CN103642111B - 煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材及其制备方法。以重量份表示，抗静电、阻燃管材是由原料超高分子量聚乙烯、流动改性剂、增容剂、润滑剂、抗静电剂、阻燃剂、预处理硫酸钙晶须、成核剂和偶联剂制成。首先将各种原料进行高速混合，然后将混合物料加入挤出机进行挤出成型，成型后进行定径、冷却，最后进行切割，得到煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材。利用本发明制备的抗静电、阻燃管材塑化良好、内壁光滑平整，连续生产的超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材壁厚可达到40mm，并且增加了阻燃抗静电功能，降低了成本，提高了生产效率和安全系数。利用本发明制备的产品完全能够满足煤矿用管材的安全技术要求。

Description

煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿用管材及其制备方法，特别是涉及一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材及其制备方法。

背景技术

塑料管道由于具有质轻价廉、耐腐蚀、刚柔性兼优、耐磨损、使用寿命长和安装简便等诸多优点，受到许多行业的欢迎和应用。但煤矿井下用塑料管道的条件恶劣，瓦斯是混合性负压气体，更易发生内部爆炸，所以对管道抗静电、阻燃性能有着特殊的要求；输水管线落差大，经常发生水锤作用，安全系数应该更高。现在已使用的聚氯乙烯、聚乙烯、玻璃钢等塑料管性能不易达到煤矿用管严格的技术要求，特别是耐磨、抗拉强度、抗冲击强度、抗快速开裂性能方面，存在严重缺陷和事故隐患。2005年国家安全局命令限制玻璃钢双抗管在井下使用后，对煤矿井下用双抗塑管提出了更高标准、更明确级别划分和更严格检验措施。由于现有普通塑料管材的性能无法满足煤矿井下用管的安全技术要求的，为此需要开发研究一种性能更为优良的塑料管材来满足煤矿井下用管的严格要求。

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，分子量高达200万单位以上，是聚乙烯PE100分子量的十几倍，居各类塑料之首，性能十分卓越。抗冲击强度高达130KJ/M²，抗拉强度达到32Mpa以上，耐磨性能是现有塑料之冠，是普通塑料的4-7倍左右，是碳钢、不锈钢的7-10倍，抗环境应力开裂是聚乙烯PE100的2倍，耐磨耐疲劳是聚乙烯PE100的十几倍。由于UHMW-PE分子结构上没有双键和支链及结晶度等原因，故具有优良的耐化学药品性，耐低温性极佳，冰点以下具有良好冲击强度，最低使用温度达到-269℃，自润滑性、抗粘附能力极强，密度在工程塑料中最小，为钢的1/8，由于其优异的性能，用UHMW-PE树脂成型的管材与金属和其它塑料管道相比，输送流砂时，寿命比钢管提高10倍左右,比尼龙塑料管提高3倍左右,输送阻力比金属管小25%。作为工程塑料的UHMW-PE在固态时具有优良的性能，但物料熔融时，不成粘流态，而处于高弹态，熔融粘度高达108Pa.S，熔体流动指数几乎为零，是一种“顽固不化”流动性极差的难加工工程塑料品种。

目前，专利文献也有关于煤矿用管材的报道。例如:申请号201110187263.4、名称为“煤矿用三层共挤出PVC-M管材”的发明专利，该专利管材由抗静电内、外层及PVC-M中间层组成，所述的抗静电内、外层组合物包括下列组份(重量份)：PVC树脂100份，热稳定剂0.8～1.2份，增韧剂4～8份，润滑剂1.3～2.0份，流动改性剂5～10份，纳米导电炭黑6份；所述PVC-M中间层组合物包括下列组份(重量份)：PVC树脂100份，热稳定剂1.0～1.5份，增韧剂10～15份，润滑剂2.1～3.5份，填充剂0～5份。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材及其制备方法。利用本发明技术方案制备的超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材塑化良好、内外壁光滑平整，连续生产的超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材壁厚可达到40mm，并且增加了阻燃抗静电功能，降低了成本，提高了生产效率和安全系数。利用本发明制备的超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的物理、力学、阻燃、抗静电性能分别达到煤炭部：煤矿井下用聚乙烯管材MT558.1-2005标准和中国轻工行业UHMWPE管材QB／T2668-2004标准规定的技术指标要求。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，所述煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材是由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE40～80份，流动改性剂3～10份，增容剂4～12份，润滑剂0.5～3份，抗静电剂6～15份，阻燃剂6～25份，预处理硫酸钙晶须15～40份，成核剂1～3份和偶联剂1～3份制成。

