CN110822181B - 永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材、其制备方法与模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材、其制备方法与模具，复合管材，由内到外依次包括：芯层、钢丝网骨架复合层、共挤内层和共挤外层，其中，所述共挤外层为彩色抗静电阻燃层。采用彩色的聚烯烃材料共挤制备的复合管材的共挤外层为彩色，可以根据矿井建设要求将聚烯烃复合管材的共挤外层设计为不同的颜色，此类管材的颜色鲜艳，辨识度高，以对不同流体介质进行区分。

Description

永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材、其制备方法与 模具

技术领域

本发明属于复合管材制备技术领域，涉及一种永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材、其制备方法与模具。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

煤矿井下用管道是管道发展史上极其重要的组成部分，主要用于煤矿井下各种对管材表面抗静电、管材阻燃性能有要求的流体输送管路。由于煤矿井下特殊的使用环境，塑料管材的静电导出能力及阻燃效果表现的尤为重要，性能优异的煤矿用管道能有效降低安全事故发生概率。

聚烯烃管是比较常用的塑料管材，但现有的聚烯烃普遍存在抗静电能力差、耐压差、强度低等缺点，使其应用受到很大的限制。所以，为了使聚烯烃管满足煤矿井下的应用要求，一般是向聚烯烃中添加一定含量的抗静电剂和阻燃剂来满足管材的阻燃和抗静电性能要求。而且满足使用要求的抗静电剂一般为炭黑、碳纳米材料、石墨烯材料等黑色导电介质。因此制备得到的管材只能是黑色外观产品。

由于煤矿井下用聚烯烃管材按用途分为给水管、排水管、正压风管、喷浆管以及瓦斯抽放管材等，不同输送介质的管路均在巷道壁集中架空铺设，且全部为黑色管路，在巷道内出现异常，需要开闭管路时，无法快速辨别每条管线内输送的介质及其具体用途，进而影响异常问题的快速处理。目前矿方为辨别管线内输送介质的种类，通常采用以下手段：1、张贴标识牌，标识牌易脱落且辨识度低；2、依靠管体自身色标线区分，但彩色色标线不具备阻燃及抗静电性能，且色标线细，标识不清晰且安装时若做到色线完全对正将会大大降低连接效率；3、粉刷彩色抗静电剂及短效抗静电阻燃材料生产的管材，易失效，无法满足永久性效果；4、采用普通彩色管材无法满足抗静电、阻燃要求，对于矿井下使用风险极高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材、其制备方法与模具。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材，由内到外依次包括：芯层、钢丝网骨架复合层、共挤内层和共挤外层，其中，所述共挤外层为彩色抗静电阻燃层。

采用彩色的聚烯烃材料共挤制备的复合管材的共挤外层为彩色，可以根据矿井建设要求将聚烯烃复合管材的共挤外层设计为不同的颜色，此类管材的颜色鲜艳，辨识度高，以对不同流体介质进行区分。

在一些实施例中，所述共挤外层的聚烯烃材料，包括聚烯烃基体、阻燃剂、相容剂和抗静电剂，其抗静电剂包括永久型抗静电剂和非离子型抗静电剂，永久型抗静电剂在聚烯烃材料中的质量百分数为10-20％，非离子型抗静电剂在聚烯烃材料中的质量百分数为0.5-2％。非离子型抗静电剂与永久型抗静电剂配合改性的聚烯烃材料是浅白色，可以通过添加不同颜色的色母粒将其染成不同颜色，以对管材的外观颜色进行区分。通过对不同管材外观颜色的观察，即可快速分辨管材内部流体的类型。

进一步的，所述阻燃剂为有机氮磷阻燃剂。有机氮磷阻燃剂为白色，不会影响聚烯烃材料的可染色性能，具有良好的阻燃效果的同时，对材料的导电效率影响较小，进而对聚烯烃材料的抗静电性能影响较小。而且，有机氮磷阻燃剂燃烧后产生的有害气体的量相对较少。

