燃氣管用抗靜電聚乙烯復(fù)合材料的制備及性能研究

秦小梅，彭曉翊，李白千，王　軍，鄭　成，王浩江，劉　煜

(1 佛山市日豐企業(yè)有限公司，廣東佛山 528000；2 廣州大學(xué)，

廣東廣州 510006；3 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

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燃氣管用抗靜電聚乙烯復(fù)合材料的制備及性能研究

秦小梅1，彭曉翊1，李白千1，王軍1，鄭成2，王浩江3，劉煜3

(1 佛山市日豐企業(yè)有限公司，廣東佛山 528000；2 廣州大學(xué)，

廣東廣州 510006；3 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

摘要：通過將十四烷基甲基二羥乙基溴化銨(TMDAB)、甜菜堿和導(dǎo)電炭黑復(fù)配，得到高效持久的復(fù)合抗靜電劑，利用其對聚乙烯進行改性，從而研制出新型抗靜電聚乙烯復(fù)合材料，進一步開發(fā)出新型抗靜電聚乙烯管材，消除靜電帶來的安全隱患，擴大其在燃氣管領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：抗靜電劑，聚乙烯，表面電阻率，燃氣管

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高分子材料在生產(chǎn)和生活中得到越來越多的廣泛的應(yīng)用。因為高分子材料大多為優(yōu)良的絕緣材料，因此在其使用過程中產(chǎn)生的靜電給各個工業(yè)部門和人類帶來的影響也越來越突出。這種靜電是由于摩擦、擠壓等原因使復(fù)合材料制品表面積累電荷所致。靜電積累到一定程度，就會引起靜電放電，導(dǎo)致生產(chǎn)障礙、火災(zāi)、爆炸現(xiàn)象的發(fā)生，給人身安全和社會帶來巨大的危害和經(jīng)濟損失。因此，靜電危害及抗靜電技術(shù)的應(yīng)用正日益受到重視，抗靜電復(fù)合材料成為近年來的研究熱點[1-3]。

在塑料管道行業(yè)，聚烯烴以其質(zhì)輕、無毒、成型加工容易、性價比高等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用，正逐漸取代壽命短、高能耗的傳統(tǒng)鋼管管材。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展、環(huán)境保護及節(jié)能降耗需求的增大，聚烯烴管材越來越多地被應(yīng)用于排水管網(wǎng)、給水管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)的建設(shè)中。但由于聚烯烴屬于電絕緣材料，管材表面容易積累靜電荷，當輸送易燃易爆流體時，可能引起火災(zāi)或爆炸，存在較大的安全隱患。

目前，對聚烯烴管材抗靜電性的研究大多集中在聚氯乙烯管(PVC)方面，并同時研究其阻燃性能，得到抗靜電阻燃PVC管材，主要應(yīng)用于煤礦、金屬礦等礦井下排水、通風、排氣等。針對聚乙烯管材抗靜電性能的研究還相對較少，且大多通過添加導(dǎo)電炭黑來達到抗靜電的目的。導(dǎo)電炭黑雖然重量輕、比表面積大、導(dǎo)電效果好，但通常添加量較大，一般在5%~20%范圍內(nèi)，才能使管材的表面電阻率小于109Ω，從而達到抗靜電的效果。由于其添加量較大而存在分散困難的問題，不利于規(guī)模化生產(chǎn)。針對以上問題，本文通過研究導(dǎo)電炭黑與抗靜電劑復(fù)配體系，開發(fā)出一種新型抗靜電聚乙烯復(fù)合材料，該材料可用于生產(chǎn)具有抗靜電功能的燃氣管，消除靜電帶來的安全隱患[4-5]。

1實驗

1.1　原料與儀器

中密度聚乙烯(MDPE)，HHM3802，雪佛龍菲利普斯化工有限公司；線性低密度聚乙烯(LLDPE)，7144，茂名石化；導(dǎo)電炭黑，VXC-72R，美國卡博特公司；十四烷基甲基二羥乙基溴化銨(TMDAB)，由廣州大學(xué)合成，分析純；甜菜堿，市售；納米碳酸鈣，市售；抗氧化劑1010、168，寧波金海雅寶化工有限公司，工業(yè)級；蒸餾水，自制；脫脂棉，市售。

