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PVC整芯阻燃输送带覆盖胶配方的优化设计
来源:网易      作者:      添加时间:2011-12-27 12-00-00

1 实验

1.1 主要原材料

  各种试剂均为工业产品:聚氯乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、氯化石蜡、三氧化二锑、二盐基亚磷酸铅、三盐基亚硫酸铅、硬脂酸铅、硬脂酸钡、硬脂酸、三氯乙基磷酸酯、轻质碳酸钙、抗静电剂、乙炔炭黑、特导电炭黑、复合阻燃剂。

1.2 实验设备、仪器

  双滚筒塑炼机,SXK-160A型,上海轻工机械技术研究所;平板硫化机,QLB-Q型,江苏省海门县轻工机械厂;高阻计,ZC-46型,上海精密科学仪器有限公司;拉力试验机,LD250型,广州材料试验机厂;酒精喷灯,河南省南阳镇平县高中工厂;温湿度表,WH-1型,河北省东光气象仪器厂。

1.3 性能测试

  所有测试方法均按现行相应国家标准进行。

2 实验与结果分析

2.1 PVC覆盖胶配方的确定

  煤矿用PVC整芯输送带主要生产原料是聚氯乙烯(PVC)树脂和各种加工助剂,而PVC覆盖胶是输送带的面层材料,它完全包覆着带芯,起着保护带芯延长输送带使用寿命的作用,其主要技术指标为阻燃性和抗静电性。以往,我们通常采用加入大量阻燃剂和抗静电剂的方法,来保证这两项性能指标满足国家标准要求,而忽略了各组分之间协同作用的有效发挥,造成原料浪费,生产成本居高不下。为此,我们重新对PVC覆盖胶配方进行了研究和试验。

2.1.1 阻燃体系的选择

  PVC覆盖胶所用的主体材料是聚氯乙烯(PVC)高分子材料,其氯含量达到57%,氧指数达到45%,是一种离火自熄的难燃材料,但由于生产PVC覆盖胶过程中加入了大量的增塑剂以提高其加工性能,使得PVC氯含量大幅度降低,氧指数随之降低,以至失去自身的阻燃性,成为易燃材料,故提高PVC覆盖胶的阻燃性能是保证PVC输送带阻燃的重要前提。

  在原PVC覆盖胶配方中,我们采用加入三氧化二锑(Sb2O3)、复合阻燃剂和三氯乙基磷酸酯(TCEP)的方法来达到阻燃目的。通过分析,发现原PVC覆盖胶配方中存在阻燃剂重复使用现象,各种阻燃剂之间的协同效应没有充分发挥出来,导致原材料浪费,生产成本居高不下。因此,我们对原配方采用的阻燃体系进行了理论分析和优化选择,决定使用卤系阻燃剂52%氯化石蜡来替代原配方中的TCEP阻燃剂,与Sb2O3阻燃剂配合使用构成卤-锑协同阻燃体系。其阻燃机理为:①利用卤-氧化锑的吸热分解,降低PVC聚合物的燃烧温度和分解速度;②卤化锑蒸汽覆盖在PVC聚合物表面形成隔热、隔氧的“毯子”效应;③促进成炭反应,减缓PVC聚合物分解生成可燃气体的速度,生成的炭层阻止可燃气体逸出和进入燃烧区;④捕获燃烧区气相中维持燃烧链式反应的活性自由基,改变气相中的反应模式,减少反应热量来使火焰猝灭,达到良好的阻燃效果。

2.1.2 抗静电剂的选择

  由于PVC是良好的绝缘体,表面电阻大、导电性能差,用PVC材料制成的阻燃输送带在使用过程中会因摩擦造成带体上正、负电荷失去平衡而产生静电荷,在煤矿这一富含瓦斯的场所产生放电火花,引起火灾或瓦斯爆炸。因此,我们选择了合适的抗静电剂和导电材料来降低PVC阻燃覆盖胶的表面电阻,确保输送带的表面电阻不大于3×108Ω。针对原PVC覆盖胶配方中的季铵盐阳离子型抗静电剂CN-3本身耐热性差,容易受热分解,从而降低PVC热稳定性的缺点,我们采用减少其用量,加入导电材料特导电炭黑的方法,使PVC阻燃输送带具有良好的抗静电性能。通过两者的合理搭配使用,既能利用抗静电剂CN-3的亲水基团增加PVC输送带表面的吸湿性,形成一个单分子的导电膜,来提高PVC输送带表面电导率;同时,又能利用特导电炭黑粒子在剪切力作用下,变成粘结粒子在覆盖胶中彼此接触形成大量导电网络,通过л电子在网状链中的移动以及电子跃迁而发生导电,来降低PVC阻燃输送带的体积电阻。

