新型阻燃抗菌防静电PE 双壁新风波纹管的制备

朱辉，段凯歌，倪佳，梅振威，周朝锡，于东明

（浙江曼瑞德舒适系统有限公司聚合物实验室，浙江 温州 325000）

0 前言

PE双壁新风波纹管主要应用于新风系统中，作为通风管道与新风系统中各种元器件的连接。PE双壁波纹管具有优异的柔韧性，在安装过程中容易弯折，一管到底，安装方便，连接处可以使用快速接头进行连接，实现了安装时全系统无胶水连接，更加环保。双壁波纹管外壁带有与轴线垂直的系列中空波纹[1-2]，该结构能很好地起到消声降噪的作用，并且该结构大大提高了管道的法向强度和环刚度[3]，不易被压扁，有助于管道通畅，而光滑的内壁能有效降低风阻，节约能源。PE双壁波纹管在实际使用中还具有质轻、搬运方便、耐酸碱、不易破裂等优点[4]。但是传统的PE双壁新风波纹管不阻燃，燃烧时放热量大，在建筑中使用安全系数低，而且在换气过程中容易产生静电、吸附尘埃、滋生细菌，导致室内空气质量下降。

针对PE双壁新风波纹管存在的上述问题，本实验室研发了新型阻燃抗菌防静电PE双壁新风波纹管，其中外层添加阻燃剂，内层添加抗菌剂、防静电剂，解决了传统波纹管的不足。为制备新型波纹管，首先通过配方优化得到阻燃剂、抗菌剂、防静电剂的最佳添加量，再进一步制备出阻燃抗菌防静电PE双壁新风波纹管。对制备出的双壁波纹管进行了烘箱试验、环刚度测试和柔韧性测试。

1 试验

1.1 主要原材料

波纹管外壁用PE-1：HDPE，MFR（5 kg）为0.54 g/10 min，市售；波纹管内壁用PE-2：HDPE，MFR（5kg）为7.60g/10min，市售；银离子PE抗菌母粒：JDSKM-PE25，晋大纳米科技（厦门）有限公司；PE阻燃剂，Doher-737，东莞市道尔新材料科技有限公司；防静电剂，SY-55F，东莞市山一塑化有限公司。

1.2 主要仪器设备

高速混合机，GH-6DY，北京华新科塑料机械有限公司；密炼机，RM200C，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司；平板硫化机，XH-406B，锡华检测仪器有限公司；微型注塑机，WZS10D，上海新硕精密机械有限公司；万能试验机，XWW-20T，承德市金建检测仪器有限公司；UL94垂直水平燃烧测试仪，PX-03-001，菲尼克斯质检仪器有限公司；鼓风干燥箱，101-3BS，力辰科技；表面电阻测试仪，ST2643，苏州晶格电子有限公司；波纹管挤出线，SBGC160，上海金纬机械制造有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 阻燃性测试样品的制备

将PE-1与阻燃剂Doher-737分别按质量比94∶6、93∶7、92∶8、91∶9、90∶10、89∶11，采用高速混合机常温混合7 min，将混合均匀的物料用注塑机制成厚度为3.2 mm的标准燃烧试样条，用于研究阻燃剂用量对管材阻燃性能的影响。

1.3.2 抗菌性测试样品的制备

将波纹管内壁所用PE-2与抗菌剂分别按照质量比99.5∶0.5、99∶1.0、98.5∶1.5、98∶2，采用高速混合机常温混合7 min，混合均匀后用密炼机进行混炼，混炼温度为200℃，时间3 min，再经平板硫化机进行压板，压板厚度为2 mm，裁切成抗菌测试用样品，用于研究抗菌剂用量对管材抗菌性能的影响。

1.3.3 防静电测试样品的制备

将波纹管内壁所用PE-2与防静电剂分别按照质量比98∶2、97∶3和96∶4，采用高速混合机常温混合7 min，混合均匀后用密炼机进行混炼，混炼温度为200℃，时间3 min，再经平板硫化机进行压板，压板厚度为2 mm，裁切成防静电测试用样品，用于研究防静电剂用量对管材防静电性能的影响。

1.3.4 阻燃抗菌防静电PE双壁波纹管的制备

将PE-1与阻燃剂按质量比90∶10，将PE-2、抗菌剂和防静电剂按质量比为95∶4∶1，分别用高速混合机混合均匀，通过自动上料系统分别使PE-1和阻燃剂进入外层料筒，使PE-2、抗菌剂和防静电剂进入内层料筒，内层料和外层料分别采用单螺杆挤出，各段挤出温度为180～220℃，挤出的管胚通过双层气压并由水套与成型机模块冷却成型，管材规格为dn75 mm，生产速度为5 m/min。

1.4 性能测试方法

（1）阻燃性能测试

根据UL94-2017“STANDARD FOR SAFETY Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances”，采用UL94垂直水平燃烧测试仪（PX-03-001）测试样品的水平燃烧性能。

