CN106432958A - 一种导静电pvc矿用管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：（1）将PVC树脂和二维平面结构的纳米碳材料加入到捏合机中捏合，得到PVC/纳米碳母料；（2）向PVC/纳米碳母料中按比例加入PVC树脂、导电炭黑、增容剂、热稳定剂、润滑剂和加工助剂，先搅拌混合，再进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。本发明既能提高PCV矿用管的导静电性，又能提高PCV矿用管的抗冲击性、防腐性能和热稳定性等性质。

Description

一种导静电PVC矿用管的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种导静电PVC矿用管的制备方法。
背景技术
长期以来，煤矿行业都是采用铸铁管道进行排水、通风、吸尘；但是由于铸铁管本身存在易腐蚀、搬运、安装不便以及成本偏高等问题，因而迫切需要一种新型的管材来取代铸铁管。而氯乙烯树脂是世界上最早实现工业化生产的合成树脂之一，其具有较高的机械强度、抗化学腐蚀、耐磨性、价廉、质轻、阻燃性好以及安装方便等特点，但是PVC是良好的绝缘体，导电性能极差，在煤矿等容易产生静电的场合，会因积累静电而会引起瓦斯爆炸或者火灾等。同时，由于矿井下条件恶劣，管道容易受到冲击或者碰撞，这就要求PCV达到一定的力学强度，故而国家颁布了PVC导静电矿用管的国家标准MT 558.2-2005。
石墨烯自2004年被发现以来就作为一种新型碳材料而备受关注。石墨烯独特的电子结构决定了其优异的电子学性能，而电阻率只约10-8 Ω•m，为世上所知的电阻率最小的材料。而高的径厚比、高的比表面积和优异的导电性质决定了将石墨烯当作一种导电填料可以起到掺量极低的情况下具有很好的导电性质，结构与官能团种类的丰富决定了它可以和PVC树脂之间有一个较强的界面结合，而独特的二维结构也有利于电流的定向传导。
目前，作为抗静电添加剂的主要有以下几大类物质：导电高分子、抗静电剂和导电无机填料（导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等等）。对于导电高分子作为导电添加剂，其成本较高且工艺复杂。使用抗静电剂则耐候性差。而在导电无机填料中，导电炭黑的导电性差，导电掺量很高（25%），造成材料的力学性能、加工性能差等；碳纳米管的长径比很大，造成极易缠绕，分差性极差。而石墨烯恰好能客服以上的问题，石墨烯可以做为一种最佳添加剂用于制备导静电的矿用管。
为此，中国专利公告号为“CN104292699”的现有技术在2015年1月21日公开一种煤矿用抗静电阻燃复合材料及其制备方法 ，其技术方案包括聚氯乙烯(PVC)树脂100份，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)5-20份，增容剂2-10份，炭纳米管0.5-2份，石墨烯0.5-2份，热稳定剂2-6份，润滑剂1-2份，加工助剂2-10份。方法包括：将碳纳米管和石墨烯混合物与部分PVC树脂按照比例制备导电填料/PVC复合粉体材料；将得到的导电填料/PVC复合粉体材料、剩余的PVC树脂、ABS、增容剂、热稳定剂、润滑剂、加工助剂进行高速混合，得到复合物；将混合后的复合物置于锥形双螺杆挤出机中分段设温挤出造粒，既得煤矿用抗静电阻燃复合材料。但该专利在实际应用过程中，由于碳纳米管的长径比很大，造成极易缠绕，分差性极差，因而极容易导致制备的导静电矿用管电阻分布不均，且碳纳米管的添加量偏大，导致成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种导静电PVC矿用管的制备方法，本发明既能提高PCV矿用管的导静电性，又能提高PCV矿用管的抗冲击性、防腐性能和热稳定性等性质。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将PVC树脂和二维平面结构的纳米碳材料加入到捏合机中捏合，得到PVC/纳米碳母料；
（2）向PVC/纳米碳母料中按比例加入PVC树脂、导电炭黑、增容剂、热稳定剂、润滑剂和加工助剂，先搅拌混合，再进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
所述步骤（1）的具体工序为：先将PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将纳米碳材料分多次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为10min—2h，然后在80—100℃的条件下捏合1—5h，得到PVC/纳米碳母料。
所述PVC/纳米碳母料中纳米碳材料的含量为5%—20%。
所述步骤（2）中各组分的质量份数为：PVC/纳米碳母料5—15份，PVC树脂75—85份，导电炭黑0.5—1.5份，增容剂1—5份、热稳定剂1—5份、润滑剂0.5—3份，加工助剂0.5—3份。
所述步骤（2）中的各组分先以1—300r/min的速率在反应釜中搅拌混合3—5min，再以300—2000r/min的速率搅拌混合5—20min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，然后在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
所述纳米碳材料为石墨烯、少层石墨烯或石墨纳米片。
所述增容剂为氯化聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯共聚物或丁腈橡胶中的一种。
所述热稳定剂为月桂酸钡、硬脂酸锌、月桂酸钙、钡—锌复合、钙—锌复合稳定剂中的一种或多种的混合。
所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸甘油酯、石蜡、聚乙烯蜡中的一种或多种的混合。
所述加工助剂为丙烯酸酯类聚合物或热塑性聚氨酯中的一种。
采用本发明的优点在于：
一、本发明中，采用导电炭黑和二维平面结构的纳米碳材料作为共同的导电填料，两者能起到一个协同效应；从结构上来说：导电炭黑作为一种球型的导电颗粒，纳米碳材料作为一种片层的导电填料，两者按照一定的比例添加，可以起到降低导电填料之间的接触电阻，从而协同的增强PVC的导电性，提高PVC的导电率。从性能上来说：通过在PVC矿用管中引入少量的纳米碳材料，利用纳米碳的二维材料的独特结构，可以提高PVC矿用管的抗冲击性、防腐性能和热稳定性等性质，减小炭黑对PVC矿用管的补强作用。从成本来说上：炭黑的价格低廉，有利于成本的降低。