在一些实施例中，所述芯层为双层或多层共挤结构。

在一些实施例中，所述钢丝网骨架复合层包括2-4层钢丝网和粘附于钢丝网之间的粘结树脂层。粘结树脂层可以有效提高钢丝网与芯层与外层之间的结合力，同时提高钢丝网之间的结合力。

由于共挤外层是由彩色聚烯烃复合材料经过共挤制备而得，共挤外层产生偏心导致共挤外层的壁厚不均匀时，会导致管材表面的颜色分布不均匀，进而导致彩色抗静电阻燃层的出现较大的色差。所以，为了提高复合管材制备的均匀程度，本发明提供了一种模具。

一种模具，包括共挤内层模具、模体和共挤外层模具，模体套于共挤内层模具和共挤外层模具的外侧，共挤外层模具位于共挤内层模具的下游，共挤内层模具、模体和共挤外层模具内径依次增大；

共挤内层模具的侧壁上设置有第一螺旋流道，第一螺旋流道的进口与第一进料口连接，第一螺旋流道的出口形成共挤内层模具的出料端；

共挤外层模具的端部设置内凹结构，模体的端部设置外凸结构，外凸结构与内凹结构间隙配合，形成环形挤压通道；

共挤外层模具的外周设置第二螺旋流道，第二螺旋流道的进口端与第二进料口连接，出口端通过环形流通腔与所述环形挤压通道连接，环形流通腔的横截面积大于环形挤压通道的横截面积，且第二螺旋流道的进口端位于环形挤压通道的下游。

第二螺旋流道的进口端位于环形挤压通道的下游，从第二进料口进入的聚烯烃材料进入第二螺旋流道后，相对于管材的移动方向逆向流动，原料回流，流经环形流通腔，流至环形挤压通道后，环形挤压通道的横截面积减小，对流动的聚烯烃材料施加一定的压力，与侧方进料产生的料流压力相互抵消，从而保证了共挤外层壁厚的均匀性。同时，第二螺旋流道的反向流道设计，也可以在一定程度上缓解侧方进料造成的偏心问题，同时还可以节省模具体积，使得原料在模具内进一步塑化。

在一些实施例中，第一进料口和第二进料口均设置于模体上。

在一些实施例中，共挤内层模具和共挤外层模具均通过紧固螺栓固定在模体上。

在一些实施例中，环形流通腔与环形挤压通道的横截面积之比为5:4-2:1。

所述永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材的制备方法，包括如下步骤：

经钢丝缠绕及粘结树脂复合后的芯管移动至内层模具处，共挤内层原料由第一进料口进入第一螺旋流道后进入平直段，同时共挤外层原料由第二进料口进入第二螺旋流道，使原料回流，在挤压通道内对原料施加一定压力，在共挤内层的平直段处实现双层复合，经过模口处挤出与芯管复合完成最终成型。

在一些实施例中，开机时先开启共挤外层挤出机，再开共挤内层挤出机，停机时应先关闭共挤内层挤出机，再关闭共挤外层挤出机。

本发明的有益效果为：

1、管体自身可根据矿井建设要求定制不同用途、不同的颜色外观。

2、此类管材颜色鲜艳，辨识度高。

3、采用管材共挤挤出形式使得材料分散均匀，可与其他结构层共同挤出，具有永久性抗静电性能。

4、管材本身为可永久性满足表面电阻以及阻燃性能，对于标准化矿井建设具有极大的意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的聚烯烃复合管材的结构示意图；

图2为本发明实施例的聚烯烃复合管材的加工模具的结构示意图；

图3为图2中A处的放大图；

图4为本发明实施例的聚烯烃复合管材的加工过程示意图；

图5为本发明实施例的聚烯烃复合管材的加工工艺流程图。

其中，1、共挤内层模具；2、第一紧固螺栓；3、第一进料口；4、第一螺旋流道；5、模体；6、第二螺旋流道；7、第二进料口；8、第二紧固螺栓；9、共挤外层模具；10、芯层；11、共挤内层；12、共挤外层；13、钢丝网骨架复合层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合实施例对本发明进一步说明：

