一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料及其製備方法
2023-07-28 16:22:51
一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料及其製備方法，包括聚氯乙烯(PVC)樹脂100份，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)5-20份，增容劑2-10份，炭納米管0.5-2份，石墨烯0.5-2份，熱穩定劑2-6份，潤滑劑1-2份，加工助劑2-10份。方法包括：將碳納米管和石墨烯混合物與部分PVC樹脂按照比例製備導電填料/PVC複合粉體材料；將得到的導電填料/PVC複合粉體材料、剩餘的PVC樹脂、ABS、增容劑、熱穩定劑、潤滑劑、加工助劑進行高速混合，得到複合物；將混合後的複合物置於錐形雙螺杆擠出機中分段設溫擠出造粒，既得煤礦用抗靜電阻燃複合材料。製備的PVC複合材料不僅具有較高的機械力學性能，同時具備優異的抗靜電、阻燃特性，是一種可用於煤礦井下的加工性能良好的高分子複合材料。
【專利說明】一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及塑料改性【技術領域】，具體地說是一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料的制 備方法。
【背景技術】
[0002] 不含增塑劑的PVC材料具有難燃、力學強度高、耐腐蝕等優異性能，然而由於其較 高的電絕緣性，表面易積累靜電，導致其難以在含有粉塵和易燃氣體的煤礦井下使用，為了 解決這一問題，需要改善PVC材料的抗靜電性能。一般認為IO 8Q的表面電阻是防止靜電 積聚的最低限度，國家安全生產監督管理總局於2009年發布的AQ1071-2009《煤礦用非金 屬瓦斯輸送管材安全技術要求》指出非金屬瓦斯輸送管材的內、外壁表面電阻值的算術平 均值均不得大於1. 〇 X IO6 Q。
[0003] PVC樹脂主要通過添加導電助劑來提高複合材料的抗靜電性能，這類導電助劑包 括抗靜電劑，金屬類材料和炭類材料。抗靜電劑實質上是一類表面活性劑，依靠在材料表面 形成導電膜改善抗靜電性能，其抗靜電性受環境溫度，溼度影響較大，故不適宜在煤礦井下 使用。將金屬粉末添加在PVC樹脂中，可以大幅降低材料的電阻率，但同時材料的力學強度 和韌性會受到極大影響。目前，針對PVC複合材料抗靜電改性研究應用最多的方法是在PVC 中加入炭類材料，例如炭黑、石墨、碳纖維等。通常，只有炭黑添加量大於基體樹脂用量的 10%時複合材料的抗靜電性才能達到煤礦用PVC管材使用要求。然而由於PVC樹脂是一種 高熔體粘度同時加工溫度範圍比較窄的材料，加之如此高含量的炭黑填充，導致抗靜電PVC 複合材料的擠出加工十分困難。為了改善炭黑填充PVC材料的加工性能，通常的方法是向 組合物中添加一定量的液體助劑，如氯化石蠟，白油、環氧大豆油、鄰苯二甲酸二辛脂等，並 且添加量較高一般在10-30份之間。而液體增塑劑的加入勢必大大消弱PVC複合材料的阻 燃性能。如何在抗靜電性能、阻燃性能和可加工性之間找到相對的平衡，是以往研究人員的 關注重點。
[0004] CNl 133228A (申請公布日1996年10月16日）專利中設計了一種煤礦井下電纜 掛鈎用的抗靜電阻燃增強聚氯乙烯材料，其使用的抗靜電劑為季銨鹽型陽離子表面活性劑 SH-105,其分子結構中的親水基團會在塑料表面形成一層水膜，靜電沿水膜被導出。
[0005] CN1133872A(申請公布日1996年10月23日）專利中設計了一種煤礦井下用抗靜 電，抗燃燒塑料管用組合物，其使用的抗靜電劑為乙炔炭黑、石墨等。在配方中添加不少於 10份炭類材料的同時，體系中加入了高於6份的苯二甲酸二丁酯以及大豆油等增塑劑。
[0006] CNlO 1096587A (申請公布日：2008年1月2日）專利中設計了 一種由助容劑、載 體、加工助劑和導電填料組成，經捏煉，造粒製備出的抗靜電母料。該母料在與PVC樹脂等 物料幹混，擠出塑煉，最後經多層共擠出機頭與適當的芯層複合，製造出煤礦用高機械強度 的各類管材。母料技術及多層擠出製備工藝可以明顯減少導電填料的用量。
[0007] CN1562623A(申請公布日：2005年1月12日）專利中設計了一種阻燃抗靜電聚氯 乙烯多層複合管材，其中至少在芯層或芯層與外皮層的間層含有增強纖維或其編織物，內 外層材料通過塗覆一層具有抗靜電和阻燃性的塗層實現其在煤礦井下的應用。
