礦用CPE復(fù)合材料瓦斯管的研制

姜鐵竹，楊 雷，鐘棉軍，張彬彬

（濰坊亞星新材料有限公司，山東 濰坊 261031）

0 引 言

為了保證煤礦開采作業(yè)的安全生產(chǎn)，需要將在采煤過程中產(chǎn)生的瓦斯氣體通過專用的抗靜電的管道抽出來，在一座現(xiàn)代化礦井中，則需鋪設(shè)上百公里的瓦斯抽采管道。在礦井中，目前瓦斯抽放管路已基本都在向塑料管轉(zhuǎn)換。

作為PE和PVC為代表的礦用瓦斯管，各有優(yōu)缺點。PVC復(fù)合材料管的主要缺點是硬度高、不能盤卷。普通聚乙烯管材的缺點是抗靜電及阻燃性差，PE是絕緣性材料，表面電阻率太高，管材表面上聚集的靜電對礦井危害非常大，容易引爆瓦斯。而就聚乙烯本身而言，極易燃燒，容易造成重大事故，為了增加阻燃性，就要大量添加阻燃劑，通常采用的阻燃劑是溴、銻等復(fù)合阻燃劑，該阻燃劑在擠出加工過程中會產(chǎn)生有害氣體，影響工人的身體健康，且阻燃性能難以提高[1]。

為了克服PE管和PVC管的缺點，使用氯化聚乙烯復(fù)合材料研制礦用瓦斯管成為必然。氯化聚乙烯是一種飽和彈性體材料，其中含有氯元素，本身具有阻燃性能，且有燃燒防滴下特性；氯化聚乙烯還具有優(yōu)良的耐熱氧老化、臭氧老化、耐酸堿和耐低溫性能，且本身韌性極好；另外，氯化聚乙烯無毒無味，不含重金屬及PAHs（PAHs是一種有致癌作用的多環(huán)芳烴），符合環(huán)保要求。不需要添加阻燃劑，就能夠滿足阻燃要求。但CPE也是良好的絕緣體，表面電阻很大，如何通過配方設(shè)計和共混改性技術(shù)提高CPE復(fù)合材料管材的抗靜電和機械強度是問題的關(guān)鍵。本文采用復(fù)合抗靜電劑和特導(dǎo)電炭黑對CPE進行改性，研究了復(fù)合抗靜電劑和特導(dǎo)電炭黑對CPE復(fù)合材料抗靜電性及其力學(xué)性能的影響，并對CPE復(fù)合材料抗靜電性的影響因素以及抗靜電原理進行了探討，以期為高性能CPE瓦斯抽采管道的研制提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

氯化聚乙烯（CPE），5345型：氯含量為40%～45%，熔融熱≤15 J/g，邵氏硬度＜65 A，拉伸強度≥9 MPa，伸長率≥500%。濰坊亞星化學(xué)股份有限公司。

PVC SG-5型，濰坊亞星化學(xué)股份有限公司。

特導(dǎo)電炭黑BC-80、炭黑N330，天津?qū)汃Y化工科技有限公司。

抗靜電劑SH-105，上海金山經(jīng)緯化工有限公司。

脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-5，廣州市君鑫化工科技有限公司。

鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）,山東湛藍(lán)化工有限公司。

三鹽基硫酸鉛、硬脂酸鉛，青島紅星化工集團自力實業(yè)公司。

半精煉石蠟，58號，中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司。

氧化聚乙烯蠟，AC-316A，美國霍尼韋爾公司。

1.2 主要實驗設(shè)備

高速混合機GH-10A，北京塑料機械廠。

開放式煉膠（塑）機X(S)K-160，上海第一橡膠機械廠。

平板硫化機XLB-DU350×350×1，上海第一橡膠機械廠。

拉伸試驗機AI-7000S，高鐵科技股份有限公司。

高阻計ZC46A、橡膠硬度計LX-A，上海精密儀器儀表有限公司。

橡塑低溫脆性試驗儀MZ-4068，江都市明珠試驗機械廠。

1.3 實驗工藝過程

（1）按照重量份數(shù)稱取各種原料，先將基料氯化聚乙烯、少量聚氯乙烯、穩(wěn)定劑、潤滑劑、復(fù)合抗靜電劑、特導(dǎo)電炭黑和炭黑（N330）放入高速混料機中進行高速攪拌，物料溫度達(dá)到80～85℃時，再加入增塑劑，繼續(xù)高速攪拌，物料溫度達(dá)到100℃時，換成低速攪拌，物料溫度達(dá)到105～110℃時，將物料放出，進行降溫，得到復(fù)合物料。

