长期以来,煤矿均采用铸铁管道进行井下排水、通风,吸尘。由于铸铁管易腐蚀,搬运、安装不方便,使用寿命短,成本高,因此迫切需要开展煤矿用新型管材的研究与开发。PVC 管材作为一种新兴的塑料管材,具有许多金属管材无法比拟的优点:质轻价廉,安装操作简单,耐腐蚀,阻燃性好,在许多领域已经逐步替代金属管材〔1〕。但是, PVC 是良好的绝缘体,表面电阻大,导电性能差,在煤矿等易产生静电的场合,会因静电积聚而引起火灾或瓦斯爆炸。同时,由于煤矿井中环境恶劣,管道经常受到冲击和碰撞,这就要求管材必须达到一定的机械强度。如何通过配方设计、共混改性提高PVC 管材的抗静电、抗冲击性能是问题的关键。早在60 年代,美国、西欧、日本、前苏联就对井下用塑料管及塑料制品的抗静电问题开始进行研究,通过10 多年的研究,无论在理论上还是实践上都取得了很大进展,从80 年代初,西方发达国家的矿山开始广泛采用,取得了巨大的社会和经济效益。 2 塑料表面静电荷的产生机理以及解决方法 2. 1 塑料表面静电荷产生过程
当塑料制品用于煤矿、金属矿或非金属矿井下时,悬浮的煤粉或其它粉尘与塑料制品相互摩擦碰撞,正负电荷在它们之间重新分布,正负电荷分别积聚在塑料制品和粉尘上。当静电荷积聚到一定程度(一般认为108Ω的表面电阻是防止静电积聚的最低极限) ,就会放电火花,有可能引起火灾或瓦斯爆炸,如图1 所示〔3〕。
一般塑料带正电荷,PVC 材料表面电阻为1014～1017Ω , 通常所说的抗静电塑料表面电阻为106 ～108Ω〔4〕。
2. 2 防止塑料静电危害的方法
a. 通过减轻或防止摩擦来减少静电荷产生。
b. 使已产生的静电荷尽快泄漏掉,避免静电的大量积聚〔5〕。
为了使绝缘性能良好的塑料具有一定的导电性,国内外目前采用的方法主要有:
(1) 在塑料中添加抗静电剂或用抗静电剂对制品进行表面涂敷。
(2) 在塑料中添加导电材料,通过混炼将导电材料分散到本来是非导体的塑料中,使其成为复合导电塑料,所用导电材料有以下几类〔6〕:
①炭类导电材料:石墨,炭黑,炭纤维
②金属类导电材料:金属粉末,碎屑,金属纤维
③其它:镀金玻璃纤维,涂镀镍、银、铜、铬、不锈钢等金属的云母
(3) 在塑料制品的单面或双面涂敷导电性涂层或复合一层导电性薄膜
(4) 将金属网或导电性不织布与塑料制品复合
(5) 研制结构型导电高分子材料
3 原材料的选择
3. 1 树脂的选择
树脂是复合导电塑料的基体,根据树脂原料生产情况和经济性因素, 选择齐鲁石化公司产PVC ( S21000) ,其本身阻燃性优良,在PVC 中加入适量的导电材料,使其具备良好的导电性,加入其它助剂可达到理想的机械、冲击强度。
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3. 2 导电材料的选择
由于炭黑来源广,价格便宜,因此选用炭黑作为导电填料。有关炭黑导电机理有以下两种假说〔7〕:
(1) 炭黑粒子在一定剪切力作用下,炭黑团聚体变成粘结粒子,在100nm 距离内能彼此接触形成网络,π电子通过网状链移动而发生导电,这是导电回路论。
(2) 碳粒子不仅接触,而且电子跃迁分散于基质高分子化合物中的炭黑粒子的间隙(1000nm 以下) 而发生导电,即隧道效应论;或存在于炭黑粒子间的高电场强度,引起发射电流而产生导电现象,即场致发射论。
决定炭黑导电能力的基本因素有: 孔隙度(吸碘值) 、结构度(吸油值或DBP 吸收值) 、粒径、比表面积。一般炭黑粒径愈小,比表面积愈大,结构度愈高,赋予塑料的导电性愈好,如表
1 所示〔8〕。
由表1 可看出,特导电炭黑粒径较小,具有最高的比表面积,最高的结构度,是目前国内最好的导电填料。所以选用特导电炭黑作为PVC 导电填料。
3. 3 改性剂的选择
在PVC 树脂中加入导电炭黑,随着炭黑用量的增加,不仅使加工困难,且复合材料变得又脆又硬,冲击性能急剧下降。为了使材料具有良好的机械性能和冲击性能,必须考虑对复合材料进行改性,本实验选用含氯量35 %的CPE 来提高冲击性能。
4 工艺流程
按如下工艺流程进行抗静电PVC 管的试制
