CN115340717A - 一种煤矿井下用本色聚烯烃材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能高分子新材料领域，公开了一种煤矿井下用本色聚烯烃材料的制备方法，该方法包括：(1)将聚烯烃、接枝环烯烃共聚物和导电剂进行除湿；(2)将除湿后的聚烯烃、除湿后的接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、除湿后的导电剂、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂和加工助剂依次进行搅拌混合、共混挤出、冷却造粒和干燥；其中，所述导电剂选自二维过渡金属碳/氮化合物和/或聚酰胺弹性体。本方法得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料不仅颜色浅，后期可根据需要着色，而且具备煤矿井下用产品的持久阻燃、抗静电的基本性能；优良的物理机械性能；耐高低温性能；适合煤矿井下用管道的安全技术要求，且产品的加工性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及功能高分子新材料领域，具体涉及一种煤矿井下用本色聚烯烃材料及其制备方法。
背景技术
我国已连续多年成为全球第一大煤炭生产国和消费国，目前生产和消费量约占全世界一半，主要用于电力、冶金、建材等重化工业。针对煤矿井下用管，人们一直沿用金属管道和非金属管道两种方式，其中金属管道易受到其他化学介质的腐蚀。腐蚀是引起管道破裂的主要因素之一，每年进行金属管道的维护及防腐刷漆的费用及其昂贵。
近些年出现的煤矿用聚烯烃管材，部分地解决了上述金属管材的问题。这类管线是以聚烯烃材料(主要有HDPE、PP、PVC等)为基本原料，或者为纯塑管材，或者为钢丝网骨架管材，即以钢丝作为骨架材料，在内层管上左右缠绕编织形成的网状结构，从而达到增强的目的。这些煤矿井下用聚烯烃管材，都是以导电炭黑作为导电材料，消除产品在使用过程中可能产生或集聚的静电，达到保障煤矿井下安全生产的目的。
随着技术的发展和产品使用的要求，单独的黑色管材已经不能满足煤矿井下使用及管理的需要。在煤矿井下，有多种流体集输组成的管网，如不同压力的清水输送、污水输送，煤层气或瓦斯输送、浆液输送等等。而在煤矿井下，均需要达到抗静电要求，所以目前这些管线均为以导电炭黑为抗静电剂的黑色管体。为了使管网中各种管道更加明晰、更适合标准化管理，对各种管道的区分显得越来越重要，如以红色管道输送煤层气或瓦斯、黑色管道输送煤矿浆液、蓝色为低压水输送管道、绿色为高压水输送管道等。
为了适应煤矿井下用各种管道的需要，由黑色的导电炭黑为抗静电剂的材料已经表现出明显的局限性，以其他浅色导电材料为抗静电剂的本色材料越来越受到市场的欢迎。通过对煤矿井下用本色材料的着色，生产出外层不同颜色的管道，满足煤矿井下管网的管理要求和使用性能的需要。目前，市场上的一些本色阻燃抗静电材料在质量上参差不齐，尤其在抗静电性能方面不稳定，其表面电阻时常在108—1010Ω之间波动，给煤矿井下用管道带来安全隐患。
目前市场上现有的阻燃抗静电聚乙烯材料，其主要机理是以该类材料作为主体，添加氯、溴等卤素材料作为阻燃添加剂，以含有机多元醇等吸水树脂作为抗静电剂，改性而成的一类本色阻燃抗静电材料。目前这类材料在一定条件下能够达到抗静电的目的，但是随着时间的延长以及外层吸水树脂量的衰减、空气中水分含量的高低变化，都直接影响了其抗静电性能的延续性和效果，从而给产品在煤矿井下的应用带来风险。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的阻燃抗静电聚乙烯材料颜色无法达到煤矿使用要求，提供一种煤矿井下用本色聚烯烃材料及其制备方法，该方法得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料不仅颜色浅(后期可根据需要着色)，而且具备煤矿井下用产品的持久阻燃、抗静电的基本性能；优良的物理机械性能；耐高低温性能；适合煤矿井下用管道的安全技术要求，且产品的加工性能良好。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种煤矿井下用本色聚烯烃材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将聚烯烃、接枝环烯烃共聚物和导电剂进行除湿；
(2)将除湿后的聚烯烃、除湿后的接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、除湿后的导电剂、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂和加工助剂依次进行搅拌混合、共混挤出、冷却造粒和干燥；