根据上述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，所述预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将40～80重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干2～4小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入2～6重量份的分散剂和1～5重量份的偶联剂，混合2～4分钟，接着加入10～30重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须，待用。

根据上述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，所述分散剂为乙撑双硬脂酸酰胺EBS和聚氨甲基酸脂中的任一种或两种混合物；所述聚氨甲基酸脂的生产厂家为宜兴化学试剂厂；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ-201、铝酸酯偶联剂DL-411、铝酸酯偶联剂DL-411DF、铝酸酯偶联剂ASA和硅烷偶联剂KH-570中的至少一种。

根据上述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，所述超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

根据上述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，所述流动改性剂为线型低密度聚乙烯LLDPE和氯化聚乙烯CPE中的任一种或者两种混合物；

所述增容剂为丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯共聚物ACS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS和苯乙烯马来酸酐共聚物SMA中的至少一种；

所述润滑剂为高分子蜡、乙撑双油酸酰胺EBO、硬脂酸丁酯、硬脂酸辛酯和共聚酰胺中的至少一种；

所述抗静电剂为超导电炭黑CB、二硫化钼、氧化锌和氧化锑中的至少一种；

所述阻燃剂为红磷、三聚氰胺氰尿酸盐和三氧化二锑中的至少一种；

所述成核剂为硫酸钡、硬脂酸钙和高岭土中的至少一种；

所述偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ-201、铝酸酯偶联剂DL-411、铝酸酯

偶联剂DL-411DF、铝酸酯偶联剂ASA和硅烷偶联剂KH-570中的至少一种。

根据上述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，所述高分子蜡为北京天恒健科技发展有限公司提供的PE-110D型高分子蜡；所述共聚酰胺为宜兴化学试剂厂提供的低相对分子质量共聚酰胺。

一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

a、按照上述煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的配料比例称取各种原料，将称取的各种原料置于高混机中混合2～5分钟，高混机的转速为1200±200转/分钟，混合后得到混合物料；

b、将步骤a得到的混合物料加入挤出机中进行挤出成型，设定挤出机机筒6区加工温度依次为170±5℃、180±5℃、195±5℃、210±5℃、220±5℃和225±5℃，设定挤出机中模具3区温度依次为220±5℃、215±5℃和210±5℃；挤出机螺杆转速为20～80转/min，牵引速度为0.5～10M/min；经挤出机挤出成型后得到管坯；

c、将步骤b挤出成型的管坯进行充气定径或真空定径，定径后进行冷却，冷却至常温进行切割，得到煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材。

本发明的积极有益效果：

1、本发明采用的原料硫酸钙晶须（CSW）材料属于短线维状结构材料，与本发明采用的超高分子量聚乙烯UHMW-PE等材料共混时很难均匀分散，易团聚结球。因此，本发明对采用的硫酸钙晶须进行了预先混合处理，使其预处理后的硫酸钙晶须与其它材料共混时能够均匀分散。

2、本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材原料配方中，利用流动改性剂、增容剂、润滑剂、抗静电剂、阻燃剂、成核剂和偶联剂对超高分子量聚乙烯UHMWPE材料进行共混改性，保持原材料的特性，且增加了流动性，塑化均匀，易于成型，提高了生产效率。

3、本发明技术方案中加入了阻燃材料、导电材料、润滑材料等，使其生产的管材塑化良好，内外壁光滑平整，连续生产的煤矿用超高分子量聚乙烯UHMWPE双抗管材（抗静电、阻燃）壁厚可达到40mm，且增加了阻燃抗静电功能，并且降低了成本，提高了生产效率和安全系数。

4、利用本发明技术方案制备的煤矿用超高分子量聚乙烯UHMWPE抗静电、阻燃管材的物理、力学、阻燃、抗静电性能分别达到煤炭部：煤矿井下用聚乙烯管材MT558.1-2005标准和中国轻工行业UHMWPE管材QB／T2668-2004标准规定的技术指标要求。利用本发明制备的产品完全能够满足煤矿用管材的安全技术要求。本发明产品相关的性能测试结果详见表1。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例1：

