本发明涉及聚合物管道技术领域，尤其涉及一种复合阻燃抗静电管道及其制备方法。
背景技术：
聚合物管道由于具有优良的力学性能、耐化学腐蚀性能和可加工性能，被广泛应用于建筑、工业生产等诸多领域。在煤矿、化工、金属加工、电子电器等对管道的燃烧性能和抗静电性能有特殊要求的领域应用时，聚合物管道必须经过阻燃抗静电改性处理。聚合物管道的阻燃抗静电改性通常是通过添加阻燃剂和抗静电剂来实现的，但是大量阻燃剂和抗静电剂的加入严重影响了聚合物基体的力学性能，使阻燃抗静电聚合物管道的强度和承压能力显著降低，导致管道在受到外力冲击、受震动或长期承受压力等情况下容易破损，存在较大的安全隐患。
为了解决上述问题，现有阻燃抗静电聚合物管道通常是通过在聚合物管道中加入金属骨架的方法来解决的，但是这种方法存在以下问题：首先，在聚合物管道中增加金属骨架导致管道的制备工艺和设备变得非常复杂，增加了管道的生产成本；其次，由于金属骨架与聚合物管道材料之间的相容性较差，在管道受到反复冲击或长时间受震动时可能出现管道破损的问题；最后，金属骨架的加入，使管道的弯曲和切割变得非常困难，影响了管道的安装、应用和维护。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种复合阻燃抗静电管道及其制备方法。本发明提供的复合阻燃抗静电管道无需加入金属骨架，在兼顾阻燃和抗静电性能的同时还能够保持良好的力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种复合阻燃抗静电管道，包含内层和外层，其特征在于，所述内层由包含高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的原料制备得到，内层原料中高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的质量比为100:(1～5):(1～3)；
所述外层由包含聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的原料制备得到，外层原料中聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的质量比为(75～85):(15～25):(3～8):(40～60):(1～3)。
优选的，所述外层原料中还包含抗氧剂和紫外线吸收剂；
所述外层原料中聚丙烯、抗氧剂和紫外线吸收剂的质量比为(75～85):(0.1～1):(0.1～2)。
优选的，所述导电碳纤维粉的直径为5～10μm，长度为0.1～2mm。
优选的，所述内层原料和外层原料中导电炭黑的平均粒径独立地≤50nm，比表面积独立地≥200m2/g。
优选的，所述阻燃剂为无卤膨胀阻燃剂和/或溴系阻燃剂。
优选的，所述阻燃协效剂为分子筛、纳米蒙脱土、硼酸锌、三氧化钼和三氧化二锑中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案任意一项所述复合阻燃抗静电管道的制备方法，包含如下步骤:
将所述内层原料进行混合，得到内层原料混合物；
将所述外层原料进行混合，得到外层原料混合物；
将所述内层原料混合物和外层原料混合物进行双层共挤，得到复合阻燃抗静电管道。
优选的，混合内层原料与混合外层原料的混合速率独立地为1000～1800rpm，混合时间独立地为1～10min。
优选的，所述双层共挤中内层挤出的螺杆转速为100～200rpm，进料温度为115～125℃，熔融温度为125～170℃，模口温度为155～165℃。
优选的，所述双层共挤中外层挤出的螺杆转速为100～300rpm，进料温度为155～165℃，熔融温度为165～195℃，模口温度为180～190℃。
