[发明专利]晶须增强型煤矿井下用聚乙烯管材组成及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶须增强型煤矿井下用聚乙烯管材的组成及制备方法，属于改性聚乙烯技术领域，该方法还可用于煤矿井下用塑料管件、排水管、塑料电器制品和易燃易爆气体管道的生产。

背景技术

煤炭是我国的主要能源之一，每年的产量大约在30亿吨以上，占能源总数的70％。传统煤矿生产中进行井下通风、排水、排尘的管材主要为钢管、铸铁管或玻璃钢管三大类，但是此三类管材在工作环境较差的煤矿井下使用时极易因碰撞产生火花，而导致瓦斯爆炸，或因管材部分锈蚀破裂产生透水等严重危机人身安全的重大生产事故，并且此类管材的运输、安装也极为不便。由于塑料管材具有较好的耐腐蚀性、重量轻、使用寿命长和安装方便的特点，用其取代金属管材已逐渐得到人们的关注和重视。

聚乙烯是众多塑料管材中性价比较高，成型工艺和性能较稳定的一种产品，也是金属矿用管材比较好的替代品，但是其也存在着易燃、易产生静电等缺点，因此需对其进行改性处理，经过大量试验证实聚乙烯与相关助剂共混后重新造粒，制成的专用料可使煤矿井下用管材获得持久且良好的助燃导电性能，其中常用的功能型助剂如：利用导电炭黑或抗静电剂可增加管材内、外壁的导电性能，添加含有溴和锑元素的化合物可赋予材料的阻燃性能，但是为保证煤矿用管材的阻燃导电性其相关助剂的添加量比较大，从而导致了材料力学性能的下降，故在确保管材具有合格的阻燃导电性能的同时，还要使其具有优异的力学性能，成为了煤矿井下用塑料管材的研究热点。

提高管材强度的方法很多，如采用超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)为基体树脂；添加玻璃纤维或碳纤维；或与液晶高分子聚合物(LCP)共混增加强度等。本发明则采用镁盐晶须作为增强助剂，用于提高煤矿井下用聚乙烯管材的力学强度。

晶须是指在人为控制条件下以单晶形式生长而成的具有较高长径比的单晶短纤维材料，具有直径小、模量高等特点，由于其原子排列高度有序，因而强度已接近于完美晶体的理论值，机械强度等于邻接原子间力，因此当作为增强改性材料时可显示出极佳的物理机械性能。随着合成工业的快速发展，目前所制成的晶须包括：金属、碳化物、卤化物、氮化物等，但是由于其成本较高，制作工艺相对复杂，很难在普通工业中推广，然而镁盐晶须则是一种生产成本低、制备工艺简单、性能优异的增强材料，它不仅具有与碳纤维等相近似的强度和性能，而且原料易得、具有环境友好性，是一种适宜工业化生产的增强材料。

镁盐晶须，简称M-HOS，化学通式为xMgSO₄·yMg(OH)₂·zH₂O，现主要合成种类包括：138、152、153、158等类型，其中使用最普遍的为153型，即MgSO₄·5Mg(OH)₂·3H₂O。镁盐晶须通常采用水热合成方法，以氢氧化钠、硫酸镁和硫酸钠水溶液为原料，在高压反应釜中加热到130℃～200℃，反应2～10小时制得成品，此方法生产工艺简单、成本低、效率高、无污染物排放且产品纯度较高，由该方法制备的产品其外观为白色粉体，显微镜下观察为单个针状或扇形晶须，具有强度高、密度低、高弹性模量的特点，是塑料、橡胶、树脂等复合材料常用的增韧补强剂。

从镁盐晶须的化学结构可见，其不仅有较强的补强性能，还具备一定的阻燃性能，适合于通用塑料的阻燃改性使用，其中镁盐晶须和Mg(OH)₂、Al(OH)₃的阻燃机理相似，即利用在燃烧时发生的脱水反应吸收大量的外界热能从而降低基材的温度，同时生成的水蒸气不仅能稀释火焰区反应气体的浓度还可以吸收烟雾，起到消烟的作用，镁盐晶须同时解决了Al(OH)₃分解温度低和Mg(OH)₂吸热量不高的缺点，可确保其在较高的成型加工温度时可以表现出良好的阻燃效果，因此镁盐晶须是一种高性能的无机阻燃增强材料。

发明内容

本发明主要内容是提供一种既具有持久、优异的阻燃抗静电性能，同时又具高强度的煤矿井下用聚乙烯管材的组成及其制备方法。

晶须增强型煤矿井下用聚乙烯管材，其特征在于其重量组成比例为：镁盐晶须10％～30％，超导电炭黑5％～10％，十溴二苯醚5％～15％，三氧化二锑2％～8％，POE 2％～5％，加工助剂1％～2％，其余为高密度聚乙烯。

本发明所用的镁盐晶须种类包括138型、152型、153型、158型等，首选153型。