導(dǎo)電炭黑材料在聚氯乙烯管材生產(chǎn)中的應(yīng)用

李銀鴻

摘? 要：該文探討國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電炭黑在煤礦井下用聚氯乙烯管材生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟和參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分為試片試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)2部分。試片試驗(yàn)使用X（S）K-400型開(kāi)煉機(jī)、YXE-100T型平板硫化機(jī)和ZC-90高絕緣電阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行，以評(píng)估導(dǎo)電炭黑對(duì)管材導(dǎo)電性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)電炭黑符合標(biāo)準(zhǔn)要求。生產(chǎn)試驗(yàn)則使用高速攪拌機(jī)、冷卻攪拌機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和電阻測(cè)量?jī)x，確保管材的導(dǎo)電性、物理性能和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)還涵蓋所使用的聚氯乙烯樹(shù)脂和其他實(shí)驗(yàn)相關(guān)助劑，如抗沖改性劑、加工助劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑和填充劑，它們對(duì)管材性能的調(diào)整至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電炭黑；聚氯乙烯管材；生產(chǎn)工藝；電阻特性；抗沖改性劑

中圖分類(lèi)號(hào)：X705? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0056-04

Abstract： This paper discusses the key experimental steps and parameters of domestic conductive carbon black in the production process of PVC pipe used in coal mine. The experiment is divided into two parts： test piece test and production test. The test piece test was carried out using X（S） K-400 mill， YXE-100T plate vulcanizer and ZC-90 high insulation resistance meter to evaluate the effect of conductive carbon black on the electrical conductivity of the pipe. The experimental results show that the conductive carbon black meets the requirements of the standard. In the production test， high-speed mixer， cooling mixer， twin-screw extruder and resistance measuring instrument are used to ensure the conductivity， physical properties and stability of the pipe. The experiment also covers the use of PVC resin and other experimental-related auxiliaries， such as impact modifiers， processing aids， stabilizers， lubricants and fillers， which are very important for the adjustment of pipe properties.

Keywords： domestic conductive carbon black; PVC pipe; production process; resistance characteristics; impact modifier

近年來(lái)，煤礦井下環(huán)境的工程化改造和現(xiàn)代化需求不斷增長(zhǎng)，使得煤礦井下用管材的生產(chǎn)和性能要求更加嚴(yán)格。聚氯乙烯管材因其出色的機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕性和低維護(hù)成本而在這一領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1]。導(dǎo)電炭黑作為一種常見(jiàn)的導(dǎo)電填料，被廣泛應(yīng)用于聚氯乙烯管材制備中，以提高其導(dǎo)電性能。

1? 試片試驗(yàn)

1.1? 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1）X（S）K-400型開(kāi)煉機(jī)。

2）YXE-100T型平板硫化機(jī)。

3）ZC-90高絕緣電阻測(cè)量?jī)x。

1.2? 主要實(shí)驗(yàn)材料

導(dǎo)電炭黑具有較高的比表面積和結(jié)構(gòu)度，是良好的導(dǎo)電填料，與其他炭黑相比較具有良好的應(yīng)用性能（表1），因此此次研究選擇將導(dǎo)電炭黑作為PVC導(dǎo)電填料。

此次研究中用到的實(shí)驗(yàn)材料主要包括聚氯乙烯樹(shù)脂（SG-5）、導(dǎo)電炭黑、相關(guān)助劑等（表2），實(shí)驗(yàn)相關(guān)助劑在聚氯乙烯管材的制備過(guò)程中扮演著關(guān)鍵的角色，以調(diào)整材料的性能，確保管材的質(zhì)量和可用性，同時(shí)滿(mǎn)足特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用要求。這些材料和助劑的合理選擇和使用對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量的管材至關(guān)重要[2]。