本发明提供了一种复合阻燃抗静电管道及其制备方法。本发明提供复合阻燃抗静电管道由内层和外层组成，其中内层为力学增强抗静电层，外层为阻燃抗静电功能层；内层管道的聚合物基体为具有较高的强度的高密度聚乙烯，能够赋予复合管道很好的耐冲击性和承压能力；外层管道的聚合物基体为聚丙烯和高密度聚乙烯的聚合物共混物；聚丙烯的强度、硬度、耐热性能比聚乙烯高，使复合管道外层具有优良的强度、硬度，且更易阻燃；在外层管道中加入高密度聚乙烯，一方面能够提高外层管道和内层管道之间的相容性，从而提高复合管道的强度，另一方面能够在外层聚丙烯基体中形成网络结构，可显著提高外层管道的抗静电性能；内层管道中包含导电碳纤维和导电炭黑，导电碳纤维能够提高内层管道的强度和承压能力，导电碳纤维和导电炭黑的加入使内层管道具有优良的抗静电性能，能够有效避免管道内壁发生静电聚集；外层管道中导电炭黑在外层聚合物基体中会选择性分布在高密度聚乙烯相中，借助高密度聚乙烯相在聚丙烯基体中形成的网络结构，使外层管道具备高效、稳定的抗静电性能。由实施例的结果可知，本发明提供的复合阻燃抗静电管道内层的表面电阻率低于8.4×105ω，外层的表面电阻率低于5.2×106ω，外层的氧指数可达到32，垂直燃烧性能为v0级，拉伸强度不低于26mpa。
具体实施方式
本发明提供了一种复合阻燃抗静电管道，包含内层和外层，其特征在于，所述内层由包含高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的原料制备得到，内层原料中高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的质量比为100:(1～5):(1～3)；
所述外层由包含聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的原料制备得到，外层原料中聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的质量比为(75～85):(15～25):(3～8):(40～60):(1～3)。
本发明提供的复合阻燃抗静电管道包含内层，所述内层由包含高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的原料制备得到。在本发明中，所述内层原料中高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的质量比为100:(1～5):(1～3)，优选为100:(2～4):(1.5～2)。
本发明提供的复合阻燃抗静电管道包含外层，所述外层由包含聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的原料制备得到。在本发明中，所述外层原料中聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的质量比为(75～85):(15～25):(3～8):(40～60):(1～3)，优选为80:20:(4～6):(45～55):(1.5～2)。
本发明对所述内层和外层的质量比例和厚度比例没有任何的特殊要求，可以根据实际生产对产品的要求进行任意的设定。
在本发明中，所述内层原料和外层原料中包含高密度聚乙烯。本发明对所述高密度聚乙烯的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售的高密度聚乙烯即可。
在本发明中，所述内层原料和外层原料中包含导电炭黑。在本发明中，所述内层原料和外层原料中导电炭黑的平均粒径独立地优选≤50nm，更优选≤40nm，最优选≤30nm；所述内层原料和外层原料中导电炭黑的比表面积独立地优选≥200m2/g，更优选为250～500m2/g，最优选为300～400m2/g。
在本发明中，所述内层原料中包含导电碳纤维粉，所述导电碳纤维粉的直径优选为5～10μm，更优选为6～8μm；所述导电碳纤维粉的长度优选为0.1～2mm，更优选为0.5～1.5mm，最优选为0.8～1.2mm。
在本发明中，所述外层原料中包含聚丙烯。本发明对所述聚丙烯的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售的聚丙烯即可。
在本发明中，所述外层原料中包含阻燃剂，所述阻燃剂优选为无卤膨胀阻燃剂和/或溴系阻燃剂。本发明对所述无卤膨胀阻燃剂的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售的无卤膨胀阻燃剂即可。在本发明中，所述无卤膨胀阻燃剂优选为季戊四醇和聚磷酸铵的混合物；所述季戊四醇优选为双季戊四醇和/或三季戊四醇；所述聚磷酸铵优选为纯聚磷酸铵、硅烷包覆聚磷酸铵、密胺包覆聚磷酸铵和环氧树脂包覆聚磷酸铵中的一种或几种。在本发明中，所述季戊四醇和聚磷酸铵的质量比优选为1:(2～9)，更优选为1:(4～6)。
