煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料的製作方法

2023-05-23 15:11:56 1

專利名稱：煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於材料領域，特別涉及一種採用納米技術，以塑料管道代鋼製管道並且具有良好的機械性能、抗靜電、抗衝擊性的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料。
背景技術：
目前，煤礦瓦斯抽放系統大都採用鋼製管道。煤礦井下地質環境條件惡劣，空氣潮溼，井下的易燃易爆粉塵及氣體、各種腐蝕性氣體、液體物質等(如；礦化水中含大量的CL-、SO32-、CO32-等離子，PH值有的高達2-3)，使鋼製抽放管道易腐蝕(每年的腐蝕率為0.2-1.2mm)，導致鋼管使用年限短、維護費用高。另外，鋼管質量大，井下安裝效率低；在鋼管安裝過程中易碰撞產生火花，存在不安全因素。因此，研究開發阻燃抗靜電並具有較好抗衝擊性的瓦斯抽放新型塑料管道，實現以塑代鋼，是煤礦高效開採和安全生產的需要。
煤礦井下目前使用的非金屬管道主要有玻璃鋼管道，具有質輕、安裝方便的優點。但玻璃鋼管道抗衝擊韌性較差，脆性較大，很難承受意外的衝擊力，容易受到矸石或其它偶然衝擊物的破壞。
張化廷在《工程塑料應用》[1999.27(4).-13.20]中介紹了高密度聚乙烯(以下簡稱HDPE)瓦斯抽放管的研製，列舉了其抽放管的性能；錢恆河在《現代塑料加工應用》[2002.14(3).36-41]中介紹了HDPE管材的開發建議及應用前景；賈巧英在《塑料科技》[2001(2)-6-10]中介紹了納米材料及其在聚合物中的應用；馮禎祥申請的中國專利(CN1149602)介紹了抗靜電硬聚乙烯管的製造方法；淮南礦業學院申請的中國專利(CN1114607)介紹了抗靜電阻燃聚乙烯管材及其製造方法；淄博久合塑料製品有限公司申請的中國專利(CN1487014)介紹了抗靜電阻燃聚乙烯複合材料及製備方法；KOPPENS VIN在(US2002006486)中介紹了一種用作管材與管接頭材料的聚乙烯基複合材料；MIYAKI S等在《PIPIPELIE GAS JOURNAL》，1997，VolumeL221，Nombe12(DEC)，PHGC30-31，Dccemer1997中介紹了使得聚乙烯(PE)管廣泛應用的技術發展；POPELARCH在《Pipoline gas journal》(1997，Volumo224，Nmuber6，Page21-22)中介紹了PE瓦斯管安裝的方法；《INTERNATIONAL.POLYMER PROCESSING》雜誌介紹MITSUI-SETTA瓦斯用聚乙烯(PE)管(INTERNATIONAL POLYMER PROCESSING，1996，VOLUME11，Number2(JUL)，Page192-193)；MATSUOKA KIYOFUMI(日本)發明了一種用作管材及管接頭材料的聚乙烯樹脂。(US2001000255)；AGRA PLAST AS(丹麥)申請了專利一種抽放管的製造方法。(GB1091989)；TOWNSEND DAVID JAMES(德國)申請了專利一種用於瓦斯與水排放的裝置(GB2322098)；MUELLER BORGGRAEFE KG(德國)申請了專利《一種用於瓦斯抽放井的甲烷抽放管》(DE3629220)，這些文獻中記載的抗靜電阻燃聚乙烯管材的相關報導，雖然抗靜電阻燃性好，但抗衝擊性和機械性能不能達到瓦斯抽放新型塑料管道要求，實現以塑代鋼的目的。