其中，以聚烯烃、接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂、导电剂和加工助剂的总用量为100重量份计，聚烯烃的用量为50-70重量份，接枝环烯烃共聚物的用量为1-5重量份，笼形聚倍半硅氧烷的用量为0.5-2重量份，硼系阻燃剂的用量为5-15重量份，磷系阻燃剂的用量为5-15重量份，导电剂的用量为15-30重量份，加工助剂的用量为0.2-1重量份；
所述导电剂选自二维过渡金属碳/氮化合物和/或聚酰胺弹性体。
优选地，所述聚烯烃选自聚乙烯和/或聚丙烯。
优选地，所述除湿的条件包括：温度为85-95℃，时间为4-6h。
优选地，所述硼系阻燃剂选自硼酸盐类。
优选地，所述硼系阻燃剂选自硼酸锌。
优选地，所述磷系阻燃剂选自磷酸盐类。
优选地，所述磷系阻燃剂选自次磷酸铝。
优选地，所述加工助剂选自抗氧剂和/或光稳定剂。
优选地，所述抗氧化剂选自抗氧化剂101。
优选地，所述光稳定剂选自UV-531。
优选地，所述搅拌混合的转速为200-500转/min。
优选地，所述共混挤出的条件包括：挤出温度为175-200℃，挤出速度为20-35转/min。
本发明第二方面提供一种由上述方法制备得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料。
本方法得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料具备煤矿井下用产品的持久阻燃、抗静电的基本性能；优良的物理机械性能；耐高低温性能；适合煤矿井下用管道的安全技术要求，且产品的加工性能良好；同时得到的为本色材料，以便在后期的管道制作过程中可通过着色为所需要的各种颜色的煤矿井下用管道。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种煤矿井下用本色聚烯烃材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将聚烯烃、接枝环烯烃共聚物和导电剂进行除湿；
(2)将除湿后的聚烯烃、除湿后的接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、除湿后的导电剂、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂和加工助剂依次进行搅拌混合、共混挤出、冷却造粒和干燥；
其中，以聚烯烃、接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂、导电剂和加工助剂的总用量为100重量份计，聚烯烃的用量为50-70重量份，接枝环烯烃共聚物的用量为1-5重量份，笼形聚倍半硅氧烷的用量为0.5-2重量份，硼系阻燃剂的用量为5-15重量份，磷系阻燃剂的用量为5-15重量份，导电剂的用量为15-30重量份，加工助剂的用量为0.2-1重量份；
所述导电剂选自二维过渡金属碳/氮化合物和/或聚酰胺弹性体。
本发明煤矿井下用本色聚烯烃材料，是以聚烯烃材料为主体，以改性得到的接枝环烯烃共聚物(mCOC)作为相容剂，以磷+硼系的浅色复合阻燃剂赋予体系提供稳定的阻燃性能；而作为本发明煤矿井下用本色聚烯烃材料的重点，在于相容剂和抗静电剂的使用：以mCOC作为相容剂能有效地将体系中的有机材料与无机材料相结合，也可以改善复合材料的加工性能；单独使用二维过渡金属碳/氮化合物(MXenes-Max)或聚酰胺弹性体，或两者的有机组合，均能达到该材料的抗静电性能要求；和添加式改性导电材料相比，二维过渡金属碳氮化合物(MXenes-Max)及聚酰胺弹性体属于分子结构导电，分子间形成导电网络，导电性能持久稳定，衰减极其缓慢；而添加式改性材料容易随着添加剂的流失和衰减，更易于失效；而笼形聚倍半硅氧烷(POSS)为杂化分子，无机相与有机相间通过强的化学键结合，不存在无机粒子的团聚和两相界面结合力弱的问题，可改善复合材料的加工性能。
进一步优选地，为了获得更好的抗静电性能，本发明中所述导电剂选自二维过渡金属碳/氮化合物和聚酰胺弹性体，当二维过渡金属碳/氮化合物和聚酰胺弹性体以一定比例混合时，分子间相互补充，形成协同导电效应，极大地减少了导电材料的添加量，使体系获得恒久的抗静电性能要求。
在本发明中，所述本色为浅色。
在本发明中，所述聚烯烃选自聚乙烯和/或聚丙烯。
在制备本发明所述煤矿井下用本色聚烯烃材料时，必须保持原材料的干燥。尤其是聚酰胺弹性体，要求水分含量≦0.2％；如果原料中的水分含量稍大，则在加工过程中会引起聚酰胺弹性体水解，致使材料的加工生产无法持续，严重影响到材料的性能。
因此在本发明中，对于聚烯烃、接枝环烯烃共聚物和导电剂，需要先进行除湿再进行使用，而对于其他原料，要求打开后24小时内使用完毕。