高速混合機，張家港市晨星機械有限公司，SHR 10A；雙螺桿擠出機，SJSH-Z-30型，長徑比36，螺桿直徑30mm，中國/南京橡塑機械廠；HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀，XSS300，上海輕機模具廠；雙層電熱平板硫化機，XLB-D 350×350×2，廣東省番禺橡膠機械廠；高阻計，ZC-90，上海太歐電子有限公司；熔融指數(shù)測試儀，ZRZ1452，深圳新三思；微機控制萬能試驗機，CHT4305，深圳新三思；差示掃描量熱儀(DSC)，Q20，美國TA公司；高壓耐壓爆破試驗機，ZNY-50B，深圳新三思。

1.2　新型抗靜電聚乙烯復(fù)合材料的制備

(1)母料的制備

將TMDAB、甜菜堿用一定量納米碳酸鈣吸附，在高速混合機中與7144樹脂粉、抗氧劑等混合均勻，再經(jīng)雙螺桿擠出機擠出造粒，分別制得TMDAB含量為15%、甜菜堿含量為10%的抗靜電母粒。其制備工藝如圖1所示。

圖1　抗靜電母料制備工藝

(2)復(fù)合材料的制備

根據(jù)不同的配比，將3802與抗靜電母粒、導(dǎo)電炭黑在高速混合機中充分混合后，加入到HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀的混合室中進行密煉塑化，再用雙層電熱平板硫化機熔融壓片，制得抗靜電聚乙烯復(fù)合材料。

(3)管材的制備

抗靜電燃氣管材制備工藝流程如圖2所示。

圖2　管材制備工藝流程

1.3　性能測試

表面電阻率按GB/T 1040-2006測試；熔體流動速率按GB/T 3682-2000測試；力學(xué)性能按GB/T 1040.2-2006測試；氧化誘導(dǎo)期(OIT)測試按GB/T 17391-2003測試；管材基本性能按GB/T 18997.1-2003測試。

2結(jié)果與討論

2.1　導(dǎo)電炭黑含量的確定

聚乙烯樹脂的熱穩(wěn)定性是影響管材使用壽命的重要參數(shù)之一。導(dǎo)電炭黑含量對聚乙烯樹脂的影響如圖3所示。從圖3可以看出，隨著導(dǎo)電炭黑含量的增加，雖然聚乙烯的表面電阻率迅速下降，但其氧化誘導(dǎo)期(OIT)也隨之下降，說明導(dǎo)電炭黑對聚乙烯樹脂的熱穩(wěn)定性影響顯著。當炭黑含量為質(zhì)量分數(shù)2.5%時，OIT為60.8min，已接近原材料指標要求的下限(60min)。因此，綜合考慮性能、成本、加工等因素，本研究將導(dǎo)電炭黑添加量確定為質(zhì)量分數(shù)2.5%。

圖3　炭黑含量對聚乙烯表面電阻率、氧化誘導(dǎo)期

2.2　復(fù)配抗靜電體系對聚乙烯抗靜電性能的影響

TMDAB、甜菜堿抗靜電劑含量分別選擇質(zhì)量分數(shù)0.5%、1.0%、1.5%，通過正交設(shè)計，與聚乙烯樹脂、2.5%導(dǎo)電炭黑熔融混合，制備抗靜電聚乙烯復(fù)合材料。表1為各配方的表面電阻率測試情況。從表1可知，添加復(fù)配體系后材料的表面電阻率進一步降低，說明各組份具有協(xié)同抗靜電效果。TMDAB、甜菜堿含量分別為1.5%、1.5%時，材料的表面電阻率可達1.18×108Ω，達到本項目預(yù)期指標要求，抗靜電效果優(yōu)良。