二、本发明中，由于纳米碳材料质量很轻，如果直接将纳米碳材料与PVC树脂、导电炭黑和其他助剂搅拌混合，那么纳米碳材料会漂浮在PVC树脂上方，各组分很难均匀混合。因此，本发明采用预先单独制备PVC/纳米碳母料的方式，可以使PVC树脂表面软化，从而使二维结构的石墨烯可以很好的和PVC树脂进行一个结合，从而对PVC树脂进行一个预包覆，进而能够预先形成纳米碳包覆隔离网络，避免网络结构在母料成型时被破坏，显著降低产品的渗流阈值。
三、本发明中，纳米碳材料分多次加入到捏合机中进行预包覆捏合，具有能够降低捏合时间和提高捏合效率的优点。
四、本发明中，各组分在反应釜中搅拌混合时控制物料温度低于120℃，该方式能够避免PVC树脂因高温而分解。
五、本发明中，采用上述特定工艺、特定组分和特定参数的制备方法，能够制备出符合国家标准MT 558.2-2005的导静电PVC矿用管。
六、本发明充分利用了石墨烯的二维平面的结构和导电炭黑的球型结构，两者按照一定的比例可以起到降低导电填料之间的接触电阻，从而协同的增强PVC的导电性。
七、本发明充分利用了石墨烯的耐酸、耐碱性、良好的热稳定性，从而使制备出来的PVC管材具有防腐性能和具有良好的热稳定性。
附图说明
图1为本发明中纳米碳/导电炭黑在PVC树脂中均匀分布的示意图。
具体实施方式
实施例1
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）将PVC树脂和二维平面结构的粉体纳米碳材料加入到捏合机中捏合，得到PVC/纳米碳母料；其中，所述纳米碳材料为石墨烯、少层石墨烯或石墨纳米片，所述石墨烯是指层数为1—2层的石墨烯粉体，所述少层石墨烯是指层数为2-10的石墨烯粉体。
本步骤的具体工序为：先将PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将纳米碳材料分多次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为10min—2h，然后在80—100℃的条件下捏合1—5h，得到纳米碳材料含量为5%—20%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为5—15份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中按比例加入PVC树脂75—85份、导电炭黑0.5—1.5份、增容剂1—5份、热稳定剂1—5份、润滑剂0.5—3份和加工助剂0.5—3份；各组分加入完成后，先以1—300r/min的速率在反应釜中搅拌混合3—5min，再以300—2000r/min的速率搅拌混合5—20min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
本步骤中，所述增容剂为氯化聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯共聚物或丁腈橡胶中的一种。所述热稳定剂为月桂酸钡、硬脂酸锌、月桂酸钙、钡—锌复合、钙—锌复合稳定剂中的一种或多种的混合。所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸甘油酯、石蜡、聚乙烯蜡中的一种或多种的混合。所述加工助剂为丙烯酸酯类聚合物或热塑性聚氨酯中的一种。
实施例2
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的粉体石墨烯分三次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为10min，然后在80℃的条件下捏合1h，得到石墨烯含量为5%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为5份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂85份、导电炭黑1.5份、氯化聚乙烯5份、月桂酸钡1份、硬脂酸0.5份和丙烯酸酯类聚合物2份；各组分加入完成后，先以1r/min的速率在反应釜中搅拌混合3min，再以300r/min的速率搅拌混合5min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
实施例3
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的粉体石墨烯分四次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为2h，然后在100℃的条件下捏合5h，得到石墨烯含量为20%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为15份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂75份、导电炭黑0.5份、甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯共聚物1份、硬脂酸锌5份、硬脂酸甘油酯3份和热塑性聚氨酯0.5份；各组分加入完成后，先以300r/min的速率在反应釜中搅拌混合5min，再以2000r/min的速率搅拌混合20min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
实施例4
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的粉体石墨烯分五次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为1h，然后在90℃的条件下捏合3h，得到石墨烯含量为13%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为10份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂80份、导电炭黑1份、丁腈橡胶2份、月桂酸钙和钡—锌复合的混合物2份、石蜡和聚乙烯蜡的混合物2份和热塑性聚氨酯3份；各组分加入完成后，先以150r/min的速率在反应釜中搅拌混合4min，再以1200r/min的速率搅拌混合14min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
实施例5
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的少层石墨烯分三次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为50min，然后在85℃的条件下捏合2h，得到少层石墨烯含量为8%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为8份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂82份、导电炭黑1.2份、氯化聚乙烯3份、钙—锌复合稳定剂3份、聚乙烯蜡0.8份和丙烯酸酯类聚合物2份；各组分加入完成后，先以100r/min的速率在反应釜中搅拌混合3min，再以500r/min的速率搅拌混合12min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
