新型阻燃抗菌防靜電PE 雙壁新風(fēng)波紋管的制備

朱輝，段凱歌，倪佳，梅振威，周朝錫，于東明

（浙江曼瑞德舒適系統(tǒng)有限公司聚合物實驗室，浙江 溫州 325000）

0 前言

PE雙壁新風(fēng)波紋管主要應(yīng)用于新風(fēng)系統(tǒng)中，作為通風(fēng)管道與新風(fēng)系統(tǒng)中各種元器件的連接。PE雙壁波紋管具有優(yōu)異的柔韌性，在安裝過程中容易彎折，一管到底，安裝方便，連接處可以使用快速接頭進(jìn)行連接，實現(xiàn)了安裝時全系統(tǒng)無膠水連接，更加環(huán)保。雙壁波紋管外壁帶有與軸線垂直的系列中空波紋[1-2]，該結(jié)構(gòu)能很好地起到消聲降噪的作用，并且該結(jié)構(gòu)大大提高了管道的法向強(qiáng)度和環(huán)剛度[3]，不易被壓扁，有助于管道通暢，而光滑的內(nèi)壁能有效降低風(fēng)阻，節(jié)約能源。PE雙壁波紋管在實際使用中還具有質(zhì)輕、搬運方便、耐酸堿、不易破裂等優(yōu)點[4]。但是傳統(tǒng)的PE雙壁新風(fēng)波紋管不阻燃，燃燒時放熱量大，在建筑中使用安全系數(shù)低，而且在換氣過程中容易產(chǎn)生靜電、吸附塵埃、滋生細(xì)菌，導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量下降。

針對PE雙壁新風(fēng)波紋管存在的上述問題，本實驗室研發(fā)了新型阻燃抗菌防靜電PE雙壁新風(fēng)波紋管，其中外層添加阻燃劑，內(nèi)層添加抗菌劑、防靜電劑，解決了傳統(tǒng)波紋管的不足。為制備新型波紋管，首先通過配方優(yōu)化得到阻燃劑、抗菌劑、防靜電劑的最佳添加量，再進(jìn)一步制備出阻燃抗菌防靜電PE雙壁新風(fēng)波紋管。對制備出的雙壁波紋管進(jìn)行了烘箱試驗、環(huán)剛度測試和柔韌性測試。

1 試驗

1.1 主要原材料

波紋管外壁用PE-1：HDPE，MFR（5 kg）為0.54 g/10 min，市售；波紋管內(nèi)壁用PE-2：HDPE，MFR（5kg）為7.60g/10min，市售；銀離子PE抗菌母粒：JDSKM-PE25，晉大納米科技（廈門）有限公司；PE阻燃劑，Doher-737，東莞市道爾新材料科技有限公司；防靜電劑，SY-55F，東莞市山一塑化有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

高速混合機(jī)，GH-6DY，北京華新科塑料機(jī)械有限公司；密煉機(jī)，RM200C，哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責(zé)任公司；平板硫化機(jī)，XH-406B，錫華檢測儀器有限公司；微型注塑機(jī)，WZS10D，上海新碩精密機(jī)械有限公司；萬能試驗機(jī)，XWW-20T，承德市金建檢測儀器有限公司；UL94垂直水平燃燒測試儀，PX-03-001，菲尼克斯質(zhì)檢儀器有限公司；鼓風(fēng)干燥箱，101-3BS，力辰科技；表面電阻測試儀，ST2643，蘇州晶格電子有限公司；波紋管擠出線，SBGC160，上海金緯機(jī)械制造有限公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 阻燃性測試樣品的制備

將PE-1與阻燃劑Doher-737分別按質(zhì)量比94∶6、93∶7、92∶8、91∶9、90∶10、89∶11，采用高速混合機(jī)常溫混合7 min，將混合均勻的物料用注塑機(jī)制成厚度為3.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)燃燒試樣條，用于研究阻燃劑用量對管材阻燃性能的影響。

