阻燃抗静电聚乙烯塑料的研究

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塑料工业阻燃抗静电聚乙烯塑料的研究刘罡12（1煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆40003 72重庆科聚孚工程塑料有限责任公司，重庆401332）获得了完全满足煤矿井下用瓦斯抽放管要求的阻燃抗静电HE塑料。考察了上述添加物及其添加量对聚乙烯阻燃、抗静电和机械性能的影响。结果表明，HE的阻燃抗静电性受分散体系、阻燃剂、抗静电剂等助剂的添加量及配比影响，纳米碳酸钙的加入对HE的导电性能有改善，对阻燃性能无明显影响；十溴与氧化锑的质量比以4/1为好，炭黑及EVA的加入提高了HE塑料的阻燃性；添加纳米碳酸钙在保持良好的冲击韧性的同时，能明显提高体系的拉伸强度，并且对抗静电性能有促进作用。　　聚乙烯（FE）具有良好的化学稳定性、耐穿刺性和冲击性能，特别是耐低温性能好，脆化温度一般可达一50°C以下。HE的加工性能很好，加工温度范围宽。但HE塑料也有拉伸强度较低、抗蠕变性不好、耐环境应力开裂性不好、耐热性不高及易燃等缺点，故将FE塑料应用于矿井时，尚需对其进行必要的改性处理，使其在保持优良物理机械性能的同时，还应具有阻燃和抗静电性能。聚乙烯塑料氧指数只有17左右，表明聚乙烯极易燃烧111.要获得符合要求的阻燃塑料，就需要对塑料进行阻燃改性处理。塑料的阻燃改性一般有向塑料中添加阻燃剂、向塑料中共混入具有高阻燃性的树脂以及在塑料制品表面层化阻燃材料等几种方法1.另一方面，为了改进塑料的抗静电性，通常采用添加抗静电剂的办法即可达到要求，但若要赋予其导电性，则需要加入炭黑类材料或金属类材料等导电物质。本研究采用抗静电剂与炭黑共同添加的方法来改进HE的抗静电性，同时添加阻燃剂来改进其阻燃性能。　　1，从中可以看到，炭黑质量氧化锑及纳米碳酸钙填料，经测试BE复合物的绝缘PE对脂：P5000SPE1A北京燕山石化公司产品；EVA树脂：法国阿托菲纳公司；三元乙丙胶：美国杜邦公司；接枝聚乙烯：自制；十溴联苯醚（102E）：美国大湖公司；氧化锑：湖南华昌锑业公司；导电炭黑：四川自贡炭黑研究所；抗静电剂：瑞士汽巴公司；聚乙烯蜡：成都祥和专用蜡厂；抗氧剂：瑞士汽巴公司；偶联剂：南京曙光化工厂；纳米碳酸钙：成都都江堰钙品公司。　　1.2仪器与设备高速混合机：HR-200型，张家港亿利机械有限公司；双螺杆挤出机：TE65型，江苏科亚化工装备有限公司；注塑机：SZ90型，广东东华机械有限公司；熔体流动速率仪：PXRZ4C型，吉林大学科教仪器厂；电子拉力试验机：X1D20型，承德市金建检测仪器有限公司；悬臂梁冲击试验机：XU-5.5型，承德市金建检测仪器有限公司；热变形、维卡软化点温度测定仪：XW-300型，承德市金建检测仪器有限公司；表面绝缘电阻仪：ZC46型，上海第六电表厂；酒精喷灯试验装置：按标准自制。　　1.3制备首先偶联活化处理填料，将高速混合机加热至100~120°C，将偶联剂及聚乙烯蜡与导电炭黑、阻燃剂、纳米碳酸钙等加入混合机中高速搅拌15 ~20mi出料冷却之后将其密封包装，以免吸湿。然后将聚乙烯树脂、EVA三元乙丙胶、接枝聚乙烯等先投入混合机中，再缓慢加入抗静电剂，最后将填料及抗氧剂等加入混合机中混匀后出料。混合好后的物料应立即使用，经过双螺杆挤出机挤出造粒，得到改性聚乙烯粒料。粒料烘干后经注塑机成型为标准测试样条。　　4性能测试伸强度和断裂伸长率按GB/T1040i2006测试；弯曲强度按GB/T9341― 2000测试；悬臂梁冲击强度按CB/T1843-1996测试；维卡软化温度按〔B/T 1634―2004测试；燃烧性能及抗静电性能按MT13-1995测试。　　2结果与讨论1炭黑对PE绝缘电阻的影响在以PE为主体、添加一定的分散助剂的基本材料配方中，变换炭黑的添加量，选择其质量分数分别为3%、5%、7%、9%、11%、13%15%、20%以期找到达到要求的抗静电性能时最适宜的炭黑添加分数在11%时，曲线出现拐点，材料的表面电阻（R）产生“阶跃”现象，表明在此时复合材料内部导电网络已经形成，塑料的表面电阻急剧下降（体积电阻也如此）掺入PE中的炭黑在11%时达到临界点，P聚合物发生了以克服粒子间的排斥作用而使它们相互连接起来，从而形成网链，为载流子的传递提供了通道。