孟麗盼

文章編號(hào)：2095-6835（2016）17-0143-02

摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)，井下大多使用金屬管道作為抽放瓦斯管，但是，金屬管道存在容易生銹腐蝕、碰撞易產(chǎn)生火花和運(yùn)輸不便等問(wèn)題。PVC三層共擠瓦斯抽放管是以PVC樹(shù)脂為主要成分，添加各種助劑，通過(guò)三層共擠新型生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行擠出成型的瓦斯抽放管，可以有效代替質(zhì)量大、安裝不便、易腐蝕、使用壽命短的鋼管，巧妙地解決了普通塑料管靜電指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)相互制約的難題。

關(guān)鍵詞：三層共擠；瓦斯抽放管；PVC；煤礦安全

中圖分類號(hào)：TQ320.72+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.143

煤塵、瓦斯、火、水、冒頂是威脅煤礦安全的五大災(zāi)害，及時(shí)抽排瓦斯是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，是減少煤礦安全事故的必要措施。長(zhǎng)期以來(lái)，井下大多使用金屬管道作為瓦斯抽放管，它存在容易生銹腐蝕、碰撞易產(chǎn)生火花和運(yùn)輸不便等使用弊端。塑料管相比之下運(yùn)輸方便、性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)，但是，普通塑料管材的抗靜電問(wèn)題一直是相關(guān)人員攻關(guān)的難點(diǎn)。安全性能高、運(yùn)輸方便且性價(jià)比高的塑料管道產(chǎn)品一直是煤礦企業(yè)的追求。PVC三層共擠瓦斯抽放管是以PVC樹(shù)脂為主要成分，并添加各種助劑，通過(guò)三層共擠新型生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行擠出成型的瓦斯抽放管。

1 總體思路

嚴(yán)格按照MT 558.2—2005《煤礦井下用塑料管材 第2部分：聚氯乙烯管材》相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，研究PVC三層共擠瓦斯抽放管的配方和工藝設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2 研究的主要內(nèi)容

三層共擠將PVC瓦斯抽放管的管壁分為三層，即內(nèi)、外壁層和芯層同時(shí)擠出，管材內(nèi)、外壁表面電阻要求小于等于1.0×106 Ω，內(nèi)、外壁層研制抗靜電配方通過(guò)主機(jī)擠出。芯層作為管材的中間骨架，不需要抗靜電性能，但必須保證有足夠的強(qiáng)度，研制芯層增強(qiáng)型配方，通過(guò)輔機(jī)擠出，主機(jī)和輔機(jī)通過(guò)的不同原料配方再通過(guò)專用模具混合擠出。在管材的配方設(shè)計(jì)上，指導(dǎo)思想是提高管材各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，降低成本。作為抽放瓦斯用塑料管材，必須保證管材接觸粉塵、氣體的部位具有抗靜電性能，普通塑料管在生產(chǎn)時(shí)將抗靜電劑直接添加在原料中混合擠出。這樣一來(lái)，管材任何部位都具有抗靜電性能，包括管壁內(nèi)部不接觸粉塵、氣體的部位。三層共擠管材的內(nèi)外壁層添加適量的抗靜電劑，能夠滿足靜電指標(biāo)，而中間芯層根據(jù)管材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用管壁中間芯層無(wú)需抗靜電性能。但是，其必須具有一定的強(qiáng)度，保證管材整體強(qiáng)度指標(biāo)符合相關(guān)要求。在中間芯層配方中，減少抗靜電劑的加入量，添加一些增強(qiáng)劑，游刃有余地解決了管材強(qiáng)度受靜電指標(biāo)限制的因素，既保證了管材內(nèi)、外壁層的抗靜電性能，又提高了管材芯層的強(qiáng)度，同時(shí)，還大大節(jié)省了管材的生產(chǎn)成本。

2.1 配方設(shè)計(jì)

PVC三層共擠瓦斯抽放管的配方設(shè)計(jì)主要包括確定穩(wěn)定劑系統(tǒng)、潤(rùn)滑劑配合設(shè)計(jì)和加工改性劑的選用3項(xiàng)工作。此外，PVC樹(shù)脂、填充劑、著色劑等原料的選用也直接影響產(chǎn)品的性能。

