煤矿井下用塑料护套生产线（改性煤矿井下用聚乙烯管材）

煤矿井下用塑料护套生产线（改性煤矿井下用聚乙烯管材）2.2 晶须的应用 TLCP的价格高昂，按体积计算，约为HDPE的10倍左右，即使是制成HDPE/TLCP合金，管材原料成本也将有较大幅度的提高。这种提高与TLCP用量成正比。 煤矿井下用聚乙烯管（下称煤矿管）目前执行的标准文件有4个，它们是：“MT558.1-2005，煤矿井下用塑料管材第一部分：聚乙烯管材”（下称行标）；“MT181-1988，煤矿井下用塑料管安全性能检验规范”（下称规范）；“煤矿用塑料管材安全标志管理研讨会会议纪要2006年4月8日”（下称纪要）；“GB/T13663-2000给水用聚乙烯（PE）管材”（下称国标）。 这些标准文件中，对煤矿管性能如“阻燃性能”、“导电性能”和“力学性能”的规定如下： 从表1可以看出，TLCP的弹性模量是HDPE的10-100倍，添加TLCP的HDPE的刚性会有明显提高；TLCP的拉伸强度是HDPE的2-4倍，添加TLCP的HDPE的拉

TLCP改性煤矿井下用聚乙烯管材

摘 要：煤矿管为保证阻燃、导电性能达标，需要添加大量非树脂组分，其力学性能损失严重，增加达标难度。本文提出了系列措施，如产品为三层结构；采用原位复合新技术、采用晶须和TLCP新材料改进配方设计；改变热塑性塑料管材挤出成型熔体流动方向等。并介绍了热塑性塑料管材挤出涂覆机头及含挤出涂覆机头的塑料管材挤出涂覆装置。不仅将促进煤矿管制造的技术进步，还可能推动热塑性塑料管材制造技术取得新的突破。

关键词：TLCP；TLCP/TP；原位复合；晶须；大分子链取向；煤矿井下用聚乙烯管

0 前言

煤矿井下用聚乙烯管（下称煤矿管）目前执行的标准文件有4个，它们是：“MT558.1-2005，煤矿井下用塑料管材第一部分：聚乙烯管材”（下称行标）；“MT181-1988，煤矿井下用塑料管安全性能检验规范”（下称规范）；“煤矿用塑料管材安全标志管理研讨会会议纪要2006年4月8日”（下称纪要）；“GB/T13663-2000给水用聚乙烯（PE）管材”（下称国标）。

这些标准文件中，对煤矿管性能如“阻燃性能”、“导电性能”和“力学性能”的规定如下：

从表1可以看出，TLCP的弹性模量是HDPE的10-100倍，添加TLCP的HDPE的刚性会有明显提高；TLCP的拉伸强度是HDPE的2-4倍，添加TLCP的HDPE的拉伸强度也会有较大提高。

TLCP的价格高昂，按体积计算，约为HDPE的10倍左右，即使是制成HDPE/TLCP合金，管材原料成本也将有较大幅度的提高。这种提高与TLCP用量成正比。

2.2 晶须的应用

晶须是一种新型高性能针状单晶纤维增强材料，在众多增强纤维中，晶须的强度和模量最高。直径为零点几至几微米，长度为几微米至数百微米的晶须，由于单晶中原子排列非常规整，晶体结构十分完整，几乎不存在多晶材料中的各种缺陷，因而具有极高的力学强度，其拉伸强度是玻璃纤维的5-10倍，比硼纤维有更好的韧性，晶须能承受较大的应变而无永久变形，而块状晶体的弹性变形范围却小于0.1%。晶须兼具这两种纤维的最佳性能，如图1所示。

晶须具有不会引起高温滑移的完整性，温度升高时，晶须不分解、不软化，其强度几乎没有损失，这种特性使其在防火材料中的应用成为可能。

晶须的尺寸细微，不影响复合材料成型流动性，接近于无填充的树脂。晶须可在有机基体中分散的很均匀，即使是极薄、极狭小甚至边角部位都能得到饱满填充，没有纳米材料填充聚合物时存在的团聚现象。