本发明预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将60重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干3小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入4重量份的分散剂乙撑双硬脂酸酰胺EBS和3重量份的钛酸酯偶联剂NDZ-201，混合2～4分钟，接着加入20重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须。

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE60份，线型低密度聚乙烯LLDPE7份，丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯共聚物ACS8份，高分子蜡（高分子蜡为北京天恒健科技发展有限公司提供的PE-110D型高分子蜡）2份，超导电炭黑CB10份，红磷8份，三氧化二锑10份，预处理硫酸钙晶须28份，硫酸钡2份和钛酸酯偶联剂NDZ-2012份制成。

采用的超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

实施例2：

本发明预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将40重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干2小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入2重量份的分散剂聚氨甲基酸脂（由宜兴化学试剂厂提供）和1重量份的铝酸酯偶联剂DL-411，混合2～4分钟，接着加入10重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须。

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE50份，氯化聚乙烯CPE5份，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS6份，乙撑双油酸酰胺EBO1.5份，二硫化钼8份，三聚氰胺氰尿酸盐10份，预处理硫酸钙晶须22份，硬脂酸钙1.5份和铝酸酯偶联剂DL-4111.5份制成。

采用的超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

实施例3：

本发明预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将80重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干4小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入6重量份的分散剂（分散剂为4重量份乙撑双硬脂酸酰胺EBS和2重量份聚氨甲基酸脂的混合物）和5重量份的铝酸酯偶联剂ASA，混合2～4分钟，接着加入30重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须。其中聚氨甲基酸脂由宜兴化学试剂厂提供。

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE70份，线型低密度聚乙烯LLDPE5份，氯化聚乙烯CPE4份，苯乙烯马来酸酐共聚物SMA10份，硬脂酸丁酯2.5份，氧化锌12份，三氧化二锑20份，预处理硫酸钙晶须35份，高岭土2.5份和铝酸酯偶联剂ASA2.5份制成。

采用的超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

实施例4：

本发明预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将70重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干3.5小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入5重量份的分散剂乙撑双硬脂酸酰胺EBS和4重量份的硅烷偶联剂KH-570，混合2～4分钟，接着加入25重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须。

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE40份，线型低密度聚乙烯LLDPE3份，丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯共聚物ACS4份，硬脂酸辛酯0.5份，超导电炭黑CB6份，三氧化二锑16份，预处理硫酸钙晶须15份，硫酸钡1份和硅烷偶联剂KH-5701份制成。

采用的超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

实施例5：

本发明预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将50重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干3小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入3重量份的分散剂乙撑双硬脂酸酰胺EBS和2重量份的硅烷偶联剂KH-570，混合2～4分钟，接着加入15重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须。

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE80份，线型低密度聚乙烯LLDPE5份，氯化聚乙烯CPE5份，丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯共聚物ACS7份，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS5份，乙撑双油酸酰胺EBO3份，超导电炭黑CB15份，红磷25份，预处理硫酸钙晶须40份，硫酸钡2份，硬脂酸钙1份，钛酸酯偶联剂NDZ-2011份和铝酸酯偶联剂DL-4112份制成。

采用的超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

实施例6：

本发明预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将65重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干3.5小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入4.5重量份的分散剂乙撑双硬脂酸酰胺EBS和4重量份的偶联剂（偶联剂为2重量份钛酸酯偶联剂NDZ-201和2重量份铝酸酯偶联剂ASA二者的混合物），混合2～4分钟，接着加入25重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须。

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，以重量份表示，由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE68份，线型低密度聚乙烯LLDPE8份，苯乙烯马来酸酐共聚物SMA7份，共聚酰胺1份（共聚酰胺为宜兴化学试剂厂提供的低相对分子质量共聚酰胺），超导电炭黑CB9份，三聚氰胺氰尿酸盐18份，预处理硫酸钙晶须30份，硫酸钡2份和硅烷偶联剂KH-5701.5份制成。

