阻燃抗静电PE管材料加工工艺研究

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前言    近期煤炭部出台了关于煤炭行业安全的新举措，强制执行煤矿井下使用阻燃抗静电产品代替金属管。塑料管材有耐酸、耐碱、耐油、耐腐蚀、重量轻、成本低、服务年限长(约为钢的2.5倍)等优点，这是钢管所不能比拟的。但塑料管材极易产生静电，静电的积累可能导致静电火花放电，从而可能成为井下煤尘或瓦斯爆炸的点火源；塑料管材还有易燃、耐压和耐冲击性较低的缺点。为使煤矿井下用塑料管材安全地、可靠地替代钢管，必须进行阻燃、抗静电和机械性能方面的改性。对聚乙烯来说，阻燃改性一般采用低毒高效的卤系阻燃剂，其中尤以溴系阻燃剂的阻燃效果最好，同时与通过处理的辅助阻燃剂复合使用，可大大提高聚乙烯的阻燃效果。抗静电性的提高则采用导电粉体与有机抗静电剂复配，只要解决各种助剂的相容性，就能达到很好的阻燃抗静电效果。目前阻燃抗静电PE管材料的多数采用溴系阻燃体系和导电碳黑为主要改性剂，导电碳黑重量轻，比表面积大，导电效果好，但其污染大、加工性差，不利于规模化生产。为此，开展阻燃抗静电PE管材料的加工工艺研究尤为重要。
    本文针对阻燃抗静电PE体系中助剂添加量大、不易分散等问题进行了研究，分别采用一步加工法、两步加工法和母料直接加入成型法对阻燃抗静电PE管材料的加工和挤管成型加工等工艺进行了研究，结果表明：采用两步加工法加工生产的阻燃抗静电PE管材料分散性好、产品性能稳定，无污染、有利于大规模化生产。
    试验部分
    原材料
    PE树脂(大庆石化公司)；导电碳黑(进口)；主、辅阻燃剂(国产)；分散剂(大庆龙新化工厂)；抗氧剂1010、168(国产)；其它助剂(国产)。
    试验设备
    1)高速混合机(SHR-10A)，张家港大江机械有限公司；2)高速混合机(SHR-50A)，张家港亿利机械有限公司；
    3)双螺杆造粒机组(TE-35)，南京科亚股份有限公司；
    4)双螺杆造粒机组(TE-65)，南京科亚股份有限公司；
    5)65挤管机组(SJ65)，成都塑料机械模具厂。
    检测仪器
    1)万能材料试验机(5567)，美国INSTRON公司。
    2)熔体流动速率仪(69320001)，意大利CEAST公司。
    3)高阻计(ZC36)，上海精密仪器厂。
    4)酒精喷灯，自制。
    5)管材耐压试验机(ZNY-16)，深圳新三思有限公司。
    6)电子扫描电镜(JSM-6360LA)，日本岛津。
试验方法    1)一步加工法：将配方中所有组份按照一定的比例计量，然后于高速混合机中混合，经双螺杆挤出机挤出造粒。工艺简单，加工成本低。
    2)阻燃抗静电母料的加工：将配方中所有助剂成份按比例提取、计量，添加一定量的PE载体，经融熔密炼混合、挤出造粒而成。母料可直接比例添加PE树脂挤管成型。
    3)两步加工法：是将阻燃抗静电PE管材料的加工分两步进行，先将配方中的助剂组份先进行浓缩、制成双抗母料，然后将母料与树脂按比例掺混，再经双螺杆挤出机挤出造粒。加工成本较高，但产品分散性好。
    结果与讨论
    一步法和二步法加工造粒试验对比分析
    本研究分别采用一步加工法和两步加工法进行阻燃抗静电PE管材料的造粒加工试验，其加工工艺及造粒试验情况分别见表1和表2。
    由表2中可以看出，一步加工法生产的阻燃抗静电PE管材料粒子外观不好，表面无光、有气孔，FR值较大、断裂伸长率低，达不到煤碳行业标准MT558，1-2005伸长率指标≥300%的要求，这主要原因是大量的无机粒子与PE树脂界面相容性不好、分散不均匀造成；采用两步加工法加工，由于大量无机助剂经过密炼强制预分散处理后再经双螺杆挤出造粒，因此粒子表面光亮、无气孔，FR值小，断裂伸长率高，一般均在400%以上，达到行业标准要求。从造粒试验过程角度看，一步加工法造粒存在架桥现象、易断条，并且采用高速混合机混合污染严重，不利于规模化生产。
    表1  阻燃抗静电PE管材料造粒加工工艺条件