（2）將該復(fù)合物料在雙輥溫度155～170℃的開煉機上塑煉，塑煉時間10 min，下片冷卻。將塑煉好的物料，在平板硫化機上模壓成一定規(guī)格的試片，模板溫度165℃，壓力15 MPa，然后進行相應(yīng)的表面電阻和力學(xué)性能測試。

1.4 性能檢測

拉伸強度和斷裂伸長率按GB/T1040-2006測定。

表面電阻按MT181的規(guī)定測定。

邵氏硬度按GB/T2411-2008測定。

低溫脆性按GB/T1682-2014測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合抗靜電劑對CPE復(fù)合材料抗靜電性和力學(xué)性能的影響

為了避免使用單一抗靜電劑的缺點，使用復(fù)合抗靜電劑，選擇用于CPE復(fù)合材料的抗靜電劑通常采用季銨鹽陽離子類表面活性劑為主的復(fù)合型抗靜電劑[2]?？轨o電劑SH-105為微黃色粘稠狀透明液體，屬季銨鹽陽離子表面活性劑，電離性為陽離子性；本品有良好的抗靜電性能、熱穩(wěn)定性及相容性，使用方便，可以按普通配料程序摻入。脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-5是一種非離子表面活性劑，無色透明液體（25℃）或白色臘狀體，無毒，無刺激。用抗靜電劑SH-105和AEO-5進行復(fù)配，考察其對CPE復(fù)合材料抗靜電性及其力學(xué)性能的影響。

復(fù)合抗靜電劑對CPE復(fù)合材料抗靜電性及其力學(xué)性能的影響見表1。

表1 復(fù)合抗靜電劑對CPE復(fù)合材料抗靜電性及其力學(xué)性能的影響Table 1 Effect of composite antistatic agent on antistatic and mechanical properties of CPE composites

由表1可見，添加復(fù)合抗靜電劑，CPE復(fù)合材 料的表面電阻下降，具有抗靜電效果；但只使復(fù)合材料的表面電阻下降至4×108Ω，而沒有達(dá)到MT 558.1-2005的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抽放瓦斯管材料表面電阻不得大于1.0×106Ω的標(biāo)準(zhǔn)。添加復(fù)合抗靜電劑，對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響不大。

表1 預(yù)抽7號鉆場（使用新型封孔注漿材料）抽采情況（1月數(shù)據(jù)）Table 1 Pumping of No.7 drilling site(using newmaterial)(November data)

大多數(shù)的抗靜電劑采用了特種表面活性劑，由于其特點在塑料內(nèi)部有一定遷移能力，當(dāng)抗靜電劑與塑料具有相適宜的相容性時，就能保證適量的抗靜電劑從塑料內(nèi)部遷移到表面以達(dá)到一定的表面濃度，顯示優(yōu)良的抗靜電效果，而且在使用中經(jīng)溶劑洗滌或摩擦等除去表面的抗靜電劑后又能迅速從內(nèi)部遷移到表面上從而恢復(fù)抗靜電效果[3]。陽離子型表面活性劑雖然具有優(yōu)良的抗靜電性能，但是在熱穩(wěn)定性方面卻不及其它表面活性劑，因此在使用該類抗靜電劑時，需要以非離子表面活性劑為輔助劑組成復(fù)合抗靜電劑；加入的非離子表面活性劑既能起到強化抗靜電劑分子在材料內(nèi)部向外表面遷移能力，同時它們本身又是抗靜電性能良好的助劑。

由于使用復(fù)合抗靜電劑未能達(dá)到MT558.1-2005對瓦斯管抗靜電性的標(biāo)準(zhǔn)要求，且其用量的增加，抗靜電劑從材料中滲出現(xiàn)象明顯，因而考慮在配方中添加特導(dǎo)電炭黑，繼續(xù)研究特導(dǎo)電炭黑對CPE復(fù)合材料的抗靜電性及其力學(xué)性能的影響。

2.2 特導(dǎo)電炭黑用量對CPE復(fù)合材料抗靜電性和力學(xué)性能的影響

特導(dǎo)電炭黑用量對CPE復(fù)合材料抗靜電性和力學(xué)性能的影響如圖1～圖3所示。

圖1 特導(dǎo)電炭黑用量對復(fù)合材料表面電阻的影響Fig.1 Effect of the amount of special conductive carbon black on the surface resistance of composite materials