1.3.2 抗菌性測試樣品的制備

將波紋管內(nèi)壁所用PE-2與抗菌劑分別按照質(zhì)量比99.5∶0.5、99∶1.0、98.5∶1.5、98∶2，采用高速混合機(jī)常溫混合7 min，混合均勻后用密煉機(jī)進(jìn)行混煉，混煉溫度為200℃，時間3 min，再經(jīng)平板硫化機(jī)進(jìn)行壓板，壓板厚度為2 mm，裁切成抗菌測試用樣品，用于研究抗菌劑用量對管材抗菌性能的影響。

1.3.3 防靜電測試樣品的制備

將波紋管內(nèi)壁所用PE-2與防靜電劑分別按照質(zhì)量比98∶2、97∶3和96∶4，采用高速混合機(jī)常溫混合7 min，混合均勻后用密煉機(jī)進(jìn)行混煉，混煉溫度為200℃，時間3 min，再經(jīng)平板硫化機(jī)進(jìn)行壓板，壓板厚度為2 mm，裁切成防靜電測試用樣品，用于研究防靜電劑用量對管材防靜電性能的影響。

1.3.4 阻燃抗菌防靜電PE雙壁波紋管的制備

將PE-1與阻燃劑按質(zhì)量比90∶10，將PE-2、抗菌劑和防靜電劑按質(zhì)量比為95∶4∶1，分別用高速混合機(jī)混合均勻，通過自動上料系統(tǒng)分別使PE-1和阻燃劑進(jìn)入外層料筒，使PE-2、抗菌劑和防靜電劑進(jìn)入內(nèi)層料筒，內(nèi)層料和外層料分別采用單螺桿擠出，各段擠出溫度為180～220℃，擠出的管胚通過雙層氣壓并由水套與成型機(jī)模塊冷卻成型，管材規(guī)格為dn75 mm，生產(chǎn)速度為5 m/min。

1.4 性能測試方法

（1）阻燃性能測試

根據(jù)UL94-2017“STANDARD FOR SAFETY Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances”，采用UL94垂直水平燃燒測試儀（PX-03-001）測試樣品的水平燃燒性能。

（2）防靜電性能

根據(jù)GB/T 31838.3—2019《固體絕緣材料介電和電阻特性第3部分：電阻特性（DC方法）表面電阻和表面電阻率》，采用表面電阻測試儀（ST2643）測試樣品的表面電阻率。

（3）抗菌率測試

根據(jù)GB/T 31402—2015《塑料塑料表面抗菌性能試驗方法》，委托廣州市微生物研究所有限公司對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌2個菌種進(jìn)行抗菌率測試。

（4）雙壁波紋管的物理力學(xué)性能測試

①環(huán)剛度根據(jù)GB/T 9647—2015《熱塑性塑料管材 環(huán)剛度的測定》，采用萬能試驗機(jī)（XWW-20T）測試波紋管的環(huán)剛度。

②烘箱試驗：根據(jù)GB/T 19472.1—2019《埋地用聚乙烯（PE）結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng)第1部分：聚乙烯雙壁波紋管材》，采用鼓風(fēng)干燥箱（101-3BS）進(jìn)行烘箱試驗。

③柔韌性試驗：參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/MRD 017—2018《雙壁波紋管系列》，將1根10×DN（DN為公稱直徑），垂直固定在測試臺上，按圖1所示位置安裝2塊弧形模板，其半徑r如表1所示。管材旋轉(zhuǎn)90°彎曲，每個方向緩慢彎曲樣件至弧形模板位置（見圖1），每個方向反復(fù)往返彎曲5次，每次保持10 s，記錄彎曲所需要的拉力F。

表1 雙壁波紋管柔韌性試驗試件尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃劑添加量對PE阻燃效果的影響

Doher-737屬于高效環(huán)保阻燃劑，添加量小，阻燃效果好，對產(chǎn)品性能影響小。調(diào)整阻燃劑的添加量為6%～11%，測試其水平燃燒性能，結(jié)果如表2所示。