發明內容
本發明的目的，是提供一種煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料。它耐衝擊、耐腐蝕、阻燃和抗靜電特性好，用本材料製作的塑料管道其機械性能和阻燃抗靜電性能好，並且重量輕、成本低、使用壽命長。
實現本發明的技術方案是；煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於聚乙烯抽放瓦斯管的化學成分為(以下為重量份)聚乙烯45-60份；乙烯-醋酸乙烯酯5-12份；三元乙丙膠5-15份；接枝聚乙烯1-6份；溴系阻燃劑15-25份；導電碳黑8.5-17份；納米碳酸鈣4-10份；抗氧劑0.1-0.5份和0.3-0.6份；
偶聯劑0.5-1份。
溴系阻燃劑為十溴聯苯醚或四溴雙酚A或八溴二苯醚或他溴系阻燃劑，其中十溴聯苯醚效果最好。
抗氧劑為酚類抗氧劑和和亞酸磷酯類抗氧劑。其中酚類抗氧劑為四(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸或2，2｀-亞甲基雙(4-甲基-6-叔丁基酚)或1，1，3-三(2-甲基-4-羥基-5-二叔丁基苯基)丁烷或其它烷基多酚類抗氧劑，其中四(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸效果最好；亞酸磷酯類抗氧劑為亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯或3，5-二叔丁基-4-羥基苄基膦酸雙硬脂基酯或3，5-二叔丁基-4-羥基苄基膦酸二乙酯等亞酸磷酯類抗氧劑，其中亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯效果最好。
偶聯劑為鈦酸酯聯偶劑。
本發明的鈦酸酯聯偶劑採用南京曙光化工廠生產銷售的產品。
由於在本發明中加入溴系阻燃劑，當聚乙烯受熱時會發生如圖1所示降解參見圖1。聚乙烯受熱降解為可燃氣體、難燃氣體、液體(熱解產物)、固體(含炭殘渣或焦炭)、煙(固體微粒或聚合物碎片)。其中可燃氣體與氧氣發生燃燒，部分能量反饋，促進聚乙烯繼續熱降解。
聚乙烯熱降解而生成自由基，在自由基鏈式反應過程中，自由基和氧發生結合，所以引起熱釋放和聚乙烯的進一步分解，發生維持繼續燃燒，必須具有足夠的氧氣和可燃性氣體混合物，如果降解生成的自由基被截留而消失，燃燒就會減慢或中斷，含有溴系阻燃劑的阻燃聚乙烯發生燃燒時，有以下反應
為賦予塑料導電性，加入導電炭黑，使炭黑在複合材料內部形成導電網絡，表面電阻(或體積電阻)急劇下降，這是因為在HDPE聚合物發生「絕緣體+導電體」形成轉變，相鄰粒子間的範德華力或其他結合力的強度可以克服粒子間的排斥作用而使它們相互連接起來，形成網鏈，為載流子的的傳遞提供了通道。並且導電炭黑被固定在塑料基體內，使塑料具有永久抗靜電性能，不會隨時間的增加而衰減。
納米碳酸鈣加入以聚乙烯樹脂為基體及加入導電炭黑、十溴聯苯醚等改性劑的形成共混體系後，拉伸強度得到提高的同時，其伸長率得到良好的保持，根據Griffich理論，本發明材料的強度可表示為σ＝(2*E*γ/π*C)1/2式中σ——材料強度；E——AI材料的楊氏模量；γ——裂紋單位表面積的表面能C——有效缺陷尺寸其中有效缺陷尺寸主要指聚合物間因界面剝離而導致的空洞，空洞的大小取決於填料的粒徑，填料粒徑越小。因界面剝離而導致的空洞越小，即C值越小，強度將相應地提高。由於納米的加入，當受外力作用時，顆粒周圍的剪切應力轉移，使與之相連的基體產生局部屈服，吸收更多的能量，提高了斷裂韌性。
通過添加導電炭黑和溴系阻燃劑使本發明管材抗靜電性能永久、阻燃抗靜電性能優良，而高密度聚乙烯(HDPE)及納米碳酸鈣的加入使其具有良好的機械衝擊韌性，同時納米碳酸鈣還降低了材料表面電阻。
採用本發明的材料，以聚乙烯(PE)為基體樹脂，添加溴系阻燃劑十溴聯苯醚或如前所述其它溴系阻燃劑、抗靜電劑導電炭黑、抗氧劑1010[四(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]或如所前述其它酚類抗氧劑和抗氧劑168[亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯]或如所前述其它亞酸磷酯類抗氧劑、增韌劑三元乙丙膠、鈦酸酯偶聯劑及納米碳酸鈣填料對PE進行改性從而達到MT181《煤礦井下用塑料管安全性能檢驗規範》的要求，可以滿足煤礦用聚乙烯瓦斯抽放塑料管對阻燃抗靜電性能和機械性能的要求，即本發明的材料具有良好的阻燃抗靜電性和足夠的機械強度以及優良的抗衝擊韌性。
將納米填料應用於塑料共混改性中，是將納米填料分散在塑料中，本發明採用在高速機中高速混合併加入鈦酸酯偶聯劑對納米填料進行表面化學改性，使其在塑料中得到納米級分散，使採用本發明材料的塑料管道具有耐衝擊、耐腐蝕、阻燃和抗靜電特性。本發明材料製作的管道還有重量輕(每米重量約為鋼管的1/4)、成本低、使用年限長(比現用鋼管壽命長2～3倍)的優點。