[0008] 上述方法採用有機抗靜電劑受環境溼度影響較大，導致其應用在煤礦井下存在一 定的安全隱患。通過在管材內外表面塗覆抗靜電塗層,並不能解決PVC材料永久抗靜電的 問題，隨著塗層的磨損或破壞，複合材料將失去抗靜電性能。大量添加炭類填料可以解決 PVC複合材料永久抗靜電的問題，但材料的難加工特點以及添加增塑劑後材料的阻燃性能 不佳又會成為制約相關材料應用的主要障礙。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是提供一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料，該複合材料不僅具有較高 的機械力學性能，同時具備優異的抗靜電、阻燃特性，是一種可用於煤礦井下的加工性能良 好的高分子複合材料。材料可用於製備煤礦用通風管，輸水管以及瓦斯抽採管道，礦用電纜 護套管，電纜掛鈎，煤礦用板材，煤礦輸送裝置用PVC鋼化託輥等。
[0010] 本發明進而提供了一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料的製備方法。
[0011] 為了實現上述目的，本發明採用了以下的技術方案：
[0012] 一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料，該複合材料包括下述質量比的原料：
[0013] 聚氯乙烯（PVC)樹脂100份，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS) 5-20份，增容 劑2-10份，炭納米管0. 5-2份，石墨烯0. 5-2份，熱穩定劑2-6份，潤滑劑1-2份，加工助劑 2-10 份。
[0014] 進一步地，所述增容劑為氯化聚乙烯（CPE)、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共 聚物（MBS)或丁腈橡膠（NBR)中的一種。
[0015] 進一步地，所述熱穩定劑為鹼式鉛鹽類穩定劑、金屬皂類穩定劑以及有機錫穩定 劑中的一種或多種。
[0016] 進一步地，所述鹼式鉛鹽類穩定劑為三鹼式硫酸鉛、二鹼式亞磷酸鉛或二鹼式硬 脂酸鉛；所述金屬皂類穩定劑為月桂酸鋇、硬脂酸鋅、月桂酸鈣、以及鋇-鋅複合、鈣-鋅復 合穩定劑；所述有機錫穩定劑為甲基硫醇錫。
[0017] 進一步地，所述潤滑劑為硬脂酸、硬脂酸甘油酯、石蠟或聚乙烯蠟中的一種或多 種。
[0018] 進一步地，所述加工助劑為丙烯酸酯類聚合物（ACR)或熱塑性聚氨酯（TPU)中的 一種。
[0019] 相應地，本發明還給出了一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料製備方法，包括以下工 藝步驟：
[0020] A.首先將質量比為0. 5-2份碳納米管和0. 5-2份石墨烯混合物與100份聚氯乙烯 (PVC)樹脂的一部分按照1:20的比例，進行準確稱量，使用固相剪切碾磨法製備導電填料/ PVC複合粉體材料。
[0021] B.按照質量比將A步驟中得到的導電填料/PVC複合粉體材料、剩餘的聚氯乙烯 (PVC)樹脂、5-20份丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS)、2-10份增容劑、2-6份熱穩定 劑、1-2份潤滑劑、2-10份加工助劑加入高速混合機中，進行高速混合12-15min，得到複合 物；
[0022] C.將B步驟中得到的高速混合後的複合物加入到錐形雙螺杆擠出機中分段設溫 擠出造粒，既得煤礦用抗靜電阻燃複合材料。
[0023] 進一步地，所述擠出機的分段溫度範圍分別為150_165°C，160_175°C，170_180°C， 螺杆轉速範圍為10-30轉/分，口模溫度為170-180°C。
[0024] 進一步地，所述抗靜電阻燃複合材料的拉伸強度不低於39MPa，缺口衝擊強度不低 於16KJ/m 2,塑化扭矩低於37N*m，表面電阻值不大於LOXlO6L
[0025] 本發明充分利用不含增塑劑的PVC材料具備難燃的特性，通過固相剪切碾磨法將 石墨烯及碳納米管的組合物與PVC形成納米複合，而後與其他助劑高速混合，利用雙螺杆 擠出機製備抗靜電阻燃性能良好的複合材料。
[0026] 本發明的有益效果是，由於複合材料中不含增塑劑，進而很好保持了 PVC樹脂優 異的阻燃性，同時少量碳納米管與石墨烯組合物的加入又能在不影響複合材料加工流動性 能的前提下大大提高其抗靜電性能。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0028] 本發明煤礦用抗靜電阻燃複合材料製備方法，包括下述步驟：
[0029] A.首先將質量比為0. 5-2份碳納米管和0. 5-2份石墨烯混合物與100份聚氯乙烯 (PVC)樹脂的一部分按照1:20的比例，進行準確稱量，使用固相剪切碾磨法製備導電填料/ PVC複合粉體材料。