采用的超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

上述实施例1-6煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的制备方法为：

本发明煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的制备方法，其详细步骤如下：

a、按照上述1-6任一实施例所述煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的配料比例称取各种原料，将称取的各种原料置于高混机中混合2～5分钟，高混机的转速为1200±200转/分钟，混合后得到混合物料；

b、将步骤a得到的混合物料加入挤出机中进行挤出成型，设定挤出机机筒6区加工温度依次为170±5℃、180±5℃、195±5℃、210±5℃、220±5℃和225±5℃，设定挤出机中模具3区温度依次为220±5℃、215±5℃和210±5℃；挤出机螺杆转速为20-80转/min，牵引速度为0.5-10M/min；经挤出机挤出成型后得到管坯；

c、将步骤b挤出成型的管坯进行充气定径或真空定径，定径后进行冷却，冷却至常温进行切割，得到煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材。

Claims (5)

1.一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，其特征在于，以重量份表示，所述煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材是由原料超高分子量聚乙烯UHMWPE40～80份，流动改性剂3～10份，增容剂4～12份，润滑剂0.5～3份，抗静电剂6～15份，阻燃剂6～25份，预处理硫酸钙晶须15～40份，成核剂1～3份和偶联剂1～3份制成；

所述流动改性剂为线型低密度聚乙烯LLDPE和氯化聚乙烯CPE中的任一种或者两种混合物；所述增容剂为丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯共聚物ACS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS和苯乙烯马来酸酐共聚物SMA中的至少一种；所述润滑剂为高分子蜡、乙撑双油酸酰胺EBO、硬脂酸丁酯、硬脂酸辛酯和共聚酰胺中的至少一种；所述抗静电剂为超导电炭黑CB、二硫化钼、氧化锌和氧化锑中的至少一种；所述阻燃剂为红磷、三聚氰胺氰尿酸盐和三氧化二锑中的至少一种；所述成核剂为硫酸钡、硬脂酸钙和高岭土中的至少一种；

所述偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ-201、铝酸酯偶联剂DL-411、铝酸酯偶联剂DL-411DF、铝酸酯偶联剂ASA和硅烷偶联剂KH-570中的至少一种；

所述预处理硫酸钙晶须的处理方法为：首先将40～80重量份的硫酸钙晶须放入120±10℃的烘箱内烘干2～4小时，烘干后冷却至＜70℃，冷却后放入高混机中混合5～8分钟，高混机的转速为2500±200转/分钟；然后依次加入2～6重量份的分散剂和1～5重量份的偶联剂，混合2～4分钟，接着加入10～30重量份的线型低密度聚乙烯LLDPE，再混合1～2分钟，最后出料冷却至常温，得到预处理硫酸钙晶须，待用。

2.根据权利要求1所述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，其特征在于：所述超高分子量聚乙烯UHMWPE的分子量为200～1000万单位。

3.根据权利要求1所述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，其特征在于：所述分散剂为乙撑双硬脂酸酰胺EBS和聚氨甲基酸脂中的任一种或两种混合物；所述聚氨甲基酸脂的生产厂家为宜兴化学试剂厂；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂NDZ-201、铝酸酯偶联剂DL-411、铝酸酯偶联剂DL-411DF、铝酸酯偶联剂ASA和硅烷偶联剂KH-570中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材，其特征在于：所述高分子蜡为北京天恒健科技发展有限公司提供的PE-110D型高分子蜡；所述共聚酰胺为宜兴化学试剂厂提供的低相对分子质量共聚酰胺。

5.一种煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

a、按照权利要求1所述煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材的配料比例称取各种原料，将称取的各种原料置于高混机中混合2～5分钟，高混机的转速为1200±200转/分钟，混合后得到混合物料；

b、将步骤a得到的混合物料加入挤出机中进行挤出成型，设定挤出机机筒6区加工温度依次为170±5℃、180±5℃、195±5℃、210±5℃、220±5℃和225±5℃，设定挤出机中模具3区温度依次为220±5℃、215±5℃和210±5℃；挤出机螺杆转速为20～80转/min，牵引速度为0.5～10M/min；经挤出机挤出成型后得到管坯；

c、将步骤b挤出成型的管坯进行充气定径或真空定径，定径后进行冷却，冷却至常温进行切割，得到煤矿用超高分子量聚乙烯抗静电、阻燃管材。