煤礦用阻燃抗靜電PVC-U 管材的研發(fā)與應(yīng)用

劉世翔

（山西省節(jié)能中心有限公司，山西 太原 030045）

引言

當(dāng)普通塑料管材處于煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中時，塑料管材表面會與環(huán)境中的懸浮煤塵顆粒發(fā)生摩擦碰撞作用，導(dǎo)致塑料管材表面與煤塵顆粒兩者的正負(fù)電荷分布發(fā)生變化而進(jìn)行重新排列，正負(fù)電荷積累就形成了靜電荷。實驗結(jié)果表明當(dāng)煤礦井下塑料管材表面的靜電荷積聚超過108Ω 時，塑料管材表面會發(fā)生放電火花想象，進(jìn)而引發(fā)煤礦火災(zāi)事故。因此針對煤礦用塑料管材，采用相應(yīng)的辦法，研發(fā)阻燃抗靜電PVC-U 管材，降低塑料管材的靜電危害，這對于降低煤礦火災(zāi)事故率可以起到積極的作用。

1 塑料表面靜電荷消除方法分析

塑料表面靜電荷的危害較大，對于塑料表面靜電荷的消除方案主要有以下兩種。第一，降低塑料表面與外界物質(zhì)的摩擦，減少靜電荷的產(chǎn)生來達(dá)到消除危害的目的；第二，讓塑料表面產(chǎn)生的靜電荷盡快泄漏掉，不讓其大量積聚，可以起到消除危害的目的。從實踐過程來看，一般的都是采用采用盡快泄漏掉靜電荷的方案實現(xiàn)抗靜電的目的。

對于塑料管材來講，當(dāng)前靜電荷消除方法主要有以下幾種：（1）在塑料管材中添加抗靜電劑，或在塑料管材表面涂上一層抗靜電劑，使塑料管材成為銷微導(dǎo)電的絕緣體；（2）在塑料中添加導(dǎo)電材料，用塑料加工方法加工成復(fù)合導(dǎo)電型塑料，導(dǎo)電材料主要有石墨、炭黑、炭纖維、新型炭材料等炭類導(dǎo)電材料；金屬纖維、金屬粉末、合金等金屬類導(dǎo)電材料；鍍鎳、鍍銀、鍍銅、等鍍金屬云母材料；（3）采用涂層法在塑料雙面涂敷一層導(dǎo)電薄膜；（4）將金屬纖維編織布與塑料進(jìn)行復(fù)合，讓其產(chǎn)生導(dǎo)電性；（5）進(jìn)行改性研究生產(chǎn)結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子塑料。

2 阻燃抗靜電PVC-U 管材基礎(chǔ)材料的確定

阻燃抗靜電PVC-U 管材的基礎(chǔ)材料主要有樹脂、導(dǎo)電填料、改性劑、耐磨填料、韌性填料等，下面就這幾方面分析進(jìn)行確定。

2.1 樹脂的選擇

樹脂是當(dāng)前阻燃抗靜電PVC-U 管材的基體，基體材料應(yīng)用最多的主要有PVC（聚氯乙烯）材料和PE（聚乙烯）材料，從煤礦用塑料管材的實踐應(yīng)用情況來看，PVC 在生產(chǎn)、應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)性等方面都具有優(yōu)勢。本次研發(fā)確定選擇齊魯石化S100 型PVC，粒徑為60 μm～250 μm，表觀密度為0.4 g/mL～0.6 g/mL，100 mL環(huán)己酮含0.5 g 樹脂的稀溶液粘數(shù)80 mL/g～160 mL/g，常溫下100 g 樹脂吸收增塑劑20 g～30 g，該樹脂阻燃性能優(yōu)良，設(shè)計在該型號PVC 中加入適量導(dǎo)電材料，生產(chǎn)復(fù)合型導(dǎo)電塑料管材[1]。

