PVC三層共擠瓦斯抽放管的研究

孟麗盼

文章編號：2095-6835（2016）17-0143-02

摘 要：長期以來，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、碰撞易產生火花和運輸不便等問題。PVC三層共擠瓦斯抽放管是以PVC樹脂為主要成分，添加各種助劑，通過三層共擠新型生產技術進行擠出成型的瓦斯抽放管，可以有效代替質量大、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和強度指標相互制約的難題。

關鍵詞：三層共擠；瓦斯抽放管；PVC；煤礦安全

中圖分類號：TQ320.72+4 文獻標識碼：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害，及時抽排瓦斯是保障煤礦安全生產的重要保障，是減少煤礦安全事故的必要措施。長期以來，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、碰撞易產生火花和運輸不便等使用弊端。塑料管相比之下運輸方便、性能優良、使用壽命長，但是，普通塑料管材的抗靜電問題一直是相關人員攻關的難點。安全性能高、運輸方便且性價比高的塑料管道產品一直是煤礦企業的追求。PVC三層共擠瓦斯抽放管是以PVC樹脂為主要成分，并添加各種助劑，通過三層共擠新型生產技術進行擠出成型的瓦斯抽放管。

1 總體思路

嚴格按照MT 558.2—2005《煤礦井下用塑料管材 第2部分：聚氯乙烯管材》相關技術指標，研究PVC三層共擠瓦斯抽放管的配方和工藝設計等內容。

2 研究的主要內容

三層共擠將PVC瓦斯抽放管的管壁分為三層，即內、外壁層和芯層同時擠出，管材內、外壁表面電阻要求小于等于1.0×106 Ω，內、外壁層研制抗靜電配方通過主機擠出。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度，研制芯層增強型配方，通過輔機擠出，主機和輔機通過的不同原料配方再通過專用模具混合擠出。在管材的配方設計上，指導思想是提高管材各項技術指標，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，普通塑料管在生產時將抗靜電劑直接添加在原料中混合擠出。這樣一來，管材任何部位都具有抗靜電性能，包括管壁內部不接觸粉塵、氣體的部位。三層共擠管材的內外壁層添加適量的抗靜電劑，能夠滿足靜電指標，而中間芯層根據管材的結構特點，充分利用管壁中間芯層無需抗靜電性能。但是，其必須具有一定的強度，保證管材整體強度指標符合相關要求。在中間芯層配方中，減少抗靜電劑的加入量，添加一些增強劑，游刃有余地解決了管材強度受靜電指標限制的因素，既保證了管材內、外壁層的抗靜電性能，又提高了管材芯層的強度，同時，還大大節省了管材的生產成本。

2.1 配方設計

PVC三層共擠瓦斯抽放管的配方設計主要包括確定穩定劑系統、潤滑劑配合設計和加工改性劑的選用3項工作。此外，PVC樹脂、填充劑、著色劑等原料的選用也直接影響產品的性能。

2.1.1 穩定劑系統的確定和用量

在生產PVC三層共擠瓦斯抽放管的過程中，通常使用鉛鹽穩定劑、有機錫穩定劑、金屬皂類穩定劑和稀土復合穩定劑等。鉛鹽穩定劑是這幾種穩定劑中最經濟的，它成型加工容易，熱穩定性和潤滑性比有機錫和金屬皂類穩定劑的好，但是，有毒性。不過，對用于煤礦抽放瓦斯的PVC管材，則可不考慮毒性，而直接選用最經濟的鉛鹽穩定劑。

2.1.2 外潤滑劑與穩定劑的匹配設計

外滑劑的匹配設計主要是確定與不同穩定劑匹配的外潤滑劑的種類、用量和配合比例。在工作過程中，要注意以下2點：①根據穩定劑選擇與之匹配的外潤滑劑。鉛鹽穩定劑與PVC樹脂相容性差，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，通常用外潤滑劑硬脂酸鉛與之匹配。②外潤滑劑的用量。在一個體系中加入潤滑劑的量，使物料在正常操作條件下能均勻塑化，并有足夠的流動性。如果調整外潤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潤滑劑。通常添加硬脂酸作為內潤滑劑。

