PVC 管道內(nèi)壁抗靜電劑的研究與應(yīng)用

李志龍

（寧夏青龍塑料管材有限公司，寧夏 銀川 750021）

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢，工業(yè)化水平以及工業(yè)制造能力已經(jīng)成為評價一個國家實(shí)力和繁榮程度不可或缺的重要指標(biāo)，我國也圍繞實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，提出了“中國制造2025”。目前由于工業(yè)生產(chǎn)的高分子材料的迅速推廣以及靜電敏感材料的生產(chǎn)和使用，一些電阻率很高的高分子材料如塑料、橡膠等的制品的廣泛應(yīng)用以及現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高速化，使得靜電能積累到很高的水平。

一、概述

塑料是一種高分子化合物，具有質(zhì)輕、不易銹蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。其中PVC 塑料又因使用壽命長、生產(chǎn)成本低而被廣泛加工成管道。2018 年，我國PVC 產(chǎn)量高達(dá)2400 萬噸／年，其中生產(chǎn)管道和配件的使用需求占45%。然而，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用塑料的同時，由此引發(fā)的靜電問題也對企業(yè)的安全生產(chǎn)造成了威脅，使企業(yè)財產(chǎn)受損；在工礦、化工生產(chǎn)、輕質(zhì)油品、火藥、電子器件尤其是化工生產(chǎn)方向受靜電導(dǎo)致的安全危害也越來越突出。例如上海石化公司的2000m3 甲苯罐爆炸事故、山東石化公司的膠渣罐安全事故以及撫順石化公司的航煤罐爆炸等事故都是由于靜電而產(chǎn)生的火災(zāi)爆炸事故；2015 年江蘇PVC 制造廠出現(xiàn)閃燃火災(zāi)；2019 年東北石化公司在塑料裝置包裝作業(yè)環(huán)節(jié)中發(fā)生爆炸事故。因此，如何消除塑料產(chǎn)生的靜電已成為該行業(yè)發(fā)展中需要解決的重要難題。對于化工制造行業(yè)中防止產(chǎn)生靜電的措施一般都是改造起電強(qiáng)烈的工藝環(huán)節(jié)，采用起電較少的設(shè)備材料等，或是用導(dǎo)線把設(shè)備接地（等電位連接）等等。在實(shí)際生產(chǎn)中，對于粒狀顆粒的輸送仍舊需要使用管道運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行，屬于典型的氣固兩相流。使用金屬管道雖然可以通過接地的方式釋放靜電，但是管道在長時間使用過程中可能會出現(xiàn)生銹腐蝕等問題。因此部分化工企業(yè)仍舊選擇使用PVC 管道進(jìn)行物料輸送，既能減少生產(chǎn)成本，又能防止管道生銹腐蝕。然而管道內(nèi)壁由于物料高速摩擦產(chǎn)生的靜電無法及時釋放，容易形成隱患。如果使用加濕管道內(nèi)壁的方法，可能又會產(chǎn)生濕料，影響運(yùn)輸效果。然而，對于化工制造行業(yè)中防止產(chǎn)生靜電的措施一般有如下方法。例如，改造起電強(qiáng)烈的工藝環(huán)節(jié)，阻斷靜電發(fā)生的事故鏈就能避免事故發(fā)生；又如對油氣船和化工碼頭，使用等電位接地的方法消除靜電；對石油儲罐內(nèi)壁添加導(dǎo)電金屬粉末涂料；在易產(chǎn)生粉末的加工過程中使用加濕器減少靜電等。而對于氣固兩相流模型，如粉料在管道的輸送過程中，管道內(nèi)壁與物料的高速摩擦極易產(chǎn)生靜電，形成隱患。而如果使用加濕管道內(nèi)壁的方法，可能又會產(chǎn)生濕料，影響運(yùn)輸效果。國內(nèi)外學(xué)者對PVC、表面活性劑、抗靜電開展了以下研究：當(dāng)導(dǎo)電云母粉用量為15.0phr 時，改性PVC 糊的抗靜電性能較好；當(dāng)有機(jī)紅144 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時，著色抗靜電PVC 糊的著色性能較優(yōu)；通過使用TCT（三聚氯氰）－M－2070（聚醚胺）用量3%（owf）的方法來改性羊毛表面，使羊毛表面具有耐久的抗靜電性；使用Gemini表面活性劑可以實(shí)現(xiàn)良好的抗靜電效果；通過使用線性AEP，可以實(shí)現(xiàn)良好的抗靜電效果；通過研究指出了四種不同疏水鏈長度的陽離子雙子表面活性劑（C12－CCB、C14－CCB、C16－CCB 和C18－CCB）都具有優(yōu)良的抗靜電性能。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)咪唑基丙烯酸酯聚合物涂層可以使物體表面具有相當(dāng)不錯的抗靜電能力。通過添加石墨烯／二氧化鈦來提高PVC 薄膜的抗靜電性能。傳統(tǒng)的消除靜電方法并不適用于對PVC 管道，經(jīng)查閱資料和分析討論后，本實(shí)驗(yàn)嘗試使用合適PVC 管道運(yùn)輸?shù)目轨o電劑來消除靜電?？轨o電劑是一類添加在樹脂或涂布于高分子材料表面以防止或消散靜電荷產(chǎn)生的化學(xué)添加劑?？轨o電劑自身沒有自由活動的電子，屬與表面活性劑范疇，它通過離子化基團(tuán)或極性基團(tuán)的離子傳導(dǎo)或吸濕作用構(gòu)成泄漏電荷通道降低電阻率和體積電阻率，適度增加導(dǎo)電性，從而防止制品上積聚靜電荷的物質(zhì)，主要應(yīng)用于塑料及纖維等高分子材料。一般通過將抗靜電劑加在樹脂中或涂敷于制品表面，起到消除PVC 管道內(nèi)壁的靜電的作用，故而能減少生產(chǎn)過程中的安全隱患，最終達(dá)到提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性的目的。