1.3? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1）開(kāi)煉機(jī)輥筒溫度為140 ℃。開(kāi)煉機(jī)是混煉和開(kāi)煉原材料的關(guān)鍵設(shè)備。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置的開(kāi)煉機(jī)輥筒溫度為140 ℃。這一溫度設(shè)置的目的是控制原材料在混煉過(guò)程中的溫度，確保原材料在適當(dāng)?shù)臏囟认戮鶆蚧旌稀＞唧w作用包括：①塑化材料，溫度升高有助于聚氯乙烯樹(shù)脂（SG-5）軟化，變得更容易混合。②高溫下混合性能更好，助劑可以均勻分散到聚氯乙烯樹(shù)脂中。

2）翻煉時(shí)長(zhǎng)為6～8 min。確保原材料充分混合和加工的關(guān)鍵階段。翻煉時(shí)長(zhǎng)的作用包括：①混合均勻，足夠的翻煉時(shí)間可以確保導(dǎo)電炭黑（BL-528）充分分散在聚氯乙烯樹(shù)脂中，從而提高導(dǎo)電性。②消除雜質(zhì)，翻煉可以幫助消除可能存在的不純物質(zhì)或雜質(zhì)，確保原材料的純凈性。

3）硫化機(jī)硫化溫度為上平板135 ℃，下平板135 ℃。硫化機(jī)用于硫化聚氯乙烯管材，以賦予其所需的物理性質(zhì)和電阻特性。在此實(shí)驗(yàn)中，上下平板的硫化溫度均為135 ℃。硫化溫度的作用包括：①交聯(lián)聚合，硫化溫度有助于聚氯乙烯樹(shù)脂中的交聯(lián)聚合反應(yīng)，使管材更堅(jiān)固和耐用。②電阻特性，硫化溫度影響管材的電阻特性，確保管材具有所需的導(dǎo)電性。

4）硫化時(shí)長(zhǎng)為10 min。硫化時(shí)長(zhǎng)是管材半成品材料在硫化機(jī)中暴露在高溫下的時(shí)間。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，硫化時(shí)長(zhǎng)為10 min。硫化時(shí)長(zhǎng)的作用包括：①交聯(lián)反應(yīng)完成，確保管材材料中的聚合反應(yīng)充分完成，從而增強(qiáng)物理性能。②穩(wěn)定性，硫化時(shí)長(zhǎng)也可以影響管材的穩(wěn)定性，確保其在使用中不易分解或老化。

5）試片厚度為10 mm。

6）試片冷卻時(shí)長(zhǎng)為恒溫水浴冷卻20 min。

1.4? 檢測(cè)結(jié)果

1）試片上表面電阻4×104 Ω，下表面電阻3×104 Ω。這些數(shù)據(jù)表示在試驗(yàn)中制備的聚氯乙烯管材試片的電阻值。電阻值是一個(gè)重要的指標(biāo)，特別是在需要導(dǎo)電性的應(yīng)用中，如煤礦井下用聚氯乙烯管材。試片上表面電阻值為4×104 Ω，下表面電阻值為3×104 Ω。這些數(shù)值表明試片在導(dǎo)電性方面具有良好的性能。較低的電阻值表明試片可以有效地導(dǎo)電，適用于煤礦井下環(huán)境中，其中導(dǎo)電性對(duì)安全和通信等方面至關(guān)重要。

2）試驗(yàn)表明所使用的國(guó)產(chǎn)BL-528型導(dǎo)電炭黑在電阻性能方面達(dá)到了MT/T 558.2—2005《煤礦井下用塑料管材 第2部分 聚氯乙烯管材》標(biāo)準(zhǔn)的要求。這一標(biāo)準(zhǔn)可能包括對(duì)導(dǎo)電性能的具體要求，以確保管材在特定應(yīng)用中的可靠性和安全性。通過(guò)這一結(jié)論，試驗(yàn)成功證明了國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電炭黑的可行性，并為煤礦井下用聚氯乙烯管材的生產(chǎn)提供了更多選擇。