用晶须增强的复合材料有良好的重复使用性。作为新型增强材料的晶须，像硅酸钙、硫酸钙、水合碱式硫酸镁等晶须，由于它们的阻燃性、防火性、安全性和反复利用性好，在目前对材料的环境要求越来越高的形势下，作为塑料、金属和陶瓷等材料的改性添加剂时，表现出极佳的物理化学性质和优异的机械性能。近年，晶须增强高分子材料越来越受到关注，现已成为树脂基复合材料发展的新方向之一。

晶须具有不燃、增强、增韧、增刚和增容等多重性能。在HDPE/TLCP合金中，添加适量晶须，采用TLCP价格高的矛盾将被晶须的加入所减小。

3 改变大分子链取向

高分子长链具有明显的几何不对称性，长径比相差悬殊，可达几十到几万，因此在外力场作用下，分子链沿外力场作用方向占优势地平行排列，这一过程称为取向。塑料的取向，是指塑料制品内聚合物大分子链的整体或局部沿某一特定方向作占优势平行排列的现象。取向是塑料改性的一种有效方法，通过取向改性，可以使塑料的力学性能、热学性能、光学性能、电学性能及阻隔性能等都得到明显改善。

TLCP高強度、高模量，大分子链为棒状，成型过程中易于取向，这种性能是各向异性的，即平行于熔体流动方向的強度约为垂直于熔体流动方向强度的数倍，TLCP大分子链取向示意如图2所示。

图1 三种纤维强度比较

图2 塑料熔体沿流动方向取向示意图

添加了晶须的HDPE/TLCP中，晶须和TLCP同时存在着平行于熔体流动方向取向的倾向。热塑性塑料管材的挤出成型，传统方法都是挤出方向与管材轴线平行，挤出成型过程中，塑料大分子链将沿挤出方向取向，管壁的强度沿管材轴线方向大，而垂直于轴线方向的低，如图3所示。表2、表3为两种TLCP性能的方向性。

表2 Xydar机械性能的各向异性

表3 Vectra机械性能的各向异性

这与承压塑料管的受力方向恰恰相反。承压塑料管管壁径向受力约为轴向的2倍多。将热塑性塑料管挤出成型的熔体流动方向旋转90°后，添加了TLCP和晶须的HDPE中的HDPE大分子链、微纤化的TLCP和晶须微纤组分，都将沿熔体流动方向旋转90°后的方向排列，也就是沿管材圆周方向排列，大分子链取向也将垂直于管材轴线，其周向强度将大于轴向。此法适用于所有热塑性塑料管的挤出成型。如图4所示。

图3 塑料管壁中大分子链沿流动方向取向示意图（轴线取向）

图4 塑料管壁中大分子链沿流动方向取向示意图（径向取向）

4 涂覆机头和涂覆装置

将热塑性塑料管挤出成型的熔体流动方向旋转90°，可通过塑料管材涂覆机头及含塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置实现（专利号PCT/CN2013/074925）。添加了TLCP的HDPE这这里实现了原位复合，添加了晶须的HDPE在这里实现了纤维增强，赋予了HDPE以阻燃功能，使PE80或PE100级别得到提升，也因此又为PE扩大了增容的空间。

在塑料管材涂覆机头及装置中，其主要特征在于塑料管材涂覆机头中设有一只“导流板”。一只“导流板”的两个端面上设有数量、形状、几何尺寸完全相同、但方向相反，易使TLCP棒状大分子链取向的特殊流道。一台挤出机为一只“导流板”供料，二股熔体流在管壁中形成近似于交叉复合；也可以是一台挤出机为多只“导流板”供料，熔体流在管壁中形成近似于多层交叉复合。在图4中，管材结构为四层，机头中设二只“导流板”，二只“导流板”可以由一台挤出机供料，所得管材为单一组分；二只“导流板”可以由二台挤出机供料，所得管材可为两种组分复合。正压风管、喷浆用管、 煤矿聚乙烯通用管材、负压风管和抽放瓦斯用管可为二组分六层复合；而供、排水用管则应为三组分六层复合。