2.1.3 填料的选择

  在PVC阻燃输送带的生产成本中,原辅材料的成本占整个生产成本的70%以上,因此,原辅材料的成本降低直接关系到利润的高低。加入无机填料,是降低材料成本的最佳途径。为此,我们在保证覆盖胶各项物理性能和安全性能的基础上,加大轻质碳酸钙的用量。轻质碳酸钙是目前最常用的无机粉状填料,为无毒、无味的白色粉末,高温下不易发生分解。而且,轻质碳酸钙质地较软,对捏炼机和成型机械的磨损小;同时,其相对密度较小,在PVC覆盖胶中除具有增量作用外,还能改善PVC覆盖胶中加工性能,提高PVC阻燃输送带的抗冲击强度;加之其价格低廉,来源广泛。故在PVC覆盖胶中使用轻质碳酸钙做填料,来降低PVC覆盖胶的材料成本。

2.1.4 稳定体系的调整

  由于PVC分子结构中含有双键、支化点和引发剂残基等,加热到100℃即伴随有脱氯化氢(HCl)反应降解,在加工温度(170℃或更高)下,降解反应加快,最终导致PVC失去其化学和物理性能。故通常在PVC的加工过程中加入性能优良的热稳定剂,使之与PVC树脂组成有协同作用的热稳定体系来改善PVC的耐热性。原PVC覆盖胶配方采用二盐基亚磷酸铅、硬脂酸铅和硬脂酸钡作热稳定剂,鉴于硬脂酸铅用量大时易在制品表面形成喷霜和硬脂酸钡易引起粘辊的缺点,我们对原有稳定体系做适当调整,选用耐热性优良、特别适于高温加工的铅盐稳定剂二盐基亚磷酸铅和三盐基亚硫酸铅作为PVC覆盖胶的热稳定剂。

2.1.5 各组分的最佳用量

  实验证明,配方中各种组分所发挥的效能不是与其用量成正比例关系的,每种组分加入量都有一个极限值。我们针对卤-锑阻燃体系、抗静电体系和填料用量做了大量实验,发现Sb2O3有延长燃烧余辉的作用,其用量不宜超过10份,而且X/Sb比为7:1时,阻燃效果最佳;同时发现导电材料特导电炭黑的加入量大于7份后,再添加更多量对PVC覆盖胶的表面电阻影响不大,反而随其用量的不断增加,PVC覆盖胶的拉伸强度、冲击强度和伸长率均大幅度下降,硬度上升,而且在PVC胶片燃烧时产生红烬,降低阻燃效果。另外,尽管增塑剂和氯化石蜡均能吸附在轻质碳酸钙的表面,对碳酸钙表面起浸润作用,提高轻质碳酸钙在PVC树脂中的分散性。但由于轻质碳酸钙没有经过表面活性处理,其表面活性不强,故随着碳酸钙用量的增加,PVC覆盖胶的拉伸强度、伸长率均大幅度降低,硬度增大。因此,在PVC覆盖胶中加入轻质碳酸钙要适量。综合以上对PVC覆盖胶配方的分析研究,我们确定了PVC整芯阻燃输送带覆盖胶的最佳配方为: PVC 100; 增塑剂 60; 液体阻燃剂 15; 固体阻燃剂 4; 抗静电剂 2; 导电填料 5; 稳定剂 4; 润滑剂 1.5; 填料 30。

2.2 PVC覆盖胶实验工艺

2.2.1 PVC胶片制备工艺流程

  PVC树脂和各种助剂配合搅拌塑炼平板压制按照配方比例分别称取PVC树脂、增塑剂及各种添加组分在容器中进行配合,搅拌至均匀;将混合好的物料在开放式双辊塑炼机上塑炼20min后出胶片,裁取一定量的塑炼胶片放入平板硫化机中,低压(3MPa)合模,当温度升至150℃时,加压至10MPa,在保持压力不变的情况下保温5min后,通水冷却至60℃以下,开模出片。

2.2.2 PVC胶片制备工艺参数及要求

  开放式双辊塑炼机温度控制:前辊150~155℃;后辊145~150℃。

  平板硫化机成型温度控制:最高温度不超过168℃。

  试样表面应平整光滑,无气泡、疙瘩等缺陷。

2.3 PVC覆盖胶性能测试

  按照MT914-2002《煤矿用整芯阻燃输送带标准》对制得的PVC覆盖胶片进行了酒精喷灯燃烧测试、表面电阻测试和拉伸强度测试,测试结果如表1、表2、表3所示。
 实验测试结果表明,我们优化改进后的PVC覆盖胶配方,能够在降低产品生产成本的同时,提高产品的阻燃性能和抗静电性能。

3 结语

  改进后PVC覆盖胶新配方完全能够满足车间实际生产需要,能够生产出各项安全性能指标均达到并超过国家标准的合格产品。

参考文献:

[1] 欧育湘.实用阻燃技术[M].北京:化学工业出版社,2002:51~59.
[2] 钱汉英,王秀娴,等.塑料加工实用技术[M].北京:机械工业出版社,1999:116~119.

作者简介:程艳华(1974-),女,助理工程师,河南周口人,1997年毕业于郑州轻工业学院高分子材料加工专业,现从事技术工作。

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