实施例6
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的少层石墨烯分四次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为90min，然后在95℃的条件下捏合3h，得到少层石墨烯含量为18%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为12份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂76份、导电炭黑1.5份、甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯共聚物4份、月桂酸钡、硬脂酸锌和月桂酸钙的混合物4份、石蜡1.5份和热塑性聚氨酯1份；各组分加入完成后，先以200r/min的速率在反应釜中搅拌混合5min，再以1500r/min的速率搅拌混合15min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
实施例7
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的石墨纳米片分三次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为10minh，然后在100℃的条件下捏合5h，得到石墨纳米片含量为20%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为15份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂80份、导电炭黑1份、氯化聚乙烯2份、钙—锌复合稳定剂1份、硬脂酸甘油酯0.5份和热塑性聚氨酯0.5份；各组分加入完成后，先以80r/min的速率在反应釜中搅拌混合3min，再以2000r/min的速率搅拌混合10min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
实施例8
一种导静电PVC矿用管的制备方法，包括如下步骤：
（1）先将一定质量的PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将一定质量的石墨纳米片分三次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为2h，然后在100℃的条件下捏合2h，得到石墨纳米片含量为18%的PVC/纳米碳母料。
（2）取质量份数为7份的PVC/纳米碳母料加入到反应釜中，然后向PVC/纳米碳母料中加入PVC树脂84份、导电炭黑1.5份、甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯共聚物3份、月桂酸钙2份、硬脂酸1份和丙烯酸酯类聚合物1.5份；各组分加入完成后，先以300r/min的速率在反应釜中搅拌混合3min，再以800r/min的速率搅拌混合5min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，避免PVC树脂分解；搅拌完成后，在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
经大量实验证明，实施例2—8中采用特定的组分、特定的参数和特定的制备工艺，能够制备出具有优异性能的PVC矿用管，下表为实施例2—8所制备的PVC矿用管的性能参数：

Claims (10)

1.一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将PVC树脂和二维平面结构的纳米碳材料加入到捏合机中捏合，得到PVC/纳米碳母料；
（2）向PVC/纳米碳母料中按比例加入PVC树脂、导电炭黑、增容剂、热稳定剂、润滑剂和加工助剂，先搅拌混合，再进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
2.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的具体工序为：先将PVC树脂加入到捏合机中，再在室温下将纳米碳材料分多次加入到捏合机中进行预包覆捏合，预包覆捏合的时间为10min—2h，然后在80—100℃的条件下捏合1—5h，得到PVC/纳米碳母料。
3.如权利要求1或2所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述PVC/纳米碳母料中纳米碳材料的含量为5%—20%。
4.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中各组分的质量份数为：PVC/纳米碳母料5—15份，PVC树脂75—85份，导电炭黑0.5—1.5份，增容剂1—5份、热稳定剂1—5份、润滑剂0.5—3份，加工助剂0.5—3份。
5.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的各组分先以1—300r/min的速率在反应釜中搅拌混合3—5min，再以300—2000r/min的速率搅拌混合5—20min，搅拌混合时控制物料温度低于120℃，然后在180℃下进行熔融、挤出，成型后即得到成品矿用管。
6.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述纳米碳材料为石墨烯、少层石墨烯或石墨纳米片。
7.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述增容剂为氯化聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯共聚物或丁腈橡胶中的一种。
8.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述热稳定剂为月桂酸钡、硬脂酸锌、月桂酸钙、钡—锌复合、钙—锌复合稳定剂中的一种或多种的混合。
9.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸甘油酯、石蜡、聚乙烯蜡中的一种或多种的混合。
10.如权利要求1所述的一种导静电PVC矿用管的制备方法，其特征在于：所述加工助剂为丙烯酸酯类聚合物或热塑性聚氨酯中的一种。
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