2.2 導(dǎo)電填料的選擇

本次阻燃抗靜電PVC-U 管材的研發(fā)，確定導(dǎo)電填料為特導(dǎo)電炭黑，特導(dǎo)電炭黑本身具備了更好的導(dǎo)電性能，而高性能的導(dǎo)電炭黑本身賦予了高分子樹脂材料的導(dǎo)電屬性。

2.3 改性劑的選擇

在阻燃抗靜電PVC-U 管材中加入導(dǎo)電炭黑材料后，導(dǎo)電復(fù)合塑料以往的物理性能隨之會發(fā)生變化，研究表明：炭黑用量越多，導(dǎo)電復(fù)合塑料脆性越大，硬度越高，抗沖擊性下降，而且會導(dǎo)致加工效率降低。針對這一情況，必須加入相應(yīng)的改性劑，對復(fù)合材料進(jìn)行改性處理?；谧枞伎轨o電PVC-U 管材的應(yīng)用環(huán)境，確定選擇CPE（氯化聚乙烯）做為改性劑，來提高管材的抗沖擊性能[2]。

2.4 其他材料的選擇

同時在阻燃抗靜電PVC-U 管材的生產(chǎn)過程中，加入一定量的尼龍?zhí)盍?，用來提高管材的耐磨性；加入一定量的纖維填料，用來提高管材的韌性；加入一定量的貝殼粉，用來提高管材的抗沖擊性能。

3 阻燃抗靜電PVC-U 管材的生產(chǎn)工藝分析

3.1 特導(dǎo)電阻燃PVC 專用料計量、捏合

第一，將特導(dǎo)電炭黑在功率為500 W～1 000 W的氣氛等離子體條件下進(jìn)行活化預(yù)處理；第二，之后將特導(dǎo)電炭黑、阻燃劑、穩(wěn)定劑、加工助劑、改性劑、PVC 樹脂按配方進(jìn)行精準(zhǔn)稱量；第三，將全部物料置于熱混機(jī)進(jìn)行熱混作業(yè)，溫度設(shè)定在100 ℃～120 ℃之間，后期進(jìn)行冷混，溫度設(shè)定在50 ℃～70 ℃之間，可有效保障PVC 樹脂與其他液體材料之間形成更好的滲透，分散均勻。

3.2 管材的擠出

管材的擠出采用擠出成型工藝，雙螺桿擠出機(jī)分加料段、融化段、計量段，分三次加工成型，進(jìn)而形成物料的輸送、物料的塑化、熔體的輸送三大部分?？梢哉{(diào)整雙螺桿擠出機(jī)工藝參數(shù)，經(jīng)機(jī)頭口模擠出得到不同直徑的PVC 管材。

3.3 管材的成形

對于低壓管材，經(jīng)生產(chǎn)線機(jī)頭擠出的管胚進(jìn)入真空冷卻定徑套，然后采用噴淋水進(jìn)行冷卻，管材成形后牽引機(jī)與主機(jī)保持同步牽引，進(jìn)而進(jìn)行產(chǎn)品切割和堆積，產(chǎn)品經(jīng)質(zhì)檢過程后入庫。對于高壓管材，采用上同樣的工序進(jìn)行加工形成內(nèi)皮層管，在其外皮層上纏上鋼網(wǎng)后擠形成外皮層[3]。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 特導(dǎo)電炭黑用量對PVC 電性能的影響

進(jìn)行了特導(dǎo)電炭黑與PVC 電性能影響實驗，炭黑添加量與表面電阻的關(guān)系，如圖1 所示。特導(dǎo)電炭黑添加量小于3 份時，PVC 表面電阻對數(shù)值較大，當(dāng)特導(dǎo)電炭黑添加量從3 份增加到9 份時，PVC 表面電阻對數(shù)值程下降趨勢，當(dāng)特導(dǎo)電炭黑添加量為9 份～12 份之間時，PVC 表面電阻對數(shù)值穩(wěn)定。