[0030] B.將A步驟中得到的導電填料/PVC複合粉體材料、剩餘的PVC樹脂、5-20份ABS、 2-10份增容劑、2-6份熱穩定劑、1-2份潤滑劑、2-10份加工助劑加入高速混合機中，進行高 速混合12-15min，得到複合物。
[0031] C.將B步驟中得到的高速混合後的複合物加入到錐形雙螺杆擠出機中擠出造粒， 擠出機的三段溫度範圍分別為150-165°C，160-175°C，170-180°C，螺杆轉速範圍為10-30 轉/分，口模溫度為170_180°C，擠出造粒製備出煤礦用抗靜電阻燃複合材料。
[0032] 上述增容劑為氯化聚乙烯（CPE)、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物（MBS) 或丁腈橡膠（NBR)中的一種。
[0033] 上述熱穩定劑為鹼式鉛鹽類穩定劑、金屬皂類穩定劑以及有機錫穩定劑中的一種 或多種。
[0034] 其中，鹼式鉛鹽類穩定劑為三鹼式硫酸鉛、二鹼式亞磷酸鉛、二鹼式硬脂酸鉛等； 金屬皂類穩定劑為月桂酸鋇、硬脂酸鋅、月桂酸鈣、以及鋇-鋅複合、鈣-鋅複合穩定劑等； 有機錫穩定劑為甲基硫醇錫。
[0035] 上述潤滑劑為硬脂酸、硬脂酸甘油酯、石蠟或聚乙烯蠟。
[0036] 上述加工助劑為丙烯酸酯類聚合物（ACR)或熱塑性聚氨酯（TPU)。
[0037] 下面給出具體實施例來進一步說明本發明製備方法。
[0038] 表1實施例1-5 (下述材料以質量比計）
[0039]
【權利要求】
1. 一種煤礦用抗靜電阻燃複合材料，其特徵在於，該複合材料包括下述質量比的原 料： 聚氯乙烯樹脂100份，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物5-20份，增容劑2-10份，炭納 米管0. 5-2份，石墨烯0. 5-2份，熱穩定劑2-6份，潤滑劑1-2份，加工助劑2-10份。
2. 根據權利要求1所述煤礦用抗靜電阻燃複合材料，其特徵在於，所述增容劑為氯化 聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物或丁腈橡膠中的一種。
3. 根據權利要求1所述煤礦用抗靜電阻燃複合材料，其特徵在於，所述熱穩定劑為鹼 式鉛鹽類穩定劑、金屬皂類穩定劑以及有機錫穩定劑中的一種或多種。
4. 根據權利要求3所述煤礦用抗靜電阻燃複合材料，其特徵在於，所述鹼式鉛鹽類穩 定劑為三鹼式硫酸鉛、二鹼式亞磷酸鉛或二鹼式硬脂酸鉛；所述金屬皂類穩定劑為月桂酸 鋇、硬脂酸鋅、月桂酸鈣、以及鋇-鋅複合、鈣-鋅複合穩定劑；所述有機錫穩定劑為甲基硫 醇錫。
5. 根據權利要求1所述煤礦用抗靜電阻燃複合材料，其特徵在於，所述潤滑劑為硬脂 酸、硬脂酸甘油酯、石蠟或聚乙烯蠟中的一種或多種。
6. 根據權利要求1所述煤礦用抗靜電阻燃複合材料，其特徵在於，所述加工助劑為丙 烯酸酯類聚合物或熱塑性聚氨酯中的一種。
7. -種煤礦用抗靜電阻燃複合材料製備方法，其特徵在於，該方法包括以下工藝步 驟： A. 首先將質量比為0. 5-2份碳納米管和0. 5-2份石墨烯混合物與100份聚氯乙烯樹脂 的一部分按照1:20的比例，進行準確稱量，使用固相剪切碾磨法製備導電填料/PVC複合粉 體材料； B. 按照質量比將A步驟中得到的導電填料/PVC複合粉體材料、剩餘的聚氯乙烯樹脂、 5-20份丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、2-10份增容劑、2-6份熱穩定劑、1-2份潤滑劑、 2-10份加工助劑加入高速混合機中，進行高速混合12-15min，得到複合物； C. 將B步驟中得到的高速混合後的複合物加入到錐形雙螺杆擠出機中分段設溫擠出 造粒，既得煤礦用抗靜電阻燃複合材料。
8. 根據權利要求7所述的煤礦用抗靜電阻燃複合材料製備方法，其特徵在於，所述擠 出機的分段溫度範圍分別為150_165°C，160-175°C，170-180°C，螺杆轉速範圍為10-30轉/ 分，口模溫度為170_180°C。
9. 根據權利要求7所述的煤礦用抗靜電阻燃複合材料製備方法，其特徵在於，所述抗 靜電阻燃複合材料的拉伸強度不低於39MPa，缺口衝擊強度不低於16KJ/m 2,塑化扭矩低於 37N · m，表面電阻值均不大於1. 0 X ΙΟ6 Ω。
【文檔編號】B29C47/92GK104292699SQ201410564540
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】馬建華, 鄭化安, 付東升, 雷瑞, 李欣, 袁聰, 孫欣新 申請人:陝西煤業化工技術研究院有限責任公司