在本发明中，所述加热除湿的条件包括：温度为85-95℃，时间为4-6h。具体的，温度可以为85℃、86℃、87℃、88℃、89℃、90℃、91℃、92℃、93℃、94℃或95℃，时间可以为4h、4.5h、5h、5.5h或6h。
在本发明具体的实施方式中，按照本发明所述配比准确称取各种原料时，在称取过程中需注意保持原料的干燥。
在本发明中，所述硼系阻燃剂选自硼酸盐类，可以为本领域常规选择，在优选情况下，所述硼系阻燃剂选自硼酸锌。
在本发明中，所述磷系阻燃剂选自磷酸盐类，可以为本领域常规选择，在优选情况下，所述磷系阻燃剂选自次磷酸铝。
在本发明中，所述加工助剂可以为本领域常规选择，在优选情况下，所述加工助剂选自抗氧剂和/或光稳定剂。
在优选情况下，所述抗氧化剂选自抗氧化剂1010，所述光稳定剂选自UV-531。
在本发明中，为了使所有原料都能够充分混合均匀，因此控制各原料在低速下进行搅拌混合。在优选情况下，所述搅拌混合的转速为200-500转/min。具体地，所述搅拌混合的转速可以为200转/min、250转/min、300转/min、350转/min、400转/min、450转/min或500转/min。
在本发明所述的方法中，在搅拌混合过程中注意防水、防潮，在常温下搅拌混合即可，所述常温指的是25℃。
在本发明优选情况下，采用反应型双螺杆机组进行共混挤出、造粒操作。
在优选情况下，所述共混挤出的条件包括：挤出温度为175-200℃，挤出速度为20-35转/min。具体地，所述挤出温度可以为175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃，所述挤出速度可以为20转/min、30转/min或35转/min。
本发明第二方面提供一种由上述方法制备得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料。
本发明的煤矿井下用本色聚烯烃材料，是以聚烯烃材料为主体，以接枝环烯烃共聚物(mCOC)作为相容剂，通过添加特定高效的浅色体系的阻燃剂、抗静电剂、加工助剂等改性而成的一种阻燃抗静电材料，无溶剂、无污染、无毒、无味，属环保型化学材料。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明所述的方法不仅限于此。
以下实施例和对比例中，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、加工助剂、接枝环烯烃共聚物(mCOC)、笼形聚倍半硅氧烷(POSS)、二维过渡金属碳/氮化合物(MXenes-Max)、聚酰胺弹性体等原料均为商购得到的市售品；硼系阻燃剂选自硼酸锌、磷系阻燃剂选自次磷酸铝；
以下常温指的是25℃。
实施例1-5
(1)称取原料，称取过程中需注意保持原料的干燥；
(2)将聚烯烃、接枝环烯烃共聚物和导电剂进行热空气加热除湿，除湿的条件包括：温度为90℃，时间为5h。
(3)将除湿后的聚烯烃、除湿后的接枝环烯烃共聚物、除湿后的导电剂、笼形聚倍半硅氧烷、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂和加工助剂在常温下搅拌混合均匀，搅拌混合的转速为350转/min，然后通过反应型双螺杆机组共混挤出(挤出温度为190℃，挤出速度为25转/min)、冷却造粒和干燥，得到煤矿井下用本色聚烯烃材料。
其中，实施例1-5以及对比例1-6分别按表1和表2称取原料，其中加工助剂选自抗氧化剂1010和UV-531，抗氧化剂1010与UV-531的重量比为1:1。
表1
表2
测试例1
分别测试实施例1-5、对比例1-5制备得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击韧性、有焰燃烧时间以及表面电阻等，如表3和表4所示。
拉伸强度的测试方法为：GB/T 1040.1-2018；
断裂伸长率的测试方法为：GB/T 1040.1-2018；
弯曲强度的测试方法为：：GB/T1042-1979；
冲击韧性的测试方法为：通过落锤试验，观察材料断裂情况；
有焰燃烧时间的测试方法为：MT/T 181-1988；
表面电阻的测试方法为：MT/T 113-1995。
表3
| 编号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 拉伸强度MPa | 15 | 15.8 | 17.6 | 17.2 | 16.3 |
| 断裂伸长率％ | 320 | 345 | 376 | 382 | 370 |
| 弯曲强度MPa | 57 | 59 | 62 | 64 | 61 |
| 冲击韧性(-20℃) | 不断 | 不断 | 不断 | 不断 | 不断 |