2.1.1 穩(wěn)定劑系統(tǒng)的確定和用量

在生產(chǎn)PVC三層共擠瓦斯抽放管的過(guò)程中，通常使用鉛鹽穩(wěn)定劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑、金屬皂類穩(wěn)定劑和稀土復(fù)合穩(wěn)定劑等。鉛鹽穩(wěn)定劑是這幾種穩(wěn)定劑中最經(jīng)濟(jì)的，它成型加工容易，熱穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性比有機(jī)錫和金屬皂類穩(wěn)定劑的好，但是，有毒性。不過(guò)，對(duì)用于煤礦抽放瓦斯的PVC管材，則可不考慮毒性，而直接選用最經(jīng)濟(jì)的鉛鹽穩(wěn)定劑。

2.1.2 外潤(rùn)滑劑與穩(wěn)定劑的匹配設(shè)計(jì)

外滑劑的匹配設(shè)計(jì)主要是確定與不同穩(wěn)定劑匹配的外潤(rùn)滑劑的種類、用量和配合比例。在工作過(guò)程中，要注意以下2點(diǎn)：①根據(jù)穩(wěn)定劑選擇與之匹配的外潤(rùn)滑劑。鉛鹽穩(wěn)定劑與PVC樹(shù)脂相容性差，僅附在PVC粒子表面，阻礙了PVC粒子間的融合，物料塑化后其熔體也不均勻，通常用外潤(rùn)滑劑硬脂酸鉛與之匹配。②外潤(rùn)滑劑的用量。在一個(gè)體系中加入潤(rùn)滑劑的量，使物料在正常操作條件下能均勻塑化，并有足夠的流動(dòng)性。如果調(diào)整外潤(rùn)滑劑用量仍不能滿足物料加工的要求，則可以考慮添加少量的內(nèi)潤(rùn)滑劑。通常添加硬脂酸作為內(nèi)潤(rùn)滑劑。

2.1.3 加工改性劑的選用

在PVC樹(shù)脂中加入導(dǎo)電炭黑時(shí)，隨著炭黑用量的增加，不僅加工困難，而且復(fù)合材料變得又脆又硬，沖擊性能急劇下降。為了使材料具有良好的力學(xué)性能，必須考慮改性復(fù)合材料。目前，用于硬質(zhì)PVC管材的、較好的加工改性劑是聚丙烯酸酯類（簡(jiǎn)稱“ACR”）和CPE。ACR和CPE作為加工改性劑，主要功能是促進(jìn)樹(shù)脂熔融，改善熔體流變性能，提高沖擊性能。

2.1.4 抗靜電劑

抗靜電劑有外部抗靜電劑和內(nèi)部抗靜電劑2種。外部抗靜電劑通常是用涂布、噴霧、浸漬等方法使之附著在塑料表面，而內(nèi)部抗靜電劑則是將抗靜電劑在塑料樹(shù)脂加工過(guò)程中添加到樹(shù)脂組成中去，將其與樹(shù)脂組成物混為一體。相比之下，內(nèi)部抗靜電劑比外部抗靜電劑的耐久性能要強(qiáng)得多。因此，我單位在本項(xiàng)目的研制過(guò)程中，采用塑料混煉時(shí)添加內(nèi)部抗靜電劑的方式。通常情況下，選用的抗靜電劑是炭黑。

2.1.5 阻燃劑

阻燃劑是提高塑料難燃性的一類助劑，它大多是化學(xué)周期表中第Ⅴ，Ⅶ和Ⅲ族元素的化合物。阻燃劑是通過(guò)物理和化學(xué)途徑達(dá)到切斷燃燒循環(huán)的目的，它的加入能控制燃燒熱能的分散，使可燃性塑料與空氣隔絕，稀釋塑料分解產(chǎn)生的可燃性氣體等。根據(jù)PVC的特點(diǎn)，一般選用三氧化二銻作為阻燃劑。

2.1.6 PVC樹(shù)脂

樹(shù)脂是一種高分子聚合物，是塑料制品的主要成分，在制品中成為均一的連續(xù)相，作用是將各種助劑粘連成一個(gè)整體，使之具有一定的物理力學(xué)性能。PVC樹(shù)脂的黏度、揮發(fā)性、分子結(jié)構(gòu)、粒度大小和形狀、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性能等對(duì)硬質(zhì)PVC管材的質(zhì)量有重要的影響。為了獲得綜合性能優(yōu)良的硬質(zhì)PVC管材，應(yīng)選擇適當(dāng)分子量的樹(shù)脂和合適的加工條件，使制品的塑化度達(dá)到60%～65%.