圖3 特導(dǎo)電炭黑用量對復(fù)合材料邵氏硬度和低溫脆性的影響Fig.3 Effect of special conductive carbon black content on Shore hardness and low temperature brittleness of composites

由圖1可知，隨著特導(dǎo)電炭黑添加量增加，CPE復(fù)合材料表面電阻下降。特導(dǎo)電炭黑添加量小于6份時，CPE復(fù)合材料的表面電阻下降緩慢，當(dāng)特導(dǎo)電炭黑用量增加到某一臨界值（8份）時，材料表面電阻率急劇下降，由107Ω下降至103Ω，當(dāng)特導(dǎo)電炭黑添加量達(dá)到10份時，CPE復(fù)合材料的表面電阻下降幅度就非常小了。這可以用導(dǎo)電填料填充樹脂基復(fù)合材料抗靜電機理的滲流理論得到解釋，該理論認(rèn)為體系中導(dǎo)電粒子相互連接，電子通過鏈移動獲得材料的抗靜電性，主要用于解釋電阻率-導(dǎo)電填料濃度的關(guān)系，不涉及抗靜電的本質(zhì)，只是從宏觀角度解釋復(fù)合材料的抗靜電現(xiàn)象，同時滲流理論可以解釋導(dǎo)電填料臨界濃度的電阻率突變現(xiàn)象。因此特導(dǎo)電炭黑的最佳用量為8份。

由圖2、圖3可知，隨著特導(dǎo)電炭黑用量的增加，CPE復(fù)合材料的邵氏硬度呈升高趨勢，而拉伸強度和斷裂伸長率以及低溫脆性均呈下降趨勢。這是由于特導(dǎo)電炭黑相當(dāng)于一種填料，加入到CPE復(fù)合材料中，減少了分子間的作用力，從而使CPE復(fù)合材料的拉伸強度下降，同時限制了CPE的鏈段運動，并且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起CPE復(fù)合材料的斷裂伸長率下降。

圖2 特導(dǎo)電炭黑用量對材料拉伸性能的影響Fig.2 Effect of the amount of special conductive carbon black on the tensile properties of the material

2.3 增塑劑DOP用量對CPE復(fù)合材料抗靜電性和力學(xué)性能的影響

因為CPE復(fù)合材料擠出成型時，在擠出機中摩擦熱較高，有時會影響正常擠出生產(chǎn)，因此在CPE復(fù)合材料配方中除了需要添加高效潤滑劑外，往往還需要增加少量增塑劑，降低材料的熔融粘度，增加流動性，減少摩擦熱。

增塑劑DOP用量對CPE復(fù)合材料抗靜電性和力學(xué)性能的影響見表2。

由表2可知，隨著增塑劑DOP用量的增加，CPE復(fù)合材料的表面電阻呈增大趨勢，這可能是因為隨著增塑劑用量的增加，導(dǎo)致分子間間隙增大，影響了特導(dǎo)電炭黑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

表2 增塑劑DOP用量對CPE復(fù)合材料抗靜電性和力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of DOP on antistatic and mechanical properties of CPE composites

增加增塑劑會使復(fù)合材料變軟，導(dǎo)致材料硬度下降，拉伸強度和低溫脆性溫度也呈下降趨勢，斷裂伸長率升高。

3 結(jié) 論

（1）采用復(fù)合抗靜電劑對CPE復(fù)合材料進行抗靜電改性時，材料的表面電阻明顯下降，但是仍沒有達(dá)到MT558.1-2005的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抽放瓦斯管材料表面電阻的要求。

（2）CPE復(fù)合材料瓦斯管配方中，特導(dǎo)電炭黑用量為8份時，復(fù)合材料的表面電阻可達(dá)2.4×103Ω，滿足MT558.1-2005的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抽放瓦斯管材料表面電阻的要求。當(dāng)特導(dǎo)電炭黑用量大于10份時，材料的表面電阻率幾乎不變，而拉伸強度和斷裂伸長率及低溫脆性溫度下降。

（3）隨著增塑劑DOP用量的增加，CPE復(fù)合材料的表面電阻呈增大趨勢，復(fù)合材料硬度以及拉伸強度和低溫脆性溫度下降，斷裂伸長率升高。