参见图1，一种彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材，由内到外依次包括：芯层10、钢丝网骨架复合层13、共挤内层11和共挤外层12，其中，所述共挤外层12为彩色抗静电阻燃层。芯层10为双层或多层共挤结构，钢丝网骨架复合层13包括2-4层钢丝网和粘附于钢丝网之间的粘结树脂层。

共挤外层的聚烯烃材料，包括聚烯烃基体、阻燃剂、相容剂和抗静电剂，其抗静电剂包括永久型抗静电剂和非离子型抗静电剂，永久型抗静电剂在聚烯烃材料中的质量百分数为10-20％，非离子型抗静电剂在聚烯烃材料中的质量百分数为0.5-2％。

具体为：

按照配方：HDPE-高密度聚乙烯50份，相容剂(EVA+马来酸酐接枝聚乙烯，质量比为1:1)10份，永久型抗静电剂-聚氧乙烯-聚酰胺合成物15份，非离子型抗静电母粒5份，润滑剂-(聚乙烯蜡+氧化聚乙烯蜡，质量比为1:1)2.5份，抗氧剂(168+1010+1076)0.5份，有机NP阻燃剂-三聚氰氨多聚磷酸盐阻燃剂17份。高速混合均匀后以既定生产工艺，经双螺杆挤出机造粒，生产可染色永久抗静电阻燃聚乙烯材料。

所述非离子型抗静电母粒中，聚乙烯60份，EVA10份，非离子抗静电剂-聚乙二醇酰胺25份，分散剂-聚乙烯蜡5份。

抗氧剂168为亚磷酸酯抗氧剂，抗氧剂1010为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，抗氧剂1076为十八烷基-3,5-双(1,1-二甲基乙基)-4-羟基苯丙酸酯或十八烷基3-(3,5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯。该实施例的抗氧剂为三种抗氧剂的复配，三种抗氧剂的质量比为1:1:1。

具体生产工艺，包括如下步骤：

1)将颗粒状永久抗静电剂在磨粉机上磨粉，粒径低于300目；

2)粉状永久型抗静电剂与EVA树脂在密炼机中混练15分钟，至EVA完全熔融，用单螺杆挤出机造粒，达到高兼容抗静电剂与聚烯烃混合造粒相容性好的效果。

3)按照配方比例，将所有材料称重后在高速混合机中分散均匀后加入双螺杆挤出机料斗中，挤出的机筒外面有加热器，通过热传导将机筒内的物料加热达到熔融温度。机器运转，机筒内螺杆将物料向前输送。物料在运动过程中与机筒、螺杆以及物料与物料之问相互摩擦、剪切，产生大量的热，热与热传导作用使加入的物料不断熔融。熔融的物料被连续、稳定地输送到具有一定形状的机头(或称口模)中。通过口模后，处于流动状态的物料取近似的口型形状，再进入冷却定型装置，使物料保持既定的形状固化，再将挤出定型的物料输入切粒机将圆形条状塑料切成颗粒，经烘干后包装。

双螺杆挤出机的各项参数如下：

1、双螺杆挤出机参数：螺杆直径：75mm；长径比：40；螺杆转速：600rpm；主电机功率：132KW；

2、螺杆组合：为了达到分散与分布混合均匀，采用中等剪切强度螺杆组合；

3、温度设定:150、160、170、175、180、180、180、180、185、185、170℃；

4、主机转速:300rpm；

5、喂料转速:10Hz。

制备得到的可染色永久抗静电阻燃聚乙烯材料的性能检测结果，如下所示：

熔融指数：1.4g/10min(190℃×5Kg)；氧化诱导期:47min(氧化诱导温度230℃)；

屈服强度：13.8MPa；断裂强度：19.1MPa；断裂伸长率：660％；

阻燃性：2.7s(平均燃烧时间)；表面电阻：5×10⁷Ω。

此聚烯烃复合材料是以迁移型抗静电剂(永久抗静电剂)、有机氮磷阻燃剂与聚烯烃制成的无色(可染色)母料，进而通过添加不同颜色的色母粒，采用管材共挤挤出形式使得材料及颜料可在不同结构层内分散均匀，制成不同颜色的永久性抗静电阻燃聚烯烃复合管材。