圖1為聚乙烯的熱降解過程示意圖。
具體實施例方式
根據本發明所述的煤礦井下用聚乙烯瓦斯抽放管各原料成分配料，其具體成分如表1所示表1 本發明所述的煤礦井下用聚乙烯瓦斯抽放管各原料成分組成(以下為重量份)

配料後，按煤礦井下用瓦斯抽放管的通常生產工藝製得將鈦酸酯偶聯劑、導電炭黑、溴系阻燃劑十溴聯苯醚、納米碳酸鈣在100-200℃下高速混合偶聯活化，再加入聚乙烯(PE)、接枝聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、三元乙丙膠共混改性，加入抗氧劑1010和抗氧劑168高速混合後，用雙螺杆擠出造粒、擠管、水冷卻及真空定徑、牽引切割後得到成品管材。
該管材有永久抗靜電性能，阻燃抗靜電性能優良，機械衝擊韌性良好。其主要性能指標如表2。
表2煤礦用聚乙烯瓦斯抽放管道主要性能指標

權利要求
1.一種煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於聚乙烯抽放瓦斯管的化學成分為(以下為重量份)聚乙烯45-60份；乙烯-醋酸乙烯酯5-12份；三元乙丙膠5-15份；接枝聚乙烯1-6份；溴系阻燃劑15-25份；碳黑8.5-17份；碳酸鈣4-10份；抗氧劑0.1-0.5份和0.3-0.6份；偶聯劑0.5-1份。
2.根據權利要求1所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於溴系阻燃劑為十溴聯苯醚或四溴雙酚A或八溴二苯醚。
3.根據權利要求1所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於碳黑為導電碳黑。
4.根據權利要求1所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於碳酸鈣為納米碳酸鈣。
5.根據權利要求1所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於抗氧劑為酚類抗氧劑和亞酸磷酯類抗氧劑。
6.根據權利要求5所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於酚類抗氧劑中的烷基多酚類為四(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸或2，2`-亞甲基雙(4-甲基-6-叔丁基酚)或1，1，3-三(2-甲基-4-羥基-5-二叔丁基苯基)丁烷。
7.根據權利要求5所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於亞酸磷酯類抗氧劑為亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯或3，5-二叔丁基-4-羥基苄基膦酸雙硬脂基酯或3，5-二叔丁基-4-羥基苄基膦酸二乙酯。
8.根據權利要求1所述的煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於偶聯劑為鈦酸酯聯偶劑。
全文摘要
本發明公開了一種煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管的材料，其特徵在於聚乙烯抽放瓦斯管的化學成分為(以下為重量份)聚乙烯45－60份；乙烯－醋酸乙烯酯5－12份；三元乙丙膠5－15份；接枝聚乙烯1－6份；溴系阻燃劑15－25份；碳黑8.5－17份；碳酸鈣4－10份；抗氧劑0.1－0.5份和0.3－0.6份；偶聯劑0.5－1份。本發明耐衝擊、耐腐蝕、阻燃和抗靜電特性好，用本材料製作的塑料管道其機械性能和阻燃抗靜電性能好，並且重量輕、成本低、使用壽命長。
文檔編號C08K5/00GK1667035SQ200510020510
公開日2005年9月14日 申請日期2005年3月11日 優先權日2005年3月11日
發明者劉罡, 黃聲樹, 李天明, 唐良忠 申請人:煤炭科學研究總院重慶分院