2.1.7 填充劑

選擇適當(dāng)?shù)奶畛鋭┖吞畛淞磕苁筆VC三層共擠瓦斯抽放管獲得較高的沖擊強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，并能降低成本。目前，國(guó)內(nèi)硬質(zhì)PVC管材的填充劑主要是碳酸鈣、沉淀碳酸鋇、硫酸鋇和陶土等。

2.2 確定管材的斷面結(jié)構(gòu)

PVC管材本身具有一定的阻燃和抗靜電性能，但是，要想滿足阻燃和抗靜電的要求，就要加入一定量的阻稀劑、抗靜電劑和碳酸鈣。這樣，會(huì)大大降低管材的強(qiáng)度和抗沖擊性。塑料管材可以分層，而管材只是內(nèi)外表面需要阻燃、抗靜電和耐磨。因此，可以將管材的斷面分為三層，提高管材芯部的剛性，中間層不添加相關(guān)材料和炭黑，從而增加管材的整體強(qiáng)度和抗沖擊性，大大降低成本。

2.3 研究管材配方

對(duì)于PVC管材的配方設(shè)計(jì)，指導(dǎo)思想是在保持普通聚氯乙烯管材物理性能的基礎(chǔ)上，增加管材內(nèi)外表面的抗靜電性和阻燃性能。同時(shí)，增加管材的表面硬度和抗沖擊性能，使管材保持一定的強(qiáng)度，但又不會(huì)使管材的壁太厚。

工作人員要考慮到煤礦井下的使用環(huán)境，管材的內(nèi)外表層都需要耐磨、防靜電和阻燃。要想使管材保持一定的抗沖擊性，中部有韌性，就要采用三層夾心的斷面結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)、外壁層是防靜電、阻燃和高強(qiáng)度的耐磨層，中間是芯層，通過(guò)三層共擠的方式加工成型。

在內(nèi)、外壁層的配方中加入抗靜電劑、阻燃劑，能夠滿足井下防靜電和阻燃的要求。另外，內(nèi)、外壁層的配方中要加入貝殼粉、增強(qiáng)劑和改性劑，以增加材料自潤(rùn)滑性、剛性和吸水性，提高材料的化學(xué)穩(wěn)定性，使管材的表面平滑、流體阻力小，易于擠出成型。

中間芯層為了增加管材的抗沖擊性能，特加入了增強(qiáng)劑和改性劑，以確保管材的抗沖擊性能。

2.4 制訂管材成型工藝

主機(jī)擠出中間層，輔機(jī)擠出內(nèi)、外壁層，然后通過(guò)共擠模具來(lái)成型。PVC三層共擠瓦斯抽放管生產(chǎn)工藝流程可分為3個(gè)過(guò)程：成型料準(zhǔn)備過(guò)程（又稱為“擠出前段”），包括配比（原料、輔料的前處理、計(jì)量、輸送）、混合（高速和低速）、過(guò)篩（成型粉料）或造粒（粒料）；擠出成型過(guò)程；定型包裝過(guò)程（又稱為“擠出后段”）。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 阻燃性能

6根試樣的有焰燃燒時(shí)間的算術(shù)平均值不應(yīng)大于3 s，其中任何一條試樣的有焰燃燒時(shí)間不應(yīng)大于10 s；6根試樣的無(wú)焰燃燒時(shí)間的算術(shù)平均值不應(yīng)大于20 s，其中任何一條試樣的無(wú)焰燃燒時(shí)間不應(yīng)大于60 s。

3.2 抗靜電性能

PVC三層共擠抽瓦斯放管時(shí)，內(nèi)外壁表面電阻算術(shù)平均值不應(yīng)大于1.0×106 Ω。

3.3 落錘沖擊性能

管材經(jīng)MT558.2規(guī)定的落錘沖擊后，10根試樣中9根應(yīng)無(wú)裂紋，沒(méi)有被破壞。

3.4 耐壓性能

在MT558.2規(guī)定的試驗(yàn)壓力下，保壓100 h，管材應(yīng)無(wú)滲漏，沒(méi)有被破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)“三層共擠”生產(chǎn)工藝擠出的管材強(qiáng)度比普通塑料管大，很好地解決了管材成本與性能之間的關(guān)系，是一種新型的管材生產(chǎn)工藝?！叭龑庸矓D”生產(chǎn)工藝在管材中的研制應(yīng)用減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了封孔后采煤工作的安全隱患，為煤礦井下瓦斯鉆孔的封孔提供了優(yōu)質(zhì)的配套設(shè)施，是煤礦井下“以塑代鋼”的理想換代產(chǎn)品，對(duì)保證礦井安全，節(jié)能降耗和延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈等有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃銳，曾邦祿.塑料成型工藝學(xué)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2010.

[2]林師沛.聚氯乙烯塑料配方[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]朱元慶.聚氯乙烯管材制造和應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

〔編輯：白潔〕