燃气管用抗静电聚乙烯复合材料的制备及性能研究

秦小梅，彭晓翊，李白千，王　军，郑　成，王浩江，刘　煜

(1 佛山市日丰企业有限公司，广东佛山 528000；2 广州大学，

广东广州 510006；3 广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)



燃气管用抗静电聚乙烯复合材料的制备及性能研究

秦小梅1，彭晓翊1，李白千1，王军1，郑成2，王浩江3，刘煜3

(1 佛山市日丰企业有限公司，广东佛山 528000；2 广州大学，

广东广州 510006；3 广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

摘要：通过将十四烷基甲基二羟乙基溴化铵(TMDAB)、甜菜碱和导电炭黑复配，得到高效持久的复合抗静电剂，利用其对聚乙烯进行改性，从而研制出新型抗静电聚乙烯复合材料，进一步开发出新型抗静电聚乙烯管材，消除静电带来的安全隐患，扩大其在燃气管领域的应用。

关键词：抗静电剂，聚乙烯，表面电阻率，燃气管

随着科学技术的飞速发展，高分子材料在生产和生活中得到越来越多的广泛的应用。因为高分子材料大多为优良的绝缘材料，因此在其使用过程中产生的静电给各个工业部门和人类带来的影响也越来越突出。这种静电是由于摩擦、挤压等原因使复合材料制品表面积累电荷所致。静电积累到一定程度，就会引起静电放电，导致生产障碍、火灾、爆炸现象的发生，给人身安全和社会带来巨大的危害和经济损失。因此，静电危害及抗静电技术的应用正日益受到重视，抗静电复合材料成为近年来的研究热点[1-3]。

在塑料管道行业，聚烯烃以其质轻、无毒、成型加工容易、性价比高等优势得到了广泛应用，正逐渐取代寿命短、高能耗的传统钢管管材。随着我国经济建设的发展、环境保护及节能降耗需求的增大，聚烯烃管材越来越多地被应用于排水管网、给水管网、燃气管网的建设中。但由于聚烯烃属于电绝缘材料，管材表面容易积累静电荷，当输送易燃易爆流体时，可能引起火灾或爆炸，存在较大的安全隐患。

目前，对聚烯烃管材抗静电性的研究大多集中在聚氯乙烯管(PVC)方面，并同时研究其阻燃性能，得到抗静电阻燃PVC管材，主要应用于煤矿、金属矿等矿井下排水、通风、排气等。针对聚乙烯管材抗静电性能的研究还相对较少，且大多通过添加导电炭黑来达到抗静电的目的。导电炭黑虽然重量轻、比表面积大、导电效果好，但通常添加量较大，一般在5%~20%范围内，才能使管材的表面电阻率小于109Ω，从而达到抗静电的效果。由于其添加量较大而存在分散困难的问题，不利于规模化生产。针对以上问题，本文通过研究导电炭黑与抗静电剂复配体系，开发出一种新型抗静电聚乙烯复合材料，该材料可用于生产具有抗静电功能的燃气管，消除静电带来的安全隐患[4-5]。

1实验

1.1　原料与仪器

中密度聚乙烯(MDPE)，HHM3802，雪佛龙菲利普斯化工有限公司；线性低密度聚乙烯(LLDPE)，7144，茂名石化；导电炭黑，VXC-72R，美国卡博特公司；十四烷基甲基二羟乙基溴化铵(TMDAB)，由广州大学合成，分析纯；甜菜碱，市售；纳米碳酸钙，市售；抗氧化剂1010、168，宁波金海雅宝化工有限公司，工业级；蒸馏水，自制；脱脂棉，市售。

高速混合机，张家港市晨星机械有限公司，SHR 10A；双螺杆挤出机，SJSH-Z-30型，长径比36，螺杆直径30mm，中国/南京橡塑机械厂；HAAKE转矩流变仪，XSS300，上海轻机模具厂；双层电热平板硫化机，XLB-D 350×350×2，广东省番禺橡胶机械厂；高阻计，ZC-90，上海太欧电子有限公司；熔融指数测试仪，ZRZ1452，深圳新三思；微机控制万能试验机，CHT4305，深圳新三思；差示扫描量热仪(DSC)，Q20，美国TA公司；高压耐压爆破试验机，ZNY-50B，深圳新三思。

1.2　新型抗静电聚乙烯复合材料的制备

(1)母料的制备

将TMDAB、甜菜碱用一定量纳米碳酸钙吸附，在高速混合机中与7144树脂粉、抗氧剂等混合均匀，再经双螺杆挤出机挤出造粒，分别制得TMDAB含量为15%、甜菜碱含量为10%的抗静电母粒。其制备工艺如图1所示。

图1　抗静电母料制备工艺

(2)复合材料的制备

根据不同的配比，将3802与抗静电母粒、导电炭黑在高速混合机中充分混合后，加入到HAAKE转矩流变仪的混合室中进行密炼塑化，再用双层电热平板硫化机熔融压片，制得抗静电聚乙烯复合材料。

(3)管材的制备

抗静电燃气管材制备工艺流程如图2所示。

图2　管材制备工艺流程

1.3　性能测试

表面电阻率按GB/T 1040-2006测试；熔体流动速率按GB/T 3682-2000测试；力学性能按GB/T 1040.2-2006测试；氧化诱导期(OIT)测试按GB/T 17391-2003测试；管材基本性能按GB/T 18997.1-2003测试。