5 试验结果与讨论
5. 1 特导电炭黑用量对PVC 电性能、力学性能的影响
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5. 1. 1 特导电炭黑与PVC 电性能的关系
从图2 中可以看出,随特导电炭黑加入量的增加,PVC 表面电阻下降,加入量小于7 份下降快,7 份之后变化不大。
从复合材料导电机理分析,随着特导电炭黑加入量的增加,炭黑粒子形成了导电网络,从而使PVC 的导电性能增强,表面电阻下降。当加入量大于7 份后,炭黑的导电网络已形成,添加更多的炭黑,对PVC 的表面电阻影响不大。
5. 1. 2 炭黑用量对PVC 力学性能的影响
从图3 中可以看出,随着炭黑用量的增加, PVC的拉伸强度、冲击强度、伸长率均下降,硬度上升。
炭黑相当于一种填料,加入到PVC 中,减少了分子间的作用力,从而使PVC 的拉伸强度下降。同时限制了PVC 的链段运动,并且存在应力集中现象,引起PVC 冲击强度、伸长率下降。由于炭黑的加入,增加了PVC 表面抵抗外力压入的能力,硬度因而增加。因此,炭黑的用量不能太大。
5. 2 CPE 用量对PVC 的电性能、力学性能的影响
5. 2. 1 CPE 用量对PVC 电性能的影响
CPE 加入到PVC 中,在塑炼过程中有利于特导电炭黑的分散,容易使炭黑粒子形成导电网络,从而导致PVC 表面电阻下降。但是CPE 电阻较高,电绝缘性好,加入量过多会引起PVC 表面电阻的上升。
800电话是免费的吗5. 2. 2 CPE 的用量对PVC 力学性能的影响
由图5 可以看出,随着CPE 用量的增加,PVC 的拉伸强度和硬度下降,冲击强度和伸长率上升。
本实验所选用的CPE ,其含氯量为35 % ,与PVC相容性较好,从而引起PVC 分子间的作用力降低,使材料的拉伸强度下降。
在一定的加工条件下, PVC 与CPE 能够形成物理交联网或岛状结构:即PVC 微粒处于胶体膜的包覆之中,这个网的“网眼”约1μm ,恰好与PVC 初级粒子大小相当。当CPE 形成连续网,
而PVC 粉粒破坏成为初级粒子时,这些初级粒子和次级粒子之间有扩散分子链的结合,这种体系具有最佳的冲击强度及较低的熔体粘度〔10〕。因而,随CPE 加入量的增加,PVC 冲击强度上升,伸长率上升。同时CPE 的加入降低了PVC 抵抗外力压入的能力,从而使材料的硬度下降。
6 管材成型的实验研究e通话
通过以上研究和依据企业的使用要求,拟定了最佳配方,并在兖州矿业集团塑料厂的SD255 型双螺杆管材成型机组上进行了试生产,所生产管材直径为Φ110mm ,所生产管材的外观平滑细腻,其耐静水压达到316MPa ,各项指标检测结果均达到原煤炭工业部行业标准MT181288 的要求,并已在兖州矿业集团煤矿通风排气管中进行了试应用。
(1) 最佳配方
PVC 100 份
CPE 12 份
ACR 2 份
炭黑 15 份
复合稳定剂 5.5 份
润滑剂适量
加工助剂适量
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(2) 混合机温度控制
高速混合机 115 ℃～125 ℃
冷却混合机 30 ℃～40 ℃
(3) 双螺杆挤出机各区温度
（4) 螺杆转速
城市三维建模进料螺杆 40r/ min
主机螺杆 20r/ min
(5) 真空度 ≥0.06MPa
(6) 测试结果
性能 测试结果
拉伸强度/ MPa 35.3
缺口冲击强度/ (kJ·m- 2) 8.7
硬度/ HR 90
表面电阻/Ω 6.4 ×105
燃烧性(炽热棒法) 没有可见火焰,结碳
7 结论
在PVC 树脂中加入特导电炭黑,通过共混改性的方法制备的复合导电材料有良好的抗静电性、阻燃性以及机械性能。利用该复合材料制得的管材质轻、耐腐蚀、安装施工方便、使用寿命长,可以替代钢管、铸铁管作为煤矿井下的排水管、排风管,具有大面积推广应用的价值。
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