2.1.3 加工改性劑的選用

在PVC樹脂中加入導電炭黑時，隨著炭黑用量的增加，不僅加工困難，而且復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性能，必須考慮改性復合材料。目前，用于硬質PVC管材的、較好的加工改性劑是聚丙烯酸酯類（簡稱“ACR”）和CPE。ACR和CPE作為加工改性劑，主要功能是促進樹脂熔融，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，而內部抗靜電劑則是將抗靜電劑在塑料樹脂加工過程中添加到樹脂組成中去，將其與樹脂組成物混為一體。相比之下，內部抗靜電劑比外部抗靜電劑的耐久性能要強得多。因此，我單位在本項目的研制過程中，采用塑料混煉時添加內部抗靜電劑的方式。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，它大多是化學周期表中第Ⅴ，Ⅶ和Ⅲ族元素的化合物。阻燃劑是通過物理和化學途徑達到切斷燃燒循環的目的，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，稀釋塑料分解產生的可燃性氣體等。根據PVC的特點，一般選用三氧化二銻作為阻燃劑。

2.1.6 PVC樹脂

樹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相，作用是將各種助劑粘連成一個整體，使之具有一定的物理力學性能。PVC樹脂的黏度、揮發性、分子結構、粒度大小和形狀、穩定性、導電性能等對硬質PVC管材的質量有重要的影響。為了獲得綜合性能優良的硬質PVC管材，應選擇適當分子量的樹脂和合適的加工條件，使制品的塑化度達到60%～65%.

2.1.7 填充劑

選擇適當的填充劑和填充量能使PVC三層共擠瓦斯抽放管獲得較高的沖擊強度和斷裂強度，并能降低成本。目前，國內硬質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 確定管材的斷面結構

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，會大大降低管材的強度和抗沖擊性。塑料管材可以分層，而管材只是內外表面需要阻燃、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，中間層不添加相關材料和炭黑，從而增加管材的整體強度和抗沖擊性，大大降低成本。

2.3 研究管材配方

對于PVC管材的配方設計，指導思想是在保持普通聚氯乙烯管材物理性能的基礎上，增加管材內外表面的抗靜電性和阻燃性能。同時，增加管材的表面硬度和抗沖擊性能，使管材保持一定的強度，但又不會使管材的壁太厚。

工作人員要考慮到煤礦井下的使用環境，管材的內外表層都需要耐磨、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構形式，內、外壁層是防靜電、阻燃和高強度的耐磨層，中間是芯層，通過三層共擠的方式加工成型。

在內、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、外壁層的配方中要加入貝殼粉、增強劑和改性劑，以增加材料自潤滑性、剛性和吸水性，提高材料的化學穩定性，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

主機擠出中間層，輔機擠出內、外壁層，然后通過共擠模具來成型。PVC三層共擠瓦斯抽放管生產工藝流程可分為3個過程：成型料準備過程（又稱為“擠出前段”），包括配比（原料、輔料的前處理、計量、輸送）、混合（高速和低速）、過篩（成型粉料）或造粒（粒料）；擠出成型過程；定型包裝過程（又稱為“擠出后段”）。

3 主要技術指標

3.1 阻燃性能

6根試樣的有焰燃燒時間的算術平均值不應大于3 s，其中任何一條試樣的有焰燃燒時間不應大于10 s；6根試樣的無焰燃燒時間的算術平均值不應大于20 s，其中任何一條試樣的無焰燃燒時間不應大于60 s。

3.2 抗靜電性能

PVC三層共擠抽瓦斯放管時，內外壁表面電阻算術平均值不應大于1.0×106 Ω。

3.3 落錘沖擊性能

管材經MT558.2規定的落錘沖擊后，10根試樣中9根應無裂紋，沒有被破壞。

3.4 耐壓性能

在MT558.2規定的試驗壓力下，保壓100 h，管材應無滲漏，沒有被破壞。

4 結束語

通過“三層共擠”生產工藝擠出的管材強度比普通塑料管大，很好地解決了管材成本與性能之間的關系，是一種新型的管材生產工藝。“三層共擠”生產工藝在管材中的研制應用減輕了工人的勞動強度，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質的配套設施，是煤礦井下“以塑代鋼”的理想換代產品，對保證礦井安全，節能降耗和延長產業鏈等有十分重要的意義。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