在本发明中，所述溴系阻燃剂优选为十溴二苯乙烷和/或十溴二苯醚。本发明对所述十溴二苯乙烷和十溴二苯醚的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售的十溴二苯乙烷和十溴二苯醚即可。
在本发明中，所述外层原料中包含阻燃协效剂；所述阻燃协效剂优选为分子筛、纳米蒙脱土、硼酸锌、三氧化钼和三氧化二锑中的一种或几种。在本发明中，所述分子筛优选为4a分子筛。本发明对所述纳米蒙脱土的粒径没有任何的特殊要求，选择纳米级别的即可。本发明对所述阻燃协效剂的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售的上述具体种类的阻燃协效剂即可。
在本发明中，所述外层原料中优选还包含抗氧剂和紫外线吸收剂；所述外层原料中聚丙烯、抗氧剂和紫外线吸收剂的质量比优选为(75～85):(0.1～1):(0.1～2)，更优选为80:(0.5～0.8):(0.5～1.2)。在本发明中，所述抗氧剂优选为受阻酚类抗氧剂和/或硫代二丙酸二月桂酯抗氧剂。在本发明中，所述紫外线吸收剂优选为2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(uv-531)和/或2-(2’-羟基-3’，5’-二叔苯基)-5-氯苯并三唑(uv-327)。本发明对所述抗氧剂和紫外线吸收剂的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售种类的抗氧剂和紫外线吸收剂即可。
本发明还提供了上述技术方案任意一项所述复合阻燃抗静电管道的制备方法，包含如下步骤:
将所述内层原料进行混合，得到内层原料混合物；
将所述外层原料进行混合，得到外层原料混合物；
将所述内层原料混合物和外层原料混合物进行双层共挤，得到复合阻燃抗静电管道。
本发明将所述内层原料进行混合，得到内层原料混合物；将所述外层原料进行混合，得到外层原料混合物。本发明对混合内层原料与混合外层原料的顺序没有任何的特殊要求，可以先混合某层的原料或者同时对两层原料分别进行混合。本发明对所述内层原料的混合顺序没有任何的特殊要求，内层原料可以按照任意的顺序进行混合。本发明对所述外层原料的混合顺序没有任何的特殊要求，外层原料可以按照任意的顺序进行混合。
在本发明中，所述混合内层原料与混合外层原料的过程优选的均在高速混合机中进行。在本发明中，混合内层原料与混合外层原料的混合速率独立地优选为1000～1800rpm，更优选为1200～1600rpm，最优选为1400rpm；混合内层原料与混合外层原料的混合时间独立地优选为1～10min，更优选为2～8min，最优选为4～6min。
得到所述内层原料混合物和外层原料混合物后，本发明将所述内层原料混合物和外层原料混合物进行双层共挤，得到复合阻燃抗静电管道。在本发明中，所述双层共挤优选在双层共挤挤出机中进行。
在本发明中，所述双层共挤中内层挤出的螺杆转速优选为100～200rpm，更优选为120～180rpm，最优选为140～160rpm；所述双层共挤中内层挤出的进料温度优选为115～125℃，更优选为120℃；所述双层共挤中内层挤出的熔融温度(也即挤出机的中间区温度)优选为125～170℃，更优选为140～160℃，最优选为145～155℃；所述双层共挤中内层挤出的模口温度优选为155～165℃，更优选为158～160℃。
在本发明中，所述双层共挤中外层挤出的螺杆转速优选为100～300rpm，更优选为150～250rpm，最优选为200rpm；所述双层共挤中外层挤出的进料温度优选为155～165℃，更优选为158～160℃；所述双层共挤中外层挤出的熔融温度(也即挤出机的中间区温度)优选为165～195℃，更优选为175～185℃；所述双层共挤中外层挤出的模口温度优选为180～190℃，更优选为182～188℃，最优选为184～186℃。
下面结合实施例对本发明提供的复合阻燃抗静电管道及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例的复合阻燃抗静电管道由内层和外层组成，内层为力学增强抗静电层，外层为阻燃抗静电功能层，两层管道采用双层共挤挤出机挤出成型。