二、實(shí)驗(yàn)方法

（一）實(shí)驗(yàn)時間及地點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)旨在探究PVC 管道內(nèi)壁靜電產(chǎn)生后使用消除手段消除靜電，由于靜電的測量受大氣環(huán)境影響，當(dāng)空氣或物料潮濕時不易產(chǎn)生靜電。因此，必須保證實(shí)驗(yàn)過程中處于干燥環(huán)境。

（二）試劑選用及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.試劑選用及制備

SAS－60 水溶液和SN 水溶液配制：用容量瓶分別配制0.5 mol／L兩種試劑，為使涂層更好的附著在管道內(nèi)壁，在配好的兩種溶液中按溶液體積20:1 比例添加環(huán)己酮。值得注意的是，由于環(huán)己酮與塑料互溶且有強(qiáng)烈刺激性氣味，配好的環(huán)己酮溶液不能存放于塑料容器中。需使用玻璃噴壺，并定期更換。乙醇乙二醇溶液配制：將1000ml 乙二醇與500ml無水乙醇混合，再加入0.2 g酚酞，用0.1mol／L 的氫氧化鈉溶液加入無水乙醇溶液中至溶液顏色呈紅色。同時注意該溶液需現(xiàn)用現(xiàn)配，并有防潮措施。

2.實(shí)驗(yàn)材料及儀器（1）實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用額定電壓為220V、最大功率為2KW 的空壓風(fēng)機(jī)作為動力設(shè)備。實(shí)驗(yàn)選用的塑膠顆粒為操場中常用的塑膠顆粒，形狀不均，更易產(chǎn)生靜電，利于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，且價格低廉。PVC 管道選用市售品牌，外徑50mm，長度1.5m。為保證實(shí)驗(yàn)效果，不選用復(fù)合型PVC 管。空壓風(fēng)機(jī)吹動管道中的塑膠顆粒更貼合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中物料運(yùn)輸。（2）實(shí)驗(yàn)儀器。測量設(shè)備選用埃用TronovoTR7300 型靜電測試儀，測量距離在25mm 內(nèi)，測量范圍在－20KV～＋20KV 之間，量程在小數(shù)點(diǎn)后一位。同時，感應(yīng)器旁邊的兩個LED 燈是用來幫助定位測量儀到電荷體之間的距離，使用之前需要儀器校準(zhǔn)。

（三）實(shí)驗(yàn)方案

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容溫濕度環(huán)境相同情況下，使用空壓機(jī)將塑膠顆粒吹過附著三種表面活性劑的PVC管道，測量管道內(nèi)壁靜電量前后的變化情況；在一周后再次測量管道實(shí)驗(yàn)前后靜電量變化，以探究三種表面活性劑的時效性。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