工艺	造粒加工温度(℃)						熔体压力MPa	主机转速HZ	喂料速度HZ
加工法	Ⅰ区	Ⅱ区	Ⅲ区	Ⅳ区	Ⅴ区	机头
一步加工法	170	178	183	189	185	182	0.19	40	18
两步加工法	170	175	180	185	185	180	0.15	40	18

    表2  双螺杆挤出机造粒试验情况

方法/性能	熔流比FR	断裂伸长率%	粒子外观	挤出造粒情况	混合试验情况
一步加工法	5.2	150-260	粒子有气孔、表面无光	存在架桥现象、易断条	碳黑灰尘大、污染严重
两步加工法	3.8	≥400	粒子有面好、光亮	无架桥、断条现象	均为粒料混合、无污染

    表3  挤出成型管材加工工艺条件

加工温度(℃)			主机转速（HZ）	真空度	牵引速度（HZ）
进料段	熔融塑化段	机头
170-180	180-190	185-190	17.5	0.3	12

    从扫描电子显微镜图中可以进一步看出，两步加工法生产的阻燃抗静电PE料体系中组份分布均匀(见图2略)产品性能稳定，而一步加工法生产的阻燃抗静电PE料混合炼效果不好，各组份分布不均匀、出现团聚或断层(见图1略)，从而导致产品性能不稳。
不同方法加工的阻燃抗静电PE管材料挤管试验情况    对一步加工法和两步加工法加工的阻燃抗静电PE管材料及母料与PE直接掺混的试验料分别进行挤出成型管材试验，挤管加工工艺条件及管材性能检测结果分别见表3、表4。
    从表4中可以看出，一步加工法加工的阻燃抗静电PE料挤出成型后的管，除拉伸强度和有焰燃烧达到标准要求外，其它性能均未达到指标要求；母料+PE掺混料挤管，管内外表面电阻算数平均值和酒精喷灯无焰燃烧未达标准要求；而采用两步加工法的产品性能均标准要求。从聚合物改性分散机理分析，阻燃抗静电PE中需加入一定量的阻燃剂和导电碳黑才能使材料达到较好的阻燃、抗静电效果，导电碳黑质轻、粒径小、比表面积大，在材料表面均匀分布形成致密的碳导电网络，从而起到抗静电作用；当分散不匀产生团聚时，则形不成完整的、致密的导电网络，使材料的抗静电，，哇降低，此时增大助剂的用量可以改善抗静电性能，但无机助剂用量的增大会使材料的力学性能下降，并且成本提高。因此，在阻燃抗静电PE体系中，助剂的分散直接影响到材料的性能。
    表4  双螺杆挤出机造粒试验情况

方法\性能	煤碳部标准MT558.1-2005	一步加工法	母料+PE掺混	两步加工法
拉伸强度	≥39.0	16.2	18.3	18.9
断裂伸长率%	≥300	220	430	480
内外表面电阻算数平均值	≤1.0×106	5.1×108	3.8×107	0.8×106
酒精喷灯燃烧	有焰燃烧，6根算数平均值≤3s，单根≤10s	○	○	○
	无焰燃烧，6根算数平均值≤20s；单根≤60s	●	●
偏平试验	压至内径重合无裂纹，无破坏	●	○	○
液压试验，二倍使用压力	保持5min无渗漏，无破坏	●	○	○

    ○表示通过  ●表示未通过
    结论
    1)在阻燃抗静电PE管材料加工过程中，加工方法及加工工艺对材料的分散性和性能影响较大。
    2)采用两步加工法加工阻燃抗静电PE管材料，体系分散性好，产品性能稳定，无粉尘污染，有利于规模化生产。