[发明专利]无卤阻燃抗静电聚乙烯材料、管道及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无卤阻燃抗静电聚乙烯材料及使用该材料制备的无卤阻燃抗静电聚乙烯 管和它们的制备方法，属于塑料管道加工领域。

背景技术

聚乙烯管因质轻、耐腐蚀、耐老化、易安装等特点在矿井中使用越来越广泛，在矿井中 主要应用于压风、排水、通风、抽浆、排放瓦斯等。塑料管材上聚集的静电对矿井危害较大 ，以抽放瓦斯管为例，在抽放过程中，管道中流动的物质主要是瓦斯主体，但夹杂一定数量 的粉尘，这些带有固体粉尘的气流，在塑料管道中以一定的速度流动时，气体和固体粉尘将 与管壁发生频繁的摩擦和碰撞，从而产生强烈的静电，伴有火花放电现象，其放电火花的能 量足以点燃瓦斯，容易引起火灾或瓦斯爆炸，造成矿井事故，但通用聚乙烯(PE)管材抗静 电和阻燃性能达不到行业要求，因此需要特殊的矿井用阻燃抗静电聚乙烯专用管道。

由于阻燃可抗静电是两个独立的过程，因此制备兼具阻燃性和抗静电性的聚乙烯材料需 要分别对其改性。国内外对PE的阻燃和抗静电改性进行了大量研究。

聚乙烯阻燃主要有以下几种途径：

(1)卤系阻燃剂是有机卤化物(以十溴、六溴为代表)与Sb₂O₃复配使用对PE进行阻燃 。在燃烧分解时能捕捉PE降解反应生成的自由基，延缓或终止燃烧的链反应，释放出密度 大、难燃的气体。当加入少量的红磷和硼酸锌后，其氧指数得到较大的提高。该阻燃体系 阻燃效果较好，但燃烧时发烟量大、产生腐蚀和有毒气体，环保性差，现已逐渐被限制使用 。

(2)磷系阻燃剂的阻燃机理是聚合物燃烧时，红磷形成磷酸的衍生物，起到吸收热量的 作用，阻碍燃烧性产物的生成；生成的PO·自由基补捉火焰中的H·与·OH自由基，起到阻 燃的作用。红磷含量8％可使HDPE的阻燃级别达到UL94 V0级，该阻燃体系的特点是发烟量 小、低毒、用量少，阻燃效果尚可。但与树脂相容性差，不稳定、易燃烧、需包覆。

(3)氮系阻燃剂在发生火灾时，易受热放出CO₂，N₂，NH₃，NO₂和H₂O等不燃性气体 ，稀释空气中的氧和高聚物受热分解时产生的可燃性气体的浓度，同时带走一部分热量。氮 气能捕捉自由基，抑制高聚物的连锁反应，从而达到了阻燃目的。氮系阻燃剂在聚氨酯、聚 酰胺中有较好的阻燃性能。目前，单独使用氮系阻燃剂阻燃PE效果不佳，主要是因为成炭 效果不佳所致。该阻燃体系添加量较大，加工性能较差，材料力学性能较差，须和磷系阻燃 剂、成碳剂互配使用，成本较高。

(4)有机膨胀型阻燃剂，IFR(Intumescent Flame Ratardant)具有高阻燃性，无熔 滴滴落行为，对长时间或重复暴露在火焰中有极好的抵抗性；无卤，无氧化锑；低烟、无毒、 无腐蚀性气体产生等优点。膨胀型阻燃剂是由三部分组成，即碳源、酸源、发泡源。酸源一 般指无机酸或能在燃烧加热时原位生成酸的盐类，如磷酸、硫酸及磷酸酯等物质。碳源一般 指多碳的多元醇化合物，如季戊四醇、乙二醇等。发泡源指含氮的多碳化合物，如尿素、双氰 氨、聚酰胺、三氯氰氨等。膨胀性阻燃体系的缺点是添加量大，加工性能较差，成本较高。

(5)无机阻燃剂是一种无卤阻燃剂，具有热稳定性好、阻燃无毒、不挥发、不产生腐 蚀性气体、发烟量小、不产生二次污染等，成本低等优点，在聚乙烯的阻燃化中具有重要地 位。主要有氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌等，其作用机理是吸收热分解产生的热量，降低体 系温度，促进炭化和抑烟的发生，从而发挥阻燃作用。但无机阻燃剂添加量大，加工性能差 ，制品机械性能差。无机阻燃剂的发展趋势是超细化、超细分散和协同效应，以此来降低填 充量从而改善加工性能和制品力学性能。

PE的抗静电改性主要有三种技术：

(1)在PE中添加抗静电剂；(2)在PE管表面涂敷导电涂料获抗静电性能；(3)在PE 中添加导电材料。对于前两种技术由于性能可靠性差，难以持久应用较少。比较普遍的做法 是在树脂中添加导电材料。这些导电材料有金属材料(如金属粉末、金属纤维、金属碎屑等 )、镀金无机纤维(如涂镀金属玻璃纤维、涂镀金属云母等)和碳类导电材料(如碳黑、石 墨、碳纤维等)。金属材料由于与树脂相容性差、分散困难，导电材料的力学性能欠佳；镀 金无机纤维的导电效率低，导电性能持久性差；对于碳类导电材料，其与树脂的相容性相对 较好、添加量低、导电效率较高，材料性能较好，现已较为广泛的使用。