2? 生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1? 主要試驗(yàn)設(shè)備

2.1.1? Y2-2808-4高速攪拌機(jī)

這臺(tái)高速攪拌機(jī)是用于混合聚氯乙烯樹(shù)脂（SG-5）和其他實(shí)驗(yàn)材料的設(shè)備。它采用高效的攪拌技術(shù)，確保原材料充分混合均勻，以獲得一致的材料性能[3]。

攪拌機(jī)的型號(hào)為Y2-2808-4，表明它具有高速攪拌能力，可以快速將各種成分混合在一起。

這臺(tái)設(shè)備在聚氯乙烯管材生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樵牧系幕旌腺|(zhì)量直接影響最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

2.1.2? Y2-160L-6冷卻攪拌機(jī)

冷卻攪拌機(jī)通常用于冷卻高速攪拌機(jī)攪拌完成的混合物料，防止物料內(nèi)部高溫，改變物料性能。

2.1.3? 65/132型雙螺桿擠出機(jī)

雙螺桿擠出機(jī)是管材生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。65/132型雙螺桿擠出機(jī)是指其螺桿的尺寸和比例。

擠出機(jī)負(fù)責(zé)將混合好的材料按照既定硫化參數(shù)通過(guò)配套模具進(jìn)行擠出操作。它可以通過(guò)調(diào)整擠出機(jī)料筒、模具溫度、螺桿溫度、擠出速率、熔體壓力和擠出電流等方式來(lái)控制管材的性能，如導(dǎo)電性和物理性能。

2.1.4? ZC-90高絕緣電阻測(cè)量?jī)x

這款高絕緣電阻測(cè)量?jī)x用于測(cè)量聚氯乙烯管材的電阻特性。它確保管材具有所需的導(dǎo)電性能，以滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用需求。

此儀器的型號(hào)為ZC-90，它可以精確測(cè)量管材的電阻，并提供重要的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)。

這些主要試驗(yàn)設(shè)備在聚氯乙烯管材的生產(chǎn)過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，確保最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用要求。其精確操作和細(xì)致控制對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量煤礦井下用聚氯乙烯管材至關(guān)重要。

2.2? 主要實(shí)驗(yàn)材料

1）聚氯乙烯樹(shù)脂（SG-5）。

2）BL-528型導(dǎo)電炭黑。

3）其他實(shí)驗(yàn)相關(guān)助劑。

抗沖改性劑：抗沖改性劑是一類(lèi)用于提高管材抗沖擊性能的助劑。在煤礦井下使用的管材需要具備卓越的抗沖擊性能，以應(yīng)對(duì)可能的機(jī)械沖擊和振動(dòng)。這些抗沖改性劑通過(guò)增加管材的韌性和耐沖擊性，提高其在極端條件下的耐用性。這對(duì)確保管材在煤礦環(huán)境中的長(zhǎng)期使用至關(guān)重要。

加工助劑：加工助劑用于改善管材的加工性能。它們可以減少聚合物的黏性，增加其流動(dòng)性，從而確保管材在擠出和成型過(guò)程中易于加工。這對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量管材來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冃枰邆涮囟ǖ耐庑魏统叽纭?/p>

穩(wěn)定劑：穩(wěn)定劑是用于防止聚氯乙烯樹(shù)脂在高溫或紫外線(xiàn)下分解的助劑。它們有助于提高管材的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命。在煤礦井下使用的管材需要具備出色的耐久性，這些穩(wěn)定劑可以確保其在極端條件下保持穩(wěn)定性。

潤(rùn)滑劑：潤(rùn)滑劑用于降低物料與料筒、模具接觸面的摩擦，防止管材表面的粘附和粘連。這有助于確保管材的平滑性和可加工性。潤(rùn)滑劑在擠出和成型過(guò)程中的應(yīng)用可以減少材料之間的摩擦，提高生產(chǎn)效率。

