[发明专利]耐磨型煤矿井下用聚乙烯管材的组成及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有超耐磨性能的煤矿井下用聚乙烯管材的组成及制备方法，该配方还可用于生产输送易燃易爆气体管道和电器用塑料制品等。

背景技术

我国具有丰富的煤矿资源，其占能源总数的60％，且每年的产量大约在30亿吨以上，为了确保井下生产作业的安全，在煤矿挖掘时，必须要保证井下通风，以此避免瓦斯、煤尘等造成的爆炸等恶性事故。传统的井下矿用管材主要有钢管、铸铁管和玻璃钢管三大类，但是这些管材在井下使用时，极易因碰撞而产生火花，从而导致瓦斯爆炸，并且管材的运输、安装也极为不便，因此用塑料管材取代金属管材已逐渐受到关注。

聚乙烯管材本身具有成本低、重量轻，安装方便和具有较强耐腐蚀性的优点，但是其也存在着易燃，易产生静电等缺点，因此，国内大量研究工作者通过加入各种助剂的方法来改性聚乙烯，如添加含有溴和锑元素的化合物提高其阻燃性，利用导电炭黑或抗静电剂增加管材内、外壁的导电性等。

同时，当塑料管材在煤矿井下铺设安装过程中由于拖拽、与地面及墙壁的摩擦作用，或在排水、抽瓦斯等使用过程中混有沙石对内壁的摩擦和刮蹭，极易使管材出现划痕、破损，导致管材力学性能的下降，或造成管材内外壁阻燃抗静电功能层的脱落，严重影响塑料管材的使用性能，形成生产中的安全隐患，此问题在煤矿井下用管材的研究、生产中一直被忽略。本发明加入的一种改性剂——“超耐磨炭黑”可以解决以上问题，降低煤矿井下作业过程中的危险系数。

炭黑是橡胶工业中一种非常重要补强剂，由于其同时还具有出色抗静电性、着色性、紫外线屏蔽性以及耐磨性能也被塑料、涂料和干电池等领域广泛应用。自然界中，碳元素组成的固体物质从微观结构可分为晶体和无定形体两大类，但是炭黑属工业碳产品，其微观结构不具备上述两种典型的形体，而是一种介于石墨晶体结构与无定形体结构之间的较为复杂的微观形体。炭黑主要是由两种结构组成：炭黑粒子连接在一起并熔结成三维空间聚集体结构称为一次结构或原生结构；聚集体之间由范德华力凝聚而成的附聚集体结构称为二次结构或暂时结构，炭黑的一次结构牢固，二次结构疏松，炭黑中复杂的一次和二次结构使其存在大量的空隙，结构高的炭黑空隙容积大，结构低的炭黑空隙容积小，因此DBP吸收值就是用空隙容积来度量炭黑结构。

炭黑按制造方法可分为不完全燃烧法和热裂解法两大类，其中具有耐磨性能炭黑主要采用不完全燃烧法中的油炉法和气炉法两种方法制备。炭黑的型号一般采用1个字母和3个数字的方式：N表示正常硫化速度，S表示缓慢硫化速度；3个数字的第一个数字表示比表面积；第2、3个数字组成的数分别小于20、30、50的炭黑为低结构炭黑，第2、3个数字组成的数分别大于20、30、50的炭黑为高结构炭黑。

测定塑料的耐磨性能需对其进行摩擦磨损试验，磨损试验比常规的材料试验要复杂，首先需要确定塑料的磨损形式，然后选定合适的试验方法，以便试验结果与实际结果吻合，其中磨损形式主要包括：磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀等。

磨损率是用来表征塑料耐磨性能的参数，即以单位时间内塑料的磨损量，计算公式为：磨损率＝dV/dt(V：磨损量；t磨损时间)。磨损率值越小，表明管材耐磨性能越好，反之管材耐磨性能较差。

发明内容

本发明主要内容是提供一种既具有永久性、优异性的阻燃抗静电功能，同时又具有耐磨性能的煤矿井下用聚乙烯管材的组成及其制备方法。

耐磨型煤矿井下用聚乙烯管材，其特征在于其重量组成比例为：超耐磨炭黑2％～5％，超导电炭黑10％～20％，十溴二苯醚10％～20％，三氧化二锑5％～10％，POE5％～10％，抗氧剂0.5％～1％，加工助剂2％～4％，其余为高密度聚乙烯。

本发明所用的耐磨改性剂主要为型号为“N”的耐磨炭黑，包括N110、N219、N220、N234、N326、N330、N339、N375等，首选N110。

N110，又称为超耐磨炭黑，属硬质炭黑，由不完全燃烧法中的油炉法制备而成，粒径约为11～15nm，是耐磨炭黑中粒径最小的一种，具有标准的结构性，吸碘值为145～152g/kg，DBP吸收值为113～120cm³/100g，氮吸附比表面积为136～150m²/g，CTAB吸附比表面积为119～133m²/g，与N330和N220相比，仅需少量的添加，材料的耐磨性就可提高10％～20％，并同时赋予材料较高的拉伸强度和导电性能，是材料补强抗磨最好的品种之一。