随着炭黑含量的继续增加，材料的绝缘电阻虽然继续下降，但已趋于平缓。　　2.2分散体系对PE绝缘电阻的影响由于导电炭黑的高结构性，当它添加入聚合物中时，炭黑粒子间极易团聚，很难分散开来，从而影响聚合物基体中导电网络的形成。因而如何将炭黑均匀分散于PE塑料中，这将直接影响PE塑料的绝缘电阻。本文先将炭黑用偶联剂和聚乙烯蜡活化处理，与PE共混时再加入一定比例的EVA作为分散剂，得到如的结果。从中可以看出，曲线中绝缘电阻出现“阶跃”的拐点提前至炭黑含量在9%左右。这说明EVA的加入促进了导电炭黑的分散，在炭黑含量更少的情况下，获得了预期的导电效果。　　2.3阻燃剂及碳酸钙等无机填料对PE绝缘电阻的电阻，得到如的结果。从中看到，绝缘电阻的“阶跃”点提前至炭黑质量分数为8%左右。这可能是由于其他无机物的加入在聚合物中起到了掺杂的效果，使FE的绝缘电阻有所降低。或者是粉状无机物使炭黑在PE中得到了更好的分散。　　塑料工业2.4阻燃剂用量对FE燃烧性能的影响对于聚乙烯的阻燃一般采用卤素阻燃剂与氧化锑并用的方法。本研究采用十溴联苯醚与三氧化二锑并用的方法，并对配用的比例进行了。这有两方面的原因：一是因为EVA在燃烧时比PE更易形成炭层，从而可阻止可燃性气体逸入火焰区，并保护下层材料免遭破坏；二是因为EVA促进了阻燃剂等无机物在PE中的分散，使阻燃剂在PE中得到均匀分布，从而其阻燃性能更加均匀稳定。　　表3EVA对PE沮燃性能的影响燃烧性能未加EVA有焰燃烧时间/s（6条试样之和）无焰燃烧时间/s（6条试样之和）2.7三元乙丙胶及纳米碳酸钙对抗静电阻燃PE塑料性能的影响如上所述，PE中要获得要求的抗静电及阻燃性能需加入较多的阻燃剂及导电炭黑等，这些添加物的加入大大影响了PE塑料的机械性能，特别是大量炭黑的加入，更是大大降低了PE塑料的冲击强度及拉断伸长率等。试验结果见表4为了在获得抗静电及阻燃性能的同时能使PE塑料保持较好的物理机械性能，就需要对料进行柳。本研究选择三元乙丙胶作为FE的增韧剂。虽然三元乙丙胶与PE的相容性较好，但其大分子呈现的极性还是有较大差异，这就导致在二者共混时其界面仍然有一定的不相容性。为了进一步改善共混体系的相容性，向体系中添加了作为相容剂的马来酸酐接枝PE为了提高体系的拉伸强度，在体系中加入了一定量的纳米碳酸钙。　　纳米碳酸钙加入共混体系后，在拉伸强度得到提高的同时，其伸长率及冲击强度也得到良好的保持。　　表4纳米碳酸钙对阻燃抗静电PE塑料性能的影响项目阻燃抗静电PE阻燃抗静电PV三元乙丙胶阻燃抗静电PE/三元乙丙胶/纳米碳酸钙拉伸强度/MPa伸长率/%悬臂梁缺口冲击强度表面电阻W有焰燃烧时间/s（6条试样之和）无焰燃烧时间/s（6条试样之和）从表4中可以看出，三元乙丙胶的加入对PE塑料的阻燃性能及抗静电性能几乎没有影响。纳米碳酸钙的加入对阻燃性能的影响较小，而对抗静电性能有明显影响，这在前面已经述及。　　3结论通过采用共混改性的方式、经双螺杆挤出造粒的方法，获得了阻燃抗静电PE塑料，其拉伸强度为13.8MPa伸长率为360%、悬臂梁缺口冲击强度为34k/ni、表面电阻为7.8X14a有焰燃烧时间6条试样之和为3S无焰燃烧时间6条试样之和0S该材料完全满足煤矿井下用塑料瓦斯抽放管的要求，且该材料也可用于矿井下用其它塑料制品。　　PE的导电性直接受炭黑在FE中的添加量的影响，但存在“阶跃”现象。良好的分散体系、阻燃剂及纳米碳酸钙的加入对PE的导电性能有所改善。　　FE的阻燃性能通过添加复配阻燃剂获得，十溴与氧化锑的质量比以4/1为好，炭黑及EVA的加入提高了PE塑料的阻燃性。　　以接枝PE作为相容剂，三元乙丙胶对阻燃抗静电PE塑料具有显著的增韧作用，同时发现三元乙丙胶对体系的阻燃抗静电性能无明显影响。　　添加纳米碳酸钙在保持良好的冲击韧性的同时，能明显提高体系的拉伸强度，并且纳米碳酸钙对抗静电性能有促进作用，而对阻燃性能无明显影响。