其中，内层由按质量份计量的高密度聚乙烯100份、导电碳纤维粉2份和导电炭黑1.5份构成；外层由按质量份计量的聚丙烯80份、高密度聚乙烯20份、导电炭黑4份、阻燃剂40份、阻燃协效剂1份、受阻酚类抗氧剂0.5份、紫外线吸收剂(uv-531)0.5份构成。
导电碳纤维粉的直径为5μm，长度为0.5mm；导电炭黑的平均粒径位20nm，比表面积为215m2/g；阻燃剂选择无卤膨胀阻燃剂；阻燃协效剂选择纳米蒙脱土。
按质量份分别称取内层物料和外层物料；
采用高速混合机分别将内层物料和外层物料分别以1400rpm的速度混合5min；
采用双层共挤挤出机制复合阻燃抗静电管道：
内层挤出机的螺杆转速为100rpm，挤出机的进料段温度为115℃，中间区段温度为170℃，模口温度为165℃；
外层挤出机的螺杆转速为250rpm，挤出机的进料段温度为165℃，中间区段温度为170℃，模口温度为180℃。
本实施例得到的复合阻燃抗静电管道内层的表面电阻率为4.7×105ω，外层的表面电阻率为5.2×106ω，外层的氧指数为28，垂直燃烧性能为v0级，拉伸强度为27.4mpa。
实施例2
本实施例的复合阻燃抗静电管道由内层和外层组成，内层为力学增强抗静电层，外层为阻燃抗静电功能层，两层管道采用双层共挤挤出机挤出成型。
其中，内层由按质量份计量的高密度聚乙烯100份、导电碳纤维粉3份和导电炭黑1.5份构成；外层由按质量份计量的聚丙烯80份、高密度聚乙烯20份、导电炭黑6份、阻燃剂60份、阻燃协效剂2份、硫代二丙酸二月桂酯抗氧剂1份、紫外线吸收剂(uv-531)1份构成。
导电碳纤维粉的直径为7μm，长度为1mm；导电炭黑的平均粒径位15nm，比表面积为245m2/g；阻燃剂选择无卤膨胀阻燃剂；阻燃协效剂选择分子筛。
按质量份分别称取内层物料和外层物料；
采用高速混合机分别将内层物料和外层物料分别以1400rpm的速度混合3min；
采用双层共挤挤出机制复合阻燃抗静电管道：
内层挤出机的螺杆转速为200rpm，挤出机的进料段温度为120℃，中间区段温度为125℃，模口温度为155℃；
外层挤出机的螺杆转速为300rpm，挤出机的进料段温度为155℃，中间区段温度为195℃，模口温度为190℃。
本实施例得到的复合阻燃抗静电管道内层的表面电阻率为1.5×105ω，外层的表面电阻率为5.2×105ω，外层的氧指数为32，垂直燃烧性能为v0级，拉伸强度为26.5mpa。
实施例3
本实施例的复合阻燃抗静电管道由内层和外层组成，内层为力学增强抗静电层，外层为阻燃抗静电功能层，两层管道采用双层共挤挤出机挤出成型。
其中，内层由按质量份计量的高密度聚乙烯100份、导电碳纤维粉2份和导电炭黑1份构成；外层由按质量份计量的聚丙烯80份、高密度聚乙烯20份、导电炭黑5份、阻燃剂55份、阻燃协效剂1.5份构成、受阻酚类抗氧剂0.6份、紫外线吸收剂(uv-327)0.7份。
导电碳纤维粉的直径为7μm，长度为2mm；导电炭黑的平均粒径位25nm，比表面积为200m2/g；阻燃剂选择溴系阻燃剂；阻燃协效剂选择三氧化钼和三氧化二锑。
按质量份分别称取内层物料和外层物料；
采用高速混合机分别将内层物料和外层物料分别以1400rpm的速度混合4min；
采用双层共挤挤出机制复合阻燃抗静电管道：
内层挤出机的螺杆转速为150rpm，挤出机的进料段温度为125℃，中间区段温度为150℃，模口温度为160℃；
外层挤出机的螺杆转速为100rpm，挤出机的进料段温度为160℃，中间区段温度为180℃，模口温度为190℃。
本实施例得到的复合阻燃抗静电管道内层的表面电阻率为8.4×105ω，外层的表面电阻率为1.6×106ω，外层的氧指数为30，垂直燃烧性能为v0级，拉伸强度为27.1mpa。
由以上实施例可知，本发明提供了一种复合阻燃抗静电管道及其制备方法。本发明提供的复合阻燃抗静电管道包含内层和外层，所述内层由包含高密度聚乙烯、导电碳纤维粉和导电炭黑的原料制备得到；所述外层由包含聚丙烯、高密度聚乙烯、导电炭黑、阻燃剂和阻燃协效剂的原料制备得到。由实施例的结果可知，本发明提供的复合阻燃抗静电管道内层的表面电阻率低于8.4×105ω，外层的表面电阻率低于5.2×106ω，外层的氧指数可达到32，垂直燃烧性能为v0级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。