操作之前確保設(shè)備完好，測試環(huán)境干燥，靜電測試儀已接地校準(zhǔn)。（1）對涂有三種不同涂層的管道分別標(biāo)記，A 組代表含SAS－60 溶液涂層的管道，B 組代表含SN 溶液涂層的管道，C 組代表乙二醇乙醇溶液涂層的管道。并設(shè)立對照空白組管道，標(biāo)記為D 組。（2）實(shí)驗(yàn)開始前，先進(jìn)行測量管道內(nèi)壁靜電電壓值，測量方法為測量內(nèi)壁三個不同點(diǎn)分別記錄后求三點(diǎn)的平均值并記錄（取值精確到小數(shù)點(diǎn)后三位）。（3）取25g 橡膠顆粒，堆放在管道D的左側(cè)，之后在左側(cè)連接風(fēng)機(jī)，右側(cè)對橡膠顆粒進(jìn)行回收，同時記錄對照空白組D組的靜電值。（4）接通風(fēng)機(jī)，使顆粒在風(fēng)力作用下與管道內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，直至所有顆粒輸送完畢。（5）關(guān)閉風(fēng)機(jī)，使用靜電測試儀分別測量管道左側(cè)和右側(cè)內(nèi)壁靜電值并記錄。（6）同第2～5 步，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前測量后另取25g 橡膠顆粒，堆放在管道A的左側(cè)，直至所有顆粒輸送完畢。（7）對B、C 實(shí)驗(yàn)組管道重復(fù)第2～5 步操作，同時記錄。

三、結(jié)果分析

空白對照組實(shí)驗(yàn)對比了兩個時間測量的三組數(shù)據(jù)的平均值。在PVC 管未使用任何表面活性劑時，在實(shí)驗(yàn)前初始靜電電壓值相比在塑膠顆粒通過管道后，明顯的靜電電壓值升高。經(jīng)檢驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）當(dāng)對比SN 組與空白對照組和SAS－60 組時可明顯看出，SN 組無論是實(shí)驗(yàn)前還是實(shí)驗(yàn)后，靜電電壓值都明顯偏小數(shù)十倍，且實(shí)驗(yàn)前后的左右兩端靜電電壓值基本不變；由數(shù)據(jù)可知，SN 試劑作為防靜電表面活性劑最為理想。（2）說明乙醇乙二醇組數(shù)據(jù)無論是實(shí)驗(yàn)前、后靜電電壓值明顯偏大；由于乙醇乙二醇溶液具有揮發(fā)性，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出乙醇乙二醇組附著管道內(nèi)壁含量明顯含量變少，故抗靜電能力下降。實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)靜電值不降反升，可得乙醇乙二醇只能進(jìn)行短時抗靜電作用，且抗靜電能力差于SAS－60 試劑。

結(jié)語

傳統(tǒng)的研究方式傾向于對管道流體直接進(jìn)行靜電測量，這種方式對儀器要求精度更大，花費(fèi)更高；還有的研究方法是將輸送過的物質(zhì)通過法拉第筒與測量儀相連接，從而讀出傳輸物質(zhì)的靜電數(shù)據(jù)，但這種方式對操作性要求極高。本次試驗(yàn)不同于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計，通過使用噴涂的方式制作管道涂層，直接對管道內(nèi)壁表面進(jìn)行靜電檢測。大大降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，管道的涂層多使用涂布機(jī)進(jìn)行表面處理。通過熱干固化等技術(shù)可以使表面活性劑更牢固的附著在管道表面?；蚴窃谧⑺苓^程中加入助劑，直接生產(chǎn)出具有特殊性質(zhì)的塑料原材料，進(jìn)而加工成其他產(chǎn)品。而本實(shí)驗(yàn)使用的是噴涂的方法制作涂層，也可能無法保證涂層覆蓋的均勻性。本實(shí)驗(yàn)是一種創(chuàng)新的方式對材料進(jìn)行改性研究，且研究規(guī)?？煽?。本實(shí)驗(yàn)可為PVC 管道安全運(yùn)輸物料等方向提供理論指導(dǎo)作用。