PVC 管道内壁抗静电剂的研究与应用

李志龙

（宁夏青龙塑料管材有限公司，宁夏 银川 750021）

引言

随着世界经济发展的趋势，工业化水平以及工业制造能力已经成为评价一个国家实力和繁荣程度不可或缺的重要指标，我国也围绕实现制造强国的战略目标，提出了“中国制造2025”。目前由于工业生产的高分子材料的迅速推广以及静电敏感材料的生产和使用，一些电阻率很高的高分子材料如塑料、橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化，使得静电能积累到很高的水平。

一、概述

塑料是一种高分子化合物，具有质轻、不易锈蚀、绝缘性好等优点，广泛运用于工业生产中。其中PVC 塑料又因使用寿命长、生产成本低而被广泛加工成管道。2018 年，我国PVC 产量高达2400 万吨／年，其中生产管道和配件的使用需求占45%。然而，在工业生产中广泛使用塑料的同时，由此引发的静电问题也对企业的安全生产造成了威胁，使企业财产受损；在工矿、化工生产、轻质油品、火药、电子器件尤其是化工生产方向受静电导致的安全危害也越来越突出。例如上海石化公司的2000m3 甲苯罐爆炸事故、山东石化公司的胶渣罐安全事故以及抚顺石化公司的航煤罐爆炸等事故都是由于静电而产生的火灾爆炸事故；2015 年江苏PVC 制造厂出现闪燃火灾；2019 年东北石化公司在塑料装置包装作业环节中发生爆炸事故。因此，如何消除塑料产生的静电已成为该行业发展中需要解决的重要难题。对于化工制造行业中防止产生静电的措施一般都是改造起电强烈的工艺环节，采用起电较少的设备材料等，或是用导线把设备接地（等电位连接）等等。在实际生产中，对于粒状颗粒的输送仍旧需要使用管道运输的方式进行，属于典型的气固两相流。使用金属管道虽然可以通过接地的方式释放静电，但是管道在长时间使用过程中可能会出现生锈腐蚀等问题。因此部分化工企业仍旧选择使用PVC 管道进行物料输送，既能减少生产成本，又能防止管道生锈腐蚀。然而管道内壁由于物料高速摩擦产生的静电无法及时释放，容易形成隐患。如果使用加湿管道内壁的方法，可能又会产生湿料，影响运输效果。然而，对于化工制造行业中防止产生静电的措施一般有如下方法。例如，改造起电强烈的工艺环节，阻断静电发生的事故链就能避免事故发生；又如对油气船和化工码头，使用等电位接地的方法消除静电；对石油储罐内壁添加导电金属粉末涂料；在易产生粉末的加工过程中使用加湿器减少静电等。而对于气固两相流模型，如粉料在管道的输送过程中，管道内壁与物料的高速摩擦极易产生静电，形成隐患。而如果使用加湿管道内壁的方法，可能又会产生湿料，影响运输效果。国内外学者对PVC、表面活性剂、抗静电开展了以下研究：当导电云母粉用量为15.0phr 时，改性PVC 糊的抗静电性能较好；当有机红144 质量分数为1.2%时，着色抗静电PVC 糊的着色性能较优；通过使用TCT（三聚氯氰）－M－2070（聚醚胺）用量3%（owf）的方法来改性羊毛表面，使羊毛表面具有耐久的抗静电性；使用Gemini表面活性剂可以实现良好的抗静电效果；通过使用线性AEP，可以实现良好的抗静电效果；通过研究指出了四种不同疏水链长度的阳离子双子表面活性剂（C12－CCB、C14－CCB、C16－CCB 和C18－CCB）都具有优良的抗静电性能。经研究发现咪唑基丙烯酸酯聚合物涂层可以使物体表面具有相当不错的抗静电能力。通过添加石墨烯／二氧化钛来提高PVC 薄膜的抗静电性能。传统的消除静电方法并不适用于对PVC 管道，经查阅资料和分析讨论后，本实验尝试使用合适PVC 管道运输的抗静电剂来消除静电。抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消散静电荷产生的化学添加剂。抗静电剂自身没有自由活动的电子，属与表面活性剂范畴，它通过离子化基团或极性基团的离子传导或吸湿作用构成泄漏电荷通道降低电阻率和体积电阻率，适度增加导电性，从而防止制品上积聚静电荷的物质，主要应用于塑料及纤维等高分子材料。一般通过将抗静电剂加在树脂中或涂敷于制品表面，起到消除PVC 管道内壁的静电的作用，故而能减少生产过程中的安全隐患，最终达到提高工业生产的安全性的目的。

二、实验方法

（一）实验时间及地点

本实验旨在探究PVC 管道内壁静电产生后使用消除手段消除静电，由于静电的测量受大气环境影响，当空气或物料潮湿时不易产生静电。因此，必须保证实验过程中处于干燥环境。