表2 水平燃燒性能測試結(jié)果

從表2可以看出，隨著阻燃劑添加量的增加，PE阻燃效果提升，當(dāng)添加量為8%時，效果已經(jīng)達(dá)到HB，但是在燃燒時火焰仍然會延續(xù)一段距離，所以最終選擇添加量為10%，此時樣條點火結(jié)束后能快速熄滅。

2.2 防靜電劑添加量對PE表面電阻率的影響

調(diào)整防靜電劑的添加量為0.5%～2.0%，按照表面電阻率測試要求制備測試樣品，表面電阻率測試結(jié)果如表3所示。

表3 表面電阻率測試結(jié)果

由表3可以看出，隨著防靜電劑添加量的增加，表面電阻率減小，材料的防靜電效果增強(qiáng)，但是在制樣過程中發(fā)現(xiàn)，隨著防靜電劑量的增加，混合好的物料在密煉時摩擦力下降，存在打滑現(xiàn)象，當(dāng)添加量為2.0%時，加工較困難。因此，最終選擇添加量為1.0%。

2.3 抗菌劑添加量對PE抗菌率的影響

依據(jù)GB21551.2—2010《家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能.抗菌材料的特殊要求》，委托第三方進(jìn)行抗菌率測試，抗菌劑添加量為2%～4%，抗菌率測試結(jié)果如表4所示。

表4 抗菌率測試結(jié)果

從表4可以看出，隨著抗菌劑含量的增加，抗菌率逐漸增大，當(dāng)抗菌劑添加量為4%時，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均為99%，具有較好的抗菌效果。

2.4 阻燃抗菌防靜電PE雙壁波紋管的物理力學(xué)性能

將PE-1和阻燃劑按質(zhì)量比90∶10，將PE-2、抗菌劑和防靜電劑按質(zhì)量比95∶4∶1，分別用高速混合機(jī)混合均勻，通過自動上料系統(tǒng)分別將PE-1和阻燃劑進(jìn)入外層料筒，將將PE-2、抗菌劑和防靜電劑進(jìn)入內(nèi)層料筒，內(nèi)層料和外層料分別采用單螺桿擠出抗菌防霉防靜電雙壁波紋管，進(jìn)行環(huán)剛度測試、烘箱試驗和柔韌性試驗，并與原有的普通PE雙壁波紋管（未摻阻燃劑、抗菌劑和防靜電劑）的性能進(jìn)行比較，測試結(jié)果如表5所示。

表5 阻燃抗菌防靜電PE雙壁波紋管的物理力學(xué)性能測試結(jié)果

從表5可以看出，新型阻燃抗菌防靜電PE雙壁波紋管的環(huán)剛度略大于普通PE雙壁波紋管，柔韌性稍差，但總體上與普通PE雙壁波紋管的性能相差不大，且符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/MRD 017—2018要求，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。

3 結(jié)語

（1）針對原有PE雙壁波紋管長期使用過程中容易吸附塵埃、滋生細(xì)菌、易燃等問題，通過配方優(yōu)化，確定了阻燃劑、抗菌劑、防靜電劑的最佳添加量，研發(fā)了新型的阻燃抗菌防靜電PE雙壁波紋管，其中雙壁波紋管外層阻燃，內(nèi)層具有抗菌、防靜電效果。

（2）將雙壁波紋管外層料PE-1和阻燃劑按質(zhì)量比90∶10，將內(nèi)層料PE-2、抗菌劑和防靜電劑按質(zhì)量比95∶4∶1，分別用高速混合機(jī)混合均勻，采用單螺桿擠出抗菌防霉防靜電雙壁波紋管。經(jīng)環(huán)剛度、烘箱試驗及柔韌性試驗結(jié)果表明，該新型阻燃抗菌防靜電PE雙壁波紋管的物理力學(xué)性能與普通PE雙壁波紋管接近，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/MRD 017—2018要求，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。