管材共挤时最外层的彩色阻燃抗静电层壁厚的均匀性对此产品质量尤为重要，偏心时会出现颜色不均匀，存在较大的色差，并且对产品的成本影响较大。进而此管材生产时对外层共挤模具合理性要求较高，结合此管材的性能特点自行设计外层共挤模具确保共挤外层壁厚的偏心情况。

外层共挤模具结构图，如图2所示：包括共挤内层模具1、模体5和共挤外层模具9，模体5套于共挤内层模具1和共挤外层模具9的外侧，共挤外层模具9位于共挤内层模具1的下游，共挤内层模具1、模体5和共挤外层模具9内径依次增大；

共挤内层模具1的侧壁上设置有第一螺旋流道4，第一螺旋流道4的进口与第一进料口3连接，第一螺旋流道4的出口形成共挤内层模具1的出料端；

共挤外层模具9的端部设置内凹结构，模体5的端部设置外凸结构，外凸结构与内凹结构间隙配合，形成环形挤压通道；

共挤外层模具9的外周设置第二螺旋流道6，第二螺旋流道6的进口端与第二进料口7连接，出口端通过环形流通腔与所述环形挤压通道连接，环形流通腔的横截面积大于环形挤压通道的横截面积，且第二螺旋流道的进口端位于环形挤压通道的下游。第一进料口3和第二进料口7均设置于模体5上，共挤内层模具1和共挤外层模具9均通过紧固螺栓固定在模体5上，环形流通腔与环形挤压通道的横截面积之比为5:4。

如图4所示，经钢丝缠绕及粘结树脂复合后的芯管10至内层模具处，共挤内层原料由共挤内层进料口3进入通过共挤内层的螺旋流道4后进入平直段，同时共挤外层原料由共挤外层进料口7进入共挤外层的反向螺旋流道6，使得原料回流，在放大区域(A)处流道变窄，如图3所示，使得原材料流动时有一定的压力，在共挤内层的平直段处实现双层复合，遂经过模口处挤出与钢丝网骨架聚乙烯复合管材复合层复合完成最终成型。

此模具共挤外层的反向螺旋流道，一定程度上缓解了侧方进料造成的偏心问题，节省了模具体积，同时也使得原料在模具内的进一步塑化。在螺旋流道的回转及流道宽度的变窄使得原料在流动时产生一定的压力，与侧方进料产生的料流压力相互抵消，从而保证了共挤外层壁厚的均匀性。

生产工艺：以dn110×1.6MPa为例

工艺流程图，如图5所示。

工序1：材料烘干处理

聚烯烃材料以及粘结树脂使用热风干燥机，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，生产开机前放置储料箱中，由真空吸料装置存储至生产线料斗内，料斗加热温度为80℃，并开启吹风。

“一种可染色永久性抗静电阻燃聚烯烃材料”，需使用真空干燥机，烘干温度为80℃，烘干时间为4h-6h，将水分控制在300ppm以下，后使用铝箔袋进行装料，装料后应立即对铝箔袋进行封口并将袋内空气吸出，形成真空包装状态，在开机前拆袋，将原料置于生产线共挤外层的料斗内(拆袋后的原料需在2h内用尽)，料斗温度设置80℃，并开启吹风。

工序2：生产工艺过程

聚烯烃芯管：可为单层也可为多层共挤形式，下述工艺以单层实壁为例。

主机挤出工艺参数(芯管)，如表1所示。

表1

料筒温区	1	2	3	4	5
						料筒温度/℃	54	180	185	185	185
模具温区	1	2	3	4	5
						模具温度/℃	180	180	180	180	175
挤出量r/min	40	牵引速度m/min	0.86	熔温/℃	170