（2）防静电性能

根据GB/T 31838.3—2019《固体绝缘材料介电和电阻特性第3部分：电阻特性（DC方法）表面电阻和表面电阻率》，采用表面电阻测试仪（ST2643）测试样品的表面电阻率。

（3）抗菌率测试

根据GB/T 31402—2015《塑料塑料表面抗菌性能试验方法》，委托广州市微生物研究所有限公司对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌2个菌种进行抗菌率测试。

（4）双壁波纹管的物理力学性能测试

①环刚度根据GB/T 9647—2015《热塑性塑料管材 环刚度的测定》，采用万能试验机（XWW-20T）测试波纹管的环刚度。

②烘箱试验：根据GB/T 19472.1—2019《埋地用聚乙烯（PE）结构壁管道系统第1部分：聚乙烯双壁波纹管材》，采用鼓风干燥箱（101-3BS）进行烘箱试验。

③柔韧性试验：参考企业标准Q/MRD 017—2018《双壁波纹管系列》，将1根10×DN（DN为公称直径），垂直固定在测试台上，按图1所示位置安装2块弧形模板，其半径r如表1所示。管材旋转90°弯曲，每个方向缓慢弯曲样件至弧形模板位置（见图1），每个方向反复往返弯曲5次，每次保持10 s，记录弯曲所需要的拉力F。

表1 双壁波纹管柔韧性试验试件尺寸

2 结果与讨论

2.1 阻燃剂添加量对PE阻燃效果的影响

Doher-737属于高效环保阻燃剂，添加量小，阻燃效果好，对产品性能影响小。调整阻燃剂的添加量为6%～11%，测试其水平燃烧性能，结果如表2所示。

表2 水平燃烧性能测试结果

从表2可以看出，随着阻燃剂添加量的增加，PE阻燃效果提升，当添加量为8%时，效果已经达到HB，但是在燃烧时火焰仍然会延续一段距离，所以最终选择添加量为10%，此时样条点火结束后能快速熄灭。

2.2 防静电剂添加量对PE表面电阻率的影响

调整防静电剂的添加量为0.5%～2.0%，按照表面电阻率测试要求制备测试样品，表面电阻率测试结果如表3所示。

表3 表面电阻率测试结果

由表3可以看出，随着防静电剂添加量的增加，表面电阻率减小，材料的防静电效果增强，但是在制样过程中发现，随着防静电剂量的增加，混合好的物料在密炼时摩擦力下降，存在打滑现象，当添加量为2.0%时，加工较困难。因此，最终选择添加量为1.0%。

2.3 抗菌剂添加量对PE抗菌率的影响

依据GB21551.2—2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能.抗菌材料的特殊要求》，委托第三方进行抗菌率测试，抗菌剂添加量为2%～4%，抗菌率测试结果如表4所示。

表4 抗菌率测试结果

从表4可以看出，随着抗菌剂含量的增加，抗菌率逐渐增大，当抗菌剂添加量为4%时，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均为99%，具有较好的抗菌效果。

2.4 阻燃抗菌防静电PE双壁波纹管的物理力学性能

将PE-1和阻燃剂按质量比90∶10，将PE-2、抗菌剂和防静电剂按质量比95∶4∶1，分别用高速混合机混合均匀，通过自动上料系统分别将PE-1和阻燃剂进入外层料筒，将将PE-2、抗菌剂和防静电剂进入内层料筒，内层料和外层料分别采用单螺杆挤出抗菌防霉防静电双壁波纹管，进行环刚度测试、烘箱试验和柔韧性试验，并与原有的普通PE双壁波纹管（未掺阻燃剂、抗菌剂和防静电剂）的性能进行比较，测试结果如表5所示。

表5 阻燃抗菌防静电PE双壁波纹管的物理力学性能测试结果

从表5可以看出，新型阻燃抗菌防静电PE双壁波纹管的环刚度略大于普通PE双壁波纹管，柔韧性稍差，但总体上与普通PE双壁波纹管的性能相差不大，且符合企业标准Q/MRD 017—2018要求，能够满足工程应用的需要。

3 结语

（1）针对原有PE双壁波纹管长期使用过程中容易吸附尘埃、滋生细菌、易燃等问题，通过配方优化，确定了阻燃剂、抗菌剂、防静电剂的最佳添加量，研发了新型的阻燃抗菌防静电PE双壁波纹管，其中双壁波纹管外层阻燃，内层具有抗菌、防静电效果。

（2）将双壁波纹管外层料PE-1和阻燃剂按质量比90∶10，将内层料PE-2、抗菌剂和防静电剂按质量比95∶4∶1，分别用高速混合机混合均匀，采用单螺杆挤出抗菌防霉防静电双壁波纹管。经环刚度、烘箱试验及柔韧性试验结果表明，该新型阻燃抗菌防静电PE双壁波纹管的物理力学性能与普通PE双壁波纹管接近，符合企业标准Q/MRD 017—2018要求，能够满足工程应用的需要。