圖1 炭黑添加量與表面電阻的關(guān)系

當(dāng)特導(dǎo)電炭黑加入量小于3 份時，由于特導(dǎo)電炭黑數(shù)量較少，沒有形成完整的炭黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，此時PVC 表面電阻對數(shù)值較大，下降趨勢較??；當(dāng)特導(dǎo)電炭黑添加量從3 份增加到9 份時，逐漸形成了完整的炭黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此PVC 的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，PVC表面電阻對數(shù)值下降較快；當(dāng)特導(dǎo)電炭黑添加量為9 份～12 份之間時，炭黑的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)己全部形成完整，炭黑的增加無作用，PVC 表面電阻對數(shù)值穩(wěn)定。

4.2 特導(dǎo)電炭黑用量對PVC 力學(xué)性能的影響

進(jìn)行了特導(dǎo)電炭黑與PVC 拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能的影響實驗。從實驗數(shù)據(jù)可知，隨著特導(dǎo)電炭黑用量的增加，PVC 拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)為下降趨勢、沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為下降趨勢、伸長率表現(xiàn)為下降趨勢、硬度表現(xiàn)為上升趨勢。特導(dǎo)電炭黑加入到PVC 中后，會減少分子間的作用力，降低PVC 的鏈段運(yùn)動，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，基于此會導(dǎo)致PVC拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能的下降，但是特導(dǎo)電炭黑的加入會增加PVC 的硬度，增加表面抵抗外力壓入的能力[4]。

4.3 阻燃劑用量對PVC 性能的影響

在燃抗靜電PVC-U 管材的研發(fā)中，增加了一定量的酸酸酯類增塑劑，降低了材料的增塑劑，在本次研發(fā)當(dāng)中，采用了Br/Sb 復(fù)合體系改性PVC 材料。過行了Br/Sb 復(fù)合體系阻燃劑用量對PVC 性能的影響實驗，Br/Sb 復(fù)合體系用量的增加，PVC 材料的阻燃性能大幅度提高，但是也導(dǎo)致沖擊性能與斷裂伸長率降低。因此，在本次研發(fā)當(dāng)中，通過綜合實驗，取了一個較為理想的阻燃劑用量數(shù)值。

4.4 CPE 改性劑用量對PVC 的電性能的影響

進(jìn)行了CPE 改性劑用量對PVC 的電性能的影響實驗。CPE 改性劑用量的加入，可以對特導(dǎo)電炭黑的分散作用起來較好的效果，加快炭黑粒子形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有效的實現(xiàn)PVC 表面電阻下降。但CPE 改性劑本身電阻較高，電絕緣性好，不宜過多加入[5]。

4.5 CPE 改性劑用量對PVC 力學(xué)性能的影響

進(jìn)行了CPE 改性劑用量與PVC 的拉伸強(qiáng)度、硬度、沖擊強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能的影響實驗。實驗結(jié)果表明：隨著CPE 改性劑用量的增加，拉伸強(qiáng)度下降、硬度下降、沖擊強(qiáng)度上升、伸長率上升。在相應(yīng)的加工條件下，PVC 與CPE 能夠形成物理交聯(lián)網(wǎng)或?qū)罱Y(jié)構(gòu)，因此CPE 加入量的增加，會導(dǎo)致PVC 力學(xué)性能發(fā)生相應(yīng)的變化，增加沖擊強(qiáng)度和伸長率，降低拉伸強(qiáng)度和硬度。

5 結(jié)語

煤礦用阻燃抗靜電PVC-U 管材研發(fā)成功后，已應(yīng)用在煤礦用聚氯乙烯（硬）抽放瓦斯管、煤礦用聚氯乙烯（硬）正風(fēng)壓管、煤礦用聚氯乙烯（硬）排水管等管材的生產(chǎn)當(dāng)中，這些產(chǎn)品在山西汾西礦業(yè)高陽煤礦和山西離柳焦煤集團(tuán)朱家店煤礦井下進(jìn)行了工業(yè)性實驗，煤礦用阻燃抗靜電PVC-U 管材的各項指標(biāo)全部達(dá)到。