填充劑：填充劑通常是粉狀或顆粒狀材料，用于增加管材的強(qiáng)度、剛度和耐磨性。它們還可以改善管材的導(dǎo)電性和阻燃性能。填充劑對(duì)于確保管材在煤礦井下環(huán)境中長(zhǎng)期使用具有足夠的耐久性至關(guān)重要。

這些實(shí)驗(yàn)相關(guān)助劑的精確選擇和比例調(diào)整對(duì)于確保管材滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用要求非常關(guān)鍵。它們?cè)诠懿纳a(chǎn)過(guò)程中的綜合使用可以確保最終產(chǎn)品具有所需的導(dǎo)電性、機(jī)械性能、耐磨性和穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足煤礦井下用管材市場(chǎng)的需求。這些輔助助劑的細(xì)致控制和使用是確保管材質(zhì)量和性能的重要因素。

2.3? 生產(chǎn)試驗(yàn)步驟

1）制定生產(chǎn)內(nèi)外層、中間層配方。

管材結(jié)構(gòu)如圖1所示，生產(chǎn)內(nèi)外層、中間層具體配方內(nèi)容見(jiàn)表3。

2）按照既定工藝完成配料步驟，其中投料順序和配料溫度需嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝執(zhí)行，溫度控制為高攪大于95 ℃，放入冷卻攪拌機(jī)，低于40 ℃放出備用。

3）調(diào)整設(shè)置雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)溫度。

內(nèi)外層、芯層擠出機(jī)生產(chǎn)工藝參數(shù)的確定是本次實(shí)驗(yàn)的最終目的。

4）擠出完成后試樣在恒溫室中放置24 h，消除應(yīng)力后，進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1? 擠出溫度

硬聚氯乙烯的加工溫度與分解溫度頗為接近，因此應(yīng)嚴(yán)格控制各點(diǎn)的料溫，同時(shí)注意測(cè)溫儀表的誤差及測(cè)溫點(diǎn)的位置。具體各點(diǎn)的溫度則根據(jù)擠出成型機(jī)的特性、螺桿、轉(zhuǎn)速、機(jī)頭結(jié)構(gòu)及物料配方等具體情況而定，不能強(qiáng)求一致。經(jīng)試驗(yàn)證明，擠出過(guò)程中，塑料從加料段至機(jī)頭各點(diǎn)溫度逐步升高，最高溫度應(yīng)控制在160～175 ℃。

3.2? 螺桿轉(zhuǎn)速

擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速取決于擠出機(jī)螺桿的大小，又取決于產(chǎn)品的規(guī)格，還與物料的塑化加工性有關(guān)。必須根據(jù)產(chǎn)品的外觀(guān)、物理力學(xué)性能、生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)因素綜合考慮，適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)速可以縮短物料在擠出機(jī)中停留時(shí)間，增加剪切摩擦熱，使擠出產(chǎn)量和塑化質(zhì)量均處于較高水平。螺桿轉(zhuǎn)速太高，會(huì)使管內(nèi)壁毛糙，經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為20～30 r/min。

3.3? 機(jī)頭壓力

機(jī)頭壓力的大小會(huì)影響制品的質(zhì)量、出料的穩(wěn)定及產(chǎn)量等。影響機(jī)頭壓力的因素較多，例如機(jī)頭壓力正比于熔體黏度，口模平直部分和螺桿計(jì)量段的長(zhǎng)度、機(jī)頭壓縮比及擠出量等；而反比于?？陂g隙、螺槽深度、螺紋升角正切值等。故必須綜合考慮，合理選擇。就開(kāi)車(chē)時(shí)擠出過(guò)程的壓力變化來(lái)看，以熔體進(jìn)入口模時(shí)的壓力最高。螺桿頭部和多孔板之間壓力如果過(guò)高則會(huì)損壞多孔板或機(jī)筒連接的螺栓，因此在操作過(guò)程中應(yīng)加以防止。經(jīng)試驗(yàn)證明，機(jī)頭壓力在1.0～10.0 MPa之間，生產(chǎn)運(yùn)行正常，管材塑化良好，導(dǎo)電指標(biāo)優(yōu)良且穩(wěn)定。