表1　聚乙烯復(fù)合材料表面電阻率測試結(jié)果

2.3　抗靜電聚乙烯復(fù)合材料的耐久性及耐水洗性

抗靜電劑與PE的相容性具有一定限度，材料加工成型后，抗靜電劑傾向于由材料內(nèi)部向材料表面遷移，從而疏導(dǎo)PE表面積累的剩余電荷。由圖4可知，隨著放置時間的延長，抗靜電聚乙烯復(fù)合材料的表面電阻率雖略有增大，但始終維持在同一數(shù)量級，復(fù)合材料的抗靜電耐久性較好。此外，水洗前后材料的表面電阻率基本不變，耐水洗性優(yōu)良。這都是因為所用抗靜電劑體系與PE基體相容性好，其極性鏈段與PE分子鏈作用力較強，抗靜電劑不易快速向材料表面遷移，也不易被水沖洗帶走。

圖4　放置時間及水洗處理對聚乙烯復(fù)合材料

2.4　抗靜電聚乙烯復(fù)合材料的基本性能

針對前述研究中達到抗靜電性能預(yù)期的配方，本文根據(jù)管材用原料指標基本要求測試了熔指、屈服強度、斷裂伸長率和OIT。從表2可以看出，配方6、8、9都可滿足管材用原料指標基本要求，可擠出成管。

表2　抗靜電復(fù)合材料基本性能

2.5　抗靜電燃氣用鋁塑復(fù)合管的試制及性能

以配方9為例，結(jié)合工藝調(diào)試，試制了抗靜電聚烯烴管材，并測試管材的基本性能和表面電阻率，測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，新型抗靜電聚乙烯燃氣管材的表面電阻率為2.57×108Ω，具有良好的抗靜電效果；其基本性能符合國家標準GB/T 18997.1-2003《鋁塑復(fù)合壓力管 第1部分：鋁管搭接焊式鋁塑管》中對燃氣用鋁塑復(fù)合管材的要求。

表3　抗靜電燃氣用鋁塑復(fù)合管性能

3結(jié)論

(1)過多添加導(dǎo)電炭黑會影響管材用聚乙烯材料的熱氧性能。

(2)經(jīng)TMDAB、甜菜堿、導(dǎo)電炭黑復(fù)配體系改性的聚乙烯材料具有良好的抗靜電性能，且可滿足管材用原料指標基本要求。

(3)試制的抗靜電聚乙烯管材抗靜電效果良好，符合相應(yīng)國家標準對管材的性能要求。

參考文獻

[1] 施明，等.十八烷基二羥乙基甲基溴化銨作為聚丙烯抗靜電添加劑的研究[J].化工學(xué)報，2012，63(11)：3723-3729.

[2] 鄭成，等.十二烷基二羥乙基甲基溴化銨的抗靜電性能研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，12(1)：40-47.

[3] 劉方.高密度聚乙烯抗靜電性能的研究[J].中國工程塑料加工應(yīng)用技術(shù)研討會論文集，2002：162-165.

[4] 陳紅，等.線型低密度聚乙烯抗靜電母料的研究[J].塑料科技，2009，37(7)：55-58.

[5] 劉方，等.新型復(fù)合抗靜電劑配方的研究[J].中國塑料，2003，17(3)：36-39.

Preparation and Properties of Antistatic Polyethylene Composite Material for Gas Pipe

QIN Xiao-mei1，PENG Xiao-yi1，LI Bai-qian1，WANG Jun1，ZHENG Cheng2，WANG Hao-jiang3，LIU Yu3

(1 Foshan Rifeng Enterprises Co.，Ltd，F(xiàn)oshan 528000，Guangdong，China；2 Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China；3 Guangzhou Research Institute Co.，Ltd of synthetic materials，Guangzhou 510665，Guangdong，China)

Abstract：Antistatic agent composed of tetradecyl methyl dihydroxyethyl ammonium bromide(TMDAB)，betaine and graphitized carbon black were used to modify polyethylene in this article. Thus，a new type of antistatic polyethylene composite material was developed. Further，a new type of antistatic polyethylene pipe can be developed to eliminate the safety hazards caused by static electricity，broadening its application in gas area.

Key words：antistatic agent，polyethylene，surface resistivity，gas pipe

中圖分類號：TQ 322.2