胶层挤出机的工艺参数，如表2所示。

表2

料筒温区	1	2	3	4	5
						料筒温度/℃	185	210	210	/	/
模具温区	1	2	3	4	5
						模具温度/℃	210	210	205	205	/
挤出量r/min	38	/	/	/	/

外层共挤内层挤出机的工艺参数，如表3所示。

表3

料筒温区	1	2	3	4	5
						料筒温度/℃	170	180	180	180	/
模具温区	1	2	3	4	5
						模具温度/℃	180	185	185	185	/
挤出量r/min	26	牵引速度m/min	0.87

外层共挤外层挤出机的工艺参数，如表4所示。

表4

料筒温区	1	2	3	4	5
						料筒温度/℃	170	185	185	180	180
挤出量r/min	15	/	/	/	/

生产过程概述如下：

聚烯烃复合管内层可采用单层或多层共挤的形式，生产出黑色或彩色(包括共挤时内表面为彩色外表面为黑色等颜色组合)具有阻燃效果或抗静电阻燃效果(包括内表面为抗静电阻燃外表面为阻燃)的芯管，经过定径冷却等环节后进行左右螺旋的钢丝缠绕及粘结树脂复合，遂进行外层共挤复合(共挤内外层可为相同材料也可共挤内层可采用阻燃材料，共挤外层采用彩色抗静电阻燃材料)，从而制造出永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃复合管材。

产品特点：

1、具有可着色的同时满足抗静电、阻燃要求；

2、具有彩色永久性的满足抗静电、阻燃效果；

3、可根据客户需求定制各结构层不同的功能效果及颜色组合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模具，其特征在于：包括共挤内层模具、模体和共挤外层模具，模体套于共挤内层模具和共挤外层模具的外侧，共挤外层模具位于共挤内层模具的下游，共挤内层模具、模体和共挤外层模具内径依次增大；

共挤内层模具的侧壁上设置有第一螺旋流道，第一螺旋流道的进口与第一进料口连接，第一螺旋流道的出口形成共挤内层模具的出料端；

共挤外层模具的端部设置内凹结构，模体的端部设置外凸结构，外凸结构与内凹结构间隙配合，形成环形挤压通道；

共挤外层模具的外周设置第二螺旋流道，第二螺旋流道的进口端与第二进料口连接，出口端通过环形流通腔与所述环形挤压通道连接，环形流通腔的横截面积大于环形挤压通道的横截面积，且第二螺旋流道的进口端位于环形挤压通道的下游。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：第一进料口和第二进料口均设置于模体上。

3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：共挤内层模具和共挤外层模具均通过紧固螺栓固定在模体上。

4.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：环形流通腔与环形挤压通道的横截面积之比为5:4-2:1。

5.一种永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材的制备方法，其特征在于：采用权利要求1所述的模具进行；

所述永久性彩色抗静电阻燃聚烯烃钢丝复合管材，由内到外依次包括：芯层、钢丝网骨架复合层、共挤内层和共挤外层，其中，所述共挤外层为彩色抗静电阻燃层；

所述共挤外层的聚烯烃材料，包括聚烯烃基体、阻燃剂、相容剂和抗静电剂，其抗静电剂包括永久型抗静电剂和非离子型抗静电剂，永久型抗静电剂在聚烯烃材料中的质量百分数为10-20％，非离子型抗静电剂在聚烯烃材料中的质量百分数为0.5-2％；

所述阻燃剂为有机氮磷阻燃剂；

所述芯层为双层或多层共挤结构；

所述钢丝网骨架复合层包括2-4层钢丝网和粘附于钢丝网之间的粘结树脂层；

具体包括如下步骤：

经钢丝缠绕及粘结树脂复合后的芯管移动至内层模具处，共挤内层原料由第一进料口进入第一螺旋流道后进入平直段，同时共挤外层原料由第二进料口进入第二螺旋流道，使原料回流，在挤压通道内对原料施加一定压力，在共挤内层的平直段处实现双层复合，经过模口处挤出与芯管复合完成最终成型。

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