矿用CPE复合材料瓦斯管的研制

2022-04-08姜铁竹钟棉军张彬彬

煤炭与化工 2022年3期

姜铁竹，杨雷，钟棉军，张彬彬

（潍坊亚星新材料有限公司，山东潍坊 261031）

0 引言

为了保证煤矿开采作业的安全生产，需要将在采煤过程中产生的瓦斯气体通过专用的抗静电的管道抽出来，在一座现代化矿井中，则需铺设上百公里的瓦斯抽采管道。在矿井中，目前瓦斯抽放管路已基本都在向塑料管转换。

作为PE和PVC为代表的矿用瓦斯管，各有优缺点。PVC复合材料管的主要缺点是硬度高、不能盘卷。普通聚乙烯管材的缺点是抗静电及阻燃性差，PE是绝缘性材料，表面电阻率太高，管材表面上聚集的静电对矿井危害非常大，容易引爆瓦斯。而就聚乙烯本身而言，极易燃烧，容易造成重大事故，为了增加阻燃性，就要大量添加阻燃剂，通常采用的阻燃剂是溴、锑等复合阻燃剂，该阻燃剂在挤出加工过程中会产生有害气体，影响工人的身体健康，且阻燃性能难以提高[1]。

为了克服PE管和PVC管的缺点，使用氯化聚乙烯复合材料研制矿用瓦斯管成为必然。氯化聚乙烯是一种饱和弹性体材料，其中含有氯元素，本身具有阻燃性能，且有燃烧防滴下特性；氯化聚乙烯还具有优良的耐热氧老化、臭氧老化、耐酸碱和耐低温性能，且本身韧性极好；另外，氯化聚乙烯无毒无味，不含重金属及PAHs（PAHs是一种有致癌作用的多环芳烃），符合环保要求。不需要添加阻燃剂，就能够满足阻燃要求。但CPE也是良好的绝缘体，表面电阻很大，如何通过配方设计和共混改性技术提高CPE复合材料管材的抗静电和机械强度是问题的关键。本文采用复合抗静电剂和特导电炭黑对CPE进行改性，研究了复合抗静电剂和特导电炭黑对CPE复合材料抗静电性及其力学性能的影响，并对CPE复合材料抗静电性的影响因素以及抗静电原理进行了探讨，以期为高性能CPE瓦斯抽采管道的研制提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

氯化聚乙烯（CPE），5345型：氯含量为40%～45%，熔融热≤15 J/g，邵氏硬度＜65 A，拉伸强度≥9 MPa，伸长率≥500%。潍坊亚星化学股份有限公司。

PVC SG-5型，潍坊亚星化学股份有限公司。

特导电炭黑BC-80、炭黑N330，天津宝驰化工科技有限公司。

抗静电剂SH-105，上海金山经纬化工有限公司。

脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-5，广州市君鑫化工科技有限公司。

邻苯二甲酸二辛酯（DOP）,山东湛蓝化工有限公司。

三盐基硫酸铅、硬脂酸铅，青岛红星化工集团自力实业公司。

半精炼石蜡，58号，中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司。

氧化聚乙烯蜡，AC-316A，美国霍尼韦尔公司。

1.2 主要实验设备

高速混合机GH-10A，北京塑料机械厂。

开放式炼胶（塑）机X(S)K-160，上海第一橡胶机械厂。

平板硫化机XLB-DU350×350×1，上海第一橡胶机械厂。

拉伸试验机AI-7000S，高铁科技股份有限公司。

高阻计ZC46A、橡胶硬度计LX-A，上海精密仪器仪表有限公司。

橡塑低温脆性试验仪MZ-4068，江都市明珠试验机械厂。

1.3 实验工艺过程

（1）按照重量份数称取各种原料，先将基料氯化聚乙烯、少量聚氯乙烯、稳定剂、润滑剂、复合抗静电剂、特导电炭黑和炭黑（N330）放入高速混料机中进行高速搅拌，物料温度达到80～85℃时，再加入增塑剂，继续高速搅拌，物料温度达到100℃时，换成低速搅拌，物料温度达到105～110℃时，将物料放出，进行降温，得到复合物料。

（2）将该复合物料在双辊温度155～170℃的开炼机上塑炼，塑炼时间10 min，下片冷却。将塑炼好的物料，在平板硫化机上模压成一定规格的试片，模板温度165℃，压力15 MPa，然后进行相应的表面电阻和力学性能测试。