2结果与讨论

2.1　导电炭黑含量的确定

聚乙烯树脂的热稳定性是影响管材使用寿命的重要参数之一。导电炭黑含量对聚乙烯树脂的影响如图3所示。从图3可以看出，随着导电炭黑含量的增加，虽然聚乙烯的表面电阻率迅速下降，但其氧化诱导期(OIT)也随之下降，说明导电炭黑对聚乙烯树脂的热稳定性影响显著。当炭黑含量为质量分数2.5%时，OIT为60.8min，已接近原材料指标要求的下限(60min)。因此，综合考虑性能、成本、加工等因素，本研究将导电炭黑添加量确定为质量分数2.5%。

图3　炭黑含量对聚乙烯表面电阻率、氧化诱导期

2.2　复配抗静电体系对聚乙烯抗静电性能的影响

TMDAB、甜菜碱抗静电剂含量分别选择质量分数0.5%、1.0%、1.5%，通过正交设计，与聚乙烯树脂、2.5%导电炭黑熔融混合，制备抗静电聚乙烯复合材料。表1为各配方的表面电阻率测试情况。从表1可知，添加复配体系后材料的表面电阻率进一步降低，说明各组份具有协同抗静电效果。TMDAB、甜菜碱含量分别为1.5%、1.5%时，材料的表面电阻率可达1.18×108Ω，达到本项目预期指标要求，抗静电效果优良。

表1　聚乙烯复合材料表面电阻率测试结果

2.3　抗静电聚乙烯复合材料的耐久性及耐水洗性

抗静电剂与PE的相容性具有一定限度，材料加工成型后，抗静电剂倾向于由材料内部向材料表面迁移，从而疏导PE表面积累的剩余电荷。由图4可知，随着放置时间的延长，抗静电聚乙烯复合材料的表面电阻率虽略有增大，但始终维持在同一数量级，复合材料的抗静电耐久性较好。此外，水洗前后材料的表面电阻率基本不变，耐水洗性优良。这都是因为所用抗静电剂体系与PE基体相容性好，其极性链段与PE分子链作用力较强，抗静电剂不易快速向材料表面迁移，也不易被水冲洗带走。

图4　放置时间及水洗处理对聚乙烯复合材料

2.4　抗静电聚乙烯复合材料的基本性能

针对前述研究中达到抗静电性能预期的配方，本文根据管材用原料指标基本要求测试了熔指、屈服强度、断裂伸长率和OIT。从表2可以看出，配方6、8、9都可满足管材用原料指标基本要求，可挤出成管。

表2　抗静电复合材料基本性能

2.5　抗静电燃气用铝塑复合管的试制及性能

以配方9为例，结合工艺调试，试制了抗静电聚烯烃管材，并测试管材的基本性能和表面电阻率，测试结果如表3所示。由表3可知，新型抗静电聚乙烯燃气管材的表面电阻率为2.57×108Ω，具有良好的抗静电效果；其基本性能符合国家标准GB/T 18997.1-2003《铝塑复合压力管 第1部分：铝管搭接焊式铝塑管》中对燃气用铝塑复合管材的要求。

表3　抗静电燃气用铝塑复合管性能

3结论

(1)过多添加导电炭黑会影响管材用聚乙烯材料的热氧性能。

(2)经TMDAB、甜菜碱、导电炭黑复配体系改性的聚乙烯材料具有良好的抗静电性能，且可满足管材用原料指标基本要求。

(3)试制的抗静电聚乙烯管材抗静电效果良好，符合相应国家标准对管材的性能要求。

参考文献

[1] 施明，等.十八烷基二羟乙基甲基溴化铵作为聚丙烯抗静电添加剂的研究[J].化工学报，2012，63(11)：3723-3729.

[2] 郑成，等.十二烷基二羟乙基甲基溴化铵的抗静电性能研究[J].广州大学学报：自然科学版，2013，12(1)：40-47.

[3] 刘方.高密度聚乙烯抗静电性能的研究[J].中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集，2002：162-165.

[4] 陈红，等.线型低密度聚乙烯抗静电母料的研究[J].塑料科技，2009，37(7)：55-58.

[5] 刘方，等.新型复合抗静电剂配方的研究[J].中国塑料，2003，17(3)：36-39.

Preparation and Properties of Antistatic Polyethylene Composite Material for Gas Pipe

QIN Xiao-mei1，PENG Xiao-yi1，LI Bai-qian1，WANG Jun1，ZHENG Cheng2，WANG Hao-jiang3，LIU Yu3

(1 Foshan Rifeng Enterprises Co.，Ltd，Foshan 528000，Guangdong，China；2 Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China；3 Guangzhou Research Institute Co.，Ltd of synthetic materials，Guangzhou 510665，Guangdong，China)

Abstract：Antistatic agent composed of tetradecyl methyl dihydroxyethyl ammonium bromide(TMDAB)，betaine and graphitized carbon black were used to modify polyethylene in this article. Thus，a new type of antistatic polyethylene composite material was developed. Further，a new type of antistatic polyethylene pipe can be developed to eliminate the safety hazards caused by static electricity，broadening its application in gas area.

Key words：antistatic agent，polyethylene，surface resistivity，gas pipe

中图分类号：TQ 322.2