層共擠”生產(chǎn)工藝擠出的管材強(qiáng)度比普通塑料管大，很好地解決了管材成本與性能之間的關(guān)系，是一種新型的管材生產(chǎn)工藝?！叭龑庸矓D”生產(chǎn)工藝在管材中的研制應(yīng)用減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了封孔后采煤工作的安全隱患，為煤礦井下瓦斯鉆孔的封孔提供了優(yōu)質(zhì)的配套設(shè)施，是煤礦井下“以塑代鋼”的理想換代產(chǎn)品，對保證礦井安全，節(jié)能降耗和延長產(chǎn)業(yè)鏈等有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