1.4 性能检测

拉伸强度和断裂伸长率按GB/T1040-2006测定。

表面电阻按MT181的规定测定。

邵氏硬度按GB/T2411-2008测定。

低温脆性按GB/T1682-2014测定。

2 结果与讨论

2.1 复合抗静电剂对CPE复合材料抗静电性和力学性能的影响

为了避免使用单一抗静电剂的缺点，使用复合抗静电剂，选择用于CPE复合材料的抗静电剂通常采用季铵盐阳离子类表面活性剂为主的复合型抗静电剂[2]。抗静电剂SH-105为微黄色粘稠状透明液体，属季铵盐阳离子表面活性剂，电离性为阳离子性；本品有良好的抗静电性能、热稳定性及相容性，使用方便，可以按普通配料程序掺入。脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-5是一种非离子表面活性剂，无色透明液体（25℃）或白色腊状体，无毒，无刺激。用抗静电剂SH-105和AEO-5进行复配，考察其对CPE复合材料抗静电性及其力学性能的影响。

复合抗静电剂对CPE复合材料抗静电性及其力学性能的影响见表1。

表1 复合抗静电剂对CPE复合材料抗静电性及其力学性能的影响Table 1 Effect of composite antistatic agent on antistatic and mechanical properties of CPE composites

由表1可见，添加复合抗静电剂，CPE复合材料的表面电阻下降，具有抗静电效果；但只使复合材料的表面电阻下降至4×108Ω，而没有达到MT 558.1-2005的标准规定的抽放瓦斯管材料表面电阻不得大于1.0×106Ω的标准。添加复合抗静电剂，对复合材料的力学性能影响不大。

表1 预抽7号钻场（使用新型封孔注浆材料）抽采情况（1月数据）Table 1 Pumping of No.7 drilling site(using newmaterial)(November data)

大多数的抗静电剂采用了特种表面活性剂，由于其特点在塑料内部有一定迁移能力，当抗静电剂与塑料具有相适宜的相容性时，就能保证适量的抗静电剂从塑料内部迁移到表面以达到一定的表面浓度，显示优良的抗静电效果，而且在使用中经溶剂洗涤或摩擦等除去表面的抗静电剂后又能迅速从内部迁移到表面上从而恢复抗静电效果[3]。阳离子型表面活性剂虽然具有优良的抗静电性能，但是在热稳定性方面却不及其它表面活性剂，因此在使用该类抗静电剂时，需要以非离子表面活性剂为辅助剂组成复合抗静电剂；加入的非离子表面活性剂既能起到强化抗静电剂分子在材料内部向外表面迁移能力，同时它们本身又是抗静电性能良好的助剂。

由于使用复合抗静电剂未能达到MT558.1-2005对瓦斯管抗静电性的标准要求，且其用量的增加，抗静电剂从材料中渗出现象明显，因而考虑在配方中添加特导电炭黑，继续研究特导电炭黑对CPE复合材料的抗静电性及其力学性能的影响。

2.2 特导电炭黑用量对CPE复合材料抗静电性和力学性能的影响

特导电炭黑用量对CPE复合材料抗静电性和力学性能的影响如图1～图3所示。

图1 特导电炭黑用量对复合材料表面电阻的影响Fig.1 Effect of the amount of special conductive carbon black on the surface resistance of composite materials

图3 特导电炭黑用量对复合材料邵氏硬度和低温脆性的影响Fig.3 Effect of special conductive carbon black content on Shore hardness and low temperature brittleness of composites

由图1可知，随着特导电炭黑添加量增加，CPE复合材料表面电阻下降。特导电炭黑添加量小于6份时，CPE复合材料的表面电阻下降缓慢，当特导电炭黑用量增加到某一临界值（8份）时，材料表面电阻率急剧下降，由107Ω下降至103Ω，当特导电炭黑添加量达到10份时，CPE复合材料的表面电阻下降幅度就非常小了。这可以用导电填料填充树脂基复合材料抗静电机理的渗流理论得到解释，该理论认为体系中导电粒子相互连接，电子通过链移动获得材料的抗静电性，主要用于解释电阻率-导电填料浓度的关系，不涉及抗静电的本质，只是从宏观角度解释复合材料的抗静电现象，同时渗流理论可以解释导电填料临界浓度的电阻率突变现象。因此特导电炭黑的最佳用量为8份。

由图2、图3可知，随着特导电炭黑用量的增加，CPE复合材料的邵氏硬度呈升高趋势，而拉伸强度和断裂伸长率以及低温脆性均呈下降趋势。这是由于特导电炭黑相当于一种填料，加入到CPE复合材料中，减少了分子间的作用力，从而使CPE复合材料的拉伸强度下降，同时限制了CPE的链段运动，并且存在应力集中现象，引起CPE复合材料的断裂伸长率下降。