PVC 管道內壁抗靜電劑的研究與應用

李志龍

（寧夏青龍塑料管材有限公司，寧夏 銀川 750021）

引言

隨著世界經濟發展的趨勢，工業化水平以及工業制造能力已經成為評價一個國家實力和繁榮程度不可或缺的重要指標，我國也圍繞實現制造強國的戰略目標，提出了“中國制造2025”。目前由于工業生產的高分子材料的迅速推廣以及靜電敏感材料的生產和使用，一些電阻率很高的高分子材料如塑料、橡膠等的制品的廣泛應用以及現代生產過程的高速化，使得靜電能積累到很高的水平。

一、概述

塑料是一種高分子化合物，具有質輕、不易銹蝕、絕緣性好等優點，廣泛運用于工業生產中。其中PVC 塑料又因使用壽命長、生產成本低而被廣泛加工成管道。2018 年，我國PVC 產量高達2400 萬噸／年，其中生產管道和配件的使用需求占45%。然而，在工業生產中廣泛使用塑料的同時，由此引發的靜電問題也對企業的安全生產造成了威脅，使企業財產受損；在工礦、化工生產、輕質油品、火藥、電子器件尤其是化工生產方向受靜電導致的安全危害也越來越突出。例如上海石化公司的2000m3 甲苯罐爆炸事故、山東石化公司的膠渣罐安全事故以及撫順石化公司的航煤罐爆炸等事故都是由于靜電而產生的火災爆炸事故；2015 年江蘇PVC 制造廠出現閃燃火災；2019 年東北石化公司在塑料裝置包裝作業環節中發生爆炸事故。因此，如何消除塑料產生的靜電已成為該行業發展中需要解決的重要難題。對于化工制造行業中防止產生靜電的措施一般都是改造起電強烈的工藝環節，采用起電較少的設備材料等，或是用導線把設備接地（等電位連接）等等。在實際生產中，對于粒狀顆粒的輸送仍舊需要使用管道運輸的方式進行，屬于典型的氣固兩相流。使用金屬管道雖然可以通過接地的方式釋放靜電，但是管道在長時間使用過程中可能會出現生銹腐蝕等問題。因此部分化工企業仍舊選擇使用PVC 管道進行物料輸送，既能減少生產成本，又能防止管道生銹腐蝕。然而管道內壁由于物料高速摩擦產生的靜電無法及時釋放，容易形成隱患。如果使用加濕管道內壁的方法，可能又會產生濕料，影響運輸效果。然而，對于化工制造行業中防止產生靜電的措施一般有如下方法。例如，改造起電強烈的工藝環節，阻斷靜電發生的事故鏈就能避免事故發生；又如對油氣船和化工碼頭，使用等電位接地的方法消除靜電；對石油儲罐內壁添加導電金屬粉末涂料；在易產生粉末的加工過程中使用加濕器減少靜電等。而對于氣固兩相流模型，如粉料在管道的輸送過程中，管道內壁與物料的高速摩擦極易產生靜電，形成隱患。而如果使用加濕管道內壁的方法，可能又會產生濕料，影響運輸效果。國內外學者對PVC、表面活性劑、抗靜電開展了以下研究：當導電云母粉用量為15.0phr 時，改性PVC 糊的抗靜電性能較好；當有機紅144 質量分數為1.2%時，著色抗靜電PVC 糊的著色性能較優；通過使用TCT（三聚氯氰）－M－2070（聚醚胺）用量3%（owf）的方法來改性羊毛表面，使羊毛表面具有耐久的抗靜電性；使用Gemini表面活性劑可以實現良好的抗靜電效果；通過使用線性AEP，可以實現良好的抗靜電效果；通過研究指出了四種不同疏水鏈長度的陽離子雙子表面活性劑（C12－CCB、C14－CCB、C16－CCB 和C18－CCB）都具有優良的抗靜電性能。經研究發現咪唑基丙烯酸酯聚合物涂層可以使物體表面具有相當不錯的抗靜電能力。通過添加石墨烯／二氧化鈦來提高PVC 薄膜的抗靜電性能。傳統的消除靜電方法并不適用于對PVC 管道，經查閱資料和分析討論后，本實驗嘗試使用合適PVC 管道運輸的抗靜電劑來消除靜電。抗靜電劑是一類添加在樹脂或涂布于高分子材料表面以防止或消散靜電荷產生的化學添加劑。抗靜電劑自身沒有自由活動的電子，屬與表面活性劑范疇，它通過離子化基團或極性基團的離子傳導或吸濕作用構成泄漏電荷通道降低電阻率和體積電阻率，適度增加導電性，從而防止制品上積聚靜電荷的物質，主要應用于塑料及纖維等高分子材料。一般通過將抗靜電劑加在樹脂中或涂敷于制品表面，起到消除PVC 管道內壁的靜電的作用，故而能減少生產過程中的安全隱患，最終達到提高工業生產的安全性的目的。

二、實驗方法

（一）實驗時間及地點

本實驗旨在探究PVC 管道內壁靜電產生后使用消除手段消除靜電，由于靜電的測量受大氣環境影響，當空氣或物料潮濕時不易產生靜電。因此，必須保證實驗過程中處于干燥環境。