（二）试剂选用及实验设备

1.试剂选用及制备

SAS－60 水溶液和SN 水溶液配制：用容量瓶分别配制0.5 mol／L两种试剂，为使涂层更好的附着在管道内壁，在配好的两种溶液中按溶液体积20:1 比例添加环己酮。值得注意的是，由于环己酮与塑料互溶且有强烈刺激性气味，配好的环己酮溶液不能存放于塑料容器中。需使用玻璃喷壶，并定期更换。乙醇乙二醇溶液配制：将1000ml 乙二醇与500ml无水乙醇混合，再加入0.2 g酚酞，用0.1mol／L 的氢氧化钠溶液加入无水乙醇溶液中至溶液颜色呈红色。同时注意该溶液需现用现配，并有防潮措施。

2.实验材料及仪器（1）实验材料本实验选用额定电压为220V、最大功率为2KW 的空压风机作为动力设备。实验选用的塑胶颗粒为操场中常用的塑胶颗粒，形状不均，更易产生静电，利于实验进行，且价格低廉。PVC 管道选用市售品牌，外径50mm，长度1.5m。为保证实验效果，不选用复合型PVC 管。空压风机吹动管道中的塑胶颗粒更贴合实际生产环境中物料运输。（2）实验仪器。测量设备选用埃用TronovoTR7300 型静电测试仪，测量距离在25mm 内，测量范围在－20KV～＋20KV 之间，量程在小数点后一位。同时，感应器旁边的两个LED 灯是用来帮助定位测量仪到电荷体之间的距离，使用之前需要仪器校准。

（三）实验方案

1.实验内容温湿度环境相同情况下，使用空压机将塑胶颗粒吹过附着三种表面活性剂的PVC管道，测量管道内壁静电量前后的变化情况；在一周后再次测量管道实验前后静电量变化，以探究三种表面活性剂的时效性。

2.实验步骤

操作之前确保设备完好，测试环境干燥，静电测试仪已接地校准。（1）对涂有三种不同涂层的管道分别标记，A 组代表含SAS－60 溶液涂层的管道，B 组代表含SN 溶液涂层的管道，C 组代表乙二醇乙醇溶液涂层的管道。并设立对照空白组管道，标记为D 组。（2）实验开始前，先进行测量管道内壁静电电压值，测量方法为测量内壁三个不同点分别记录后求三点的平均值并记录（取值精确到小数点后三位）。（3）取25g 橡胶颗粒，堆放在管道D的左侧，之后在左侧连接风机，右侧对橡胶颗粒进行回收，同时记录对照空白组D组的静电值。（4）接通风机，使颗粒在风力作用下与管道内壁产生摩擦，直至所有颗粒输送完毕。（5）关闭风机，使用静电测试仪分别测量管道左侧和右侧内壁静电值并记录。（6）同第2～5 步，先进行实验前测量后另取25g 橡胶颗粒，堆放在管道A的左侧，直至所有颗粒输送完毕。（7）对B、C 实验组管道重复第2～5 步操作，同时记录。

三、结果分析

空白对照组实验对比了两个时间测量的三组数据的平均值。在PVC 管未使用任何表面活性剂时，在实验前初始静电电压值相比在塑胶颗粒通过管道后，明显的静电电压值升高。经检验结果可知：

（1）当对比SN 组与空白对照组和SAS－60 组时可明显看出，SN 组无论是实验前还是实验后，静电电压值都明显偏小数十倍，且实验前后的左右两端静电电压值基本不变；由数据可知，SN 试剂作为防静电表面活性剂最为理想。（2）说明乙醇乙二醇组数据无论是实验前、后静电电压值明显偏大；由于乙醇乙二醇溶液具有挥发性，由实验数据可看出乙醇乙二醇组附着管道内壁含量明显含量变少，故抗静电能力下降。实验后较实验前发现静电值不降反升，可得乙醇乙二醇只能进行短时抗静电作用，且抗静电能力差于SAS－60 试剂。

结语

传统的研究方式倾向于对管道流体直接进行静电测量，这种方式对仪器要求精度更大，花费更高；还有的研究方法是将输送过的物质通过法拉第筒与测量仪相连接，从而读出传输物质的静电数据，但这种方式对操作性要求极高。本次试验不同于传统的工业生产设计，通过使用喷涂的方式制作管道涂层，直接对管道内壁表面进行静电检测。大大降低了实验操作的难度。在工业生产过程中，管道的涂层多使用涂布机进行表面处理。通过热干固化等技术可以使表面活性剂更牢固的附着在管道表面。或是在注塑过程中加入助剂，直接生产出具有特殊性质的塑料原材料，进而加工成其他产品。而本实验使用的是喷涂的方法制作涂层，也可能无法保证涂层覆盖的均匀性。本实验是一种创新的方式对材料进行改性研究，且研究规模可控。本实验可为PVC 管道安全运输物料等方向提供理论指导作用。