| 有焰燃烧时间s | 2.6 | 2.4 | 2.1 | 2.3 | 2.5 |
| 表面电阻Ω | 6*10<sup>8</sup> | 1*10<sup>8</sup> | 8*10<sup>7</sup> | 9*10<sup>7</sup> | 3*10<sup>8</sup> |
表4
| 编号 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 | 对比例5 |
| 拉伸强度MPa | 16.6 | 10.3 | 17 | 10.1 | 12.2 |
| 断裂伸长率％ | 376 | 265 | 380 | 260 | 297 |
| 弯曲强度MPa | 62 | 31 | 65 | 30 | 42 |
| 冲击韧性(-20℃) | 不断 | 易断 | 不断 | 易断 | 易断 |
| 有焰燃烧时间s | 2.6 | 2.6 | 15 | 1.1 | 5 |
| 表面电阻Ω | 1*10<sup>10</sup> | 1*10<sup>7</sup> | 8*10<sup>7</sup> | 9*10<sup>7</sup> | 3*10<sup>9</sup> |
当甘油单硬脂酸酯用量≥3重量份，材料极易断裂，性能明显不合格，其中对比例6无法制取该材料，无法进行性能检测。
通过以上结果可以看出，当将本发明使用的导电剂(二维过渡金属碳/氮化合物和/或聚酰胺弹性体)替换成其他常规导电剂(甘油单硬脂酸酯)时，得到的材料的性能不满足使用要求，而采用本发明的方法得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料，具有良好的阻燃、抗静电基本性能、优良物理机械性能、耐高低温性能等特征，保证了产品阻燃抗静电性能的持久性和稳定性，符合适合煤矿井下用管道材料的安全技术要求，后期管道制作过程中可通过着色为所需要的各种颜色的煤矿井下用管道。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种煤矿井下用本色聚烯烃材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将聚烯烃、接枝环烯烃共聚物和导电剂进行除湿；
(2)将除湿后的聚烯烃、除湿后的接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、除湿后的导电剂、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂和加工助剂依次进行搅拌混合、共混挤出、冷却造粒和干燥；
其中，以聚烯烃、接枝环烯烃共聚物、笼形聚倍半硅氧烷、硼系阻燃剂、磷系阻燃剂、导电剂和加工助剂的总用量为100重量份计，聚烯烃的用量为50-70重量份，接枝环烯烃共聚物的用量为1-5重量份，笼形聚倍半硅氧烷的用量为0.5-2重量份，硼系阻燃剂的用量为5-15重量份，磷系阻燃剂的用量为5-15重量份，导电剂的用量为15-30重量份，加工助剂的用量为0.2-1重量份；
所述导电剂选自二维过渡金属碳/氮化合物和/或聚酰胺弹性体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚烯烃选自聚乙烯和/或聚丙烯。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述除湿的条件包括：温度为85-95℃，时间为4-6h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硼系阻燃剂选自硼酸盐类；
优选地，所述硼系阻燃剂选自硼酸锌。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷系阻燃剂选自磷酸盐类；
优选地，所述磷系阻燃剂选自次磷酸铝。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工助剂选自抗氧剂和/或光稳定剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述抗氧化剂选自抗氧化剂1010；
优选地，所述光稳定剂选自UV-531。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搅拌混合的转速为200-500转/min。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述共混挤出的条件包括：挤出温度为175-200℃，挤出速度为20-35转/min。
10.由权利要求1-9任意一项所述的方法制备得到的煤矿井下用本色聚烯烃材料。
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