（二）試劑選用及實驗設備

1.試劑選用及制備

SAS－60 水溶液和SN 水溶液配制：用容量瓶分別配制0.5 mol／L兩種試劑，為使涂層更好的附著在管道內壁，在配好的兩種溶液中按溶液體積20:1 比例添加環己酮。值得注意的是，由于環己酮與塑料互溶且有強烈刺激性氣味，配好的環己酮溶液不能存放于塑料容器中。需使用玻璃噴壺，并定期更換。乙醇乙二醇溶液配制：將1000ml 乙二醇與500ml無水乙醇混合，再加入0.2 g酚酞，用0.1mol／L 的氫氧化鈉溶液加入無水乙醇溶液中至溶液顏色呈紅色。同時注意該溶液需現用現配，并有防潮措施。

2.實驗材料及儀器（1）實驗材料本實驗選用額定電壓為220V、最大功率為2KW 的空壓風機作為動力設備。實驗選用的塑膠顆粒為操場中常用的塑膠顆粒，形狀不均，更易產生靜電，利于實驗進行，且價格低廉。PVC 管道選用市售品牌，外徑50mm，長度1.5m。為保證實驗效果，不選用復合型PVC 管。空壓風機吹動管道中的塑膠顆粒更貼合實際生產環境中物料運輸。（2）實驗儀器。測量設備選用埃用TronovoTR7300 型靜電測試儀，測量距離在25mm 內，測量范圍在－20KV～＋20KV 之間，量程在小數點后一位。同時，感應器旁邊的兩個LED 燈是用來幫助定位測量儀到電荷體之間的距離，使用之前需要儀器校準。

（三）實驗方案

1.實驗內容溫濕度環境相同情況下，使用空壓機將塑膠顆粒吹過附著三種表面活性劑的PVC管道，測量管道內壁靜電量前后的變化情況；在一周后再次測量管道實驗前后靜電量變化，以探究三種表面活性劑的時效性。

2.實驗步驟

操作之前確保設備完好，測試環境干燥，靜電測試儀已接地校準。（1）對涂有三種不同涂層的管道分別標記，A 組代表含SAS－60 溶液涂層的管道，B 組代表含SN 溶液涂層的管道，C 組代表乙二醇乙醇溶液涂層的管道。并設立對照空白組管道，標記為D 組。（2）實驗開始前，先進行測量管道內壁靜電電壓值，測量方法為測量內壁三個不同點分別記錄后求三點的平均值并記錄（取值精確到小數點后三位）。（3）取25g 橡膠顆粒，堆放在管道D的左側，之后在左側連接風機，右側對橡膠顆粒進行回收，同時記錄對照空白組D組的靜電值。（4）接通風機，使顆粒在風力作用下與管道內壁產生摩擦，直至所有顆粒輸送完畢。（5）關閉風機，使用靜電測試儀分別測量管道左側和右側內壁靜電值并記錄。（6）同第2～5 步，先進行實驗前測量后另取25g 橡膠顆粒，堆放在管道A的左側，直至所有顆粒輸送完畢。（7）對B、C 實驗組管道重復第2～5 步操作，同時記錄。

三、結果分析

空白對照組實驗對比了兩個時間測量的三組數據的平均值。在PVC 管未使用任何表面活性劑時，在實驗前初始靜電電壓值相比在塑膠顆粒通過管道后，明顯的靜電電壓值升高。經檢驗結果可知：

（1）當對比SN 組與空白對照組和SAS－60 組時可明顯看出，SN 組無論是實驗前還是實驗后，靜電電壓值都明顯偏小數十倍，且實驗前后的左右兩端靜電電壓值基本不變；由數據可知，SN 試劑作為防靜電表面活性劑最為理想。（2）說明乙醇乙二醇組數據無論是實驗前、后靜電電壓值明顯偏大；由于乙醇乙二醇溶液具有揮發性，由實驗數據可看出乙醇乙二醇組附著管道內壁含量明顯含量變少，故抗靜電能力下降。實驗后較實驗前發現靜電值不降反升，可得乙醇乙二醇只能進行短時抗靜電作用，且抗靜電能力差于SAS－60 試劑。

結語

傳統的研究方式傾向于對管道流體直接進行靜電測量，這種方式對儀器要求精度更大，花費更高；還有的研究方法是將輸送過的物質通過法拉第筒與測量儀相連接，從而讀出傳輸物質的靜電數據，但這種方式對操作性要求極高。本次試驗不同于傳統的工業生產設計，通過使用噴涂的方式制作管道涂層，直接對管道內壁表面進行靜電檢測。大大降低了實驗操作的難度。在工業生產過程中，管道的涂層多使用涂布機進行表面處理。通過熱干固化等技術可以使表面活性劑更牢固的附著在管道表面。或是在注塑過程中加入助劑，直接生產出具有特殊性質的塑料原材料，進而加工成其他產品。而本實驗使用的是噴涂的方法制作涂層，也可能無法保證涂層覆蓋的均勻性。本實驗是一種創新的方式對材料進行改性研究，且研究規模可控。本實驗可為PVC 管道安全運輸物料等方向提供理論指導作用。