3.4? 熔料在口模內(nèi)的剪切速率

熔料在口模內(nèi)的剪切速率應(yīng)控制在100 s-1以下，超過(guò)極限值時(shí)就會(huì)導(dǎo)致熔體破裂，以致管材表面粗糙。在口模平直部分的剪切速率正比于擠出量，反比于口模間隙的三次方。

3.5? 螺桿冷卻

由于硬質(zhì)聚氯乙烯的熔體黏度高，有摩擦產(chǎn)生的熱量較大，易引起螺桿黏料分解或管材內(nèi)部粗糙，故采用螺桿通水冷卻，以減少聚氯乙烯熔體與螺桿表面的摩擦熱，從而使管材內(nèi)部光滑。螺桿通水冷卻后，會(huì)減少擠出量和影響塑化，不利于制品質(zhì)量，甚至料流堵塞。因此必須嚴(yán)格控制冷卻水溫度，一般出水溫度應(yīng)在70 ℃左右。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終確定擠出機(jī)擠出頻率：芯層擠出機(jī)頻率在50～60 Hz，內(nèi)外層擠出機(jī)頻率在4～6 Hz，料筒溫度一至四區(qū)為110、120、125、130°C，熔體壓力在3～10 MPa，主機(jī)轉(zhuǎn)速為7～11 r/min時(shí)，可生產(chǎn)出符合MT/T 558.2—2005標(biāo)準(zhǔn)的煤礦井下用聚氯乙烯管材。這些參數(shù)的設(shè)置經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)查和分析，以確保管材的導(dǎo)電性、物理性能和穩(wěn)定性滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用要求。這一結(jié)論為管材的實(shí)際生產(chǎn)提供了明確的指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力的提高和自主創(chuàng)新的重要性。

3.6? 拉伸性能測(cè)試結(jié)果

拉伸性能測(cè)試結(jié)果顯示，樣品管材的軸向拉伸比和徑向拉伸比在1.8～1.9之間，均符合設(shè)計(jì)。

4? 結(jié)論

本研究通過(guò)試片試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)，深入探索了國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電炭黑在煤礦井下用聚氯乙烯管材生產(chǎn)中的關(guān)鍵作用，特別關(guān)注了導(dǎo)電性能。在試片試驗(yàn)中，使用了X（S）K-400型開(kāi)煉機(jī)、YXE-100T型平板硫化機(jī)和ZC-90高絕緣電阻測(cè)量?jī)x，驗(yàn)證了導(dǎo)電炭黑的電阻性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，為管材導(dǎo)電性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，生產(chǎn)試驗(yàn)階段的主要設(shè)備包括高速攪拌機(jī)、冷卻攪拌機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和電阻測(cè)量?jī)x，其協(xié)同作用確保了管材的導(dǎo)電性、物理性能和穩(wěn)定性滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用需求。通過(guò)對(duì)聚氯乙烯樹(shù)脂、導(dǎo)電炭黑和多種助劑的精確選擇和比例控制，實(shí)現(xiàn)了管材的高質(zhì)量生產(chǎn)，管材產(chǎn)品具備出色的導(dǎo)電性、機(jī)械性能和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高海陽(yáng)，白虎雄，張杰.聚乙烯管在氯堿生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].氯堿工業(yè)，2021，57（11）：40-42.

[2] 蘇朝化，裴海燕，周宏偉.再生聚氯乙烯/聚偏氯乙烯在絕緣電工套管中的應(yīng)用[J].塑料科技，2019，47（11）：69-73.

[3] 李連鵬，林柏吉，馬野，等.模試評(píng)價(jià)在聚乙烯管材生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].彈性體，2020，30（2）：61-64.