隨著化工材料的發(fā)展,高分子聚合物以質(zhì)量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高、易加工等優(yōu)良的綜合性能逐步“以塑代鋼”,并被廣泛應(yīng)用于煤礦井下,如風(fēng)筒、輸送帶、管材、塑料網(wǎng)假頂、儀器設(shè)備外殼或零部件等。但與此同時(shí),高分子聚合物制品具有易燃燒、易產(chǎn)生靜電積聚的特點(diǎn),在煤礦井下使用,存在著引起瓦斯煤塵爆炸的不安全隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),北票、雞西、西山、豐城、淮南都曾發(fā)生因聚合物制品燃燒或靜電積聚引起礦井瓦斯爆炸和火災(zāi),造成人員傷亡和國(guó)家財(cái)產(chǎn)的巨大損失。為此,根據(jù)煤礦井下使用高分子聚合物制品的安全要求及其燃燒和靜電積聚的機(jī)理,制訂相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法,促進(jìn)阻燃抗靜電性能的不斷提高,一直是國(guó)內(nèi)外共同關(guān)注的重點(diǎn)。

　　1安全要求

　　高分子聚合物制品在煤礦井下有瓦斯煤塵爆炸危險(xiǎn)性環(huán)境中使用時(shí),除保證有良好的使用性能外,尤其應(yīng)具有可靠的安全性能,即阻燃和抗靜電性能,必須滿足以下要求:

　　1)不因使用高分子聚合物制品而增加煤礦井下著火危險(xiǎn)性。即使煤礦井下發(fā)生火災(zāi),火焰也不得蔓延,避免火災(zāi)擴(kuò)大化。

　　2)高分子聚合物制品因燃燒而產(chǎn)生的分解物的量不得危害人身健康;燃燒產(chǎn)生的煙塵或刺激性、腐蝕性、毒害性氣體不得損害人的眼睛、皮膚,達(dá)到使人不能承受的刺激程度;燃燒氣體成分不能影響自救器的正常工作,給救生和消防帶來困難。

　　3)高分子聚合物制品表面不允許積聚能使可燃?xì)怏w著火的靜電電荷量。

　　2阻燃性能評(píng)價(jià)方法

　　高分子聚合物制品在燃燒時(shí)發(fā)熱量大、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?以及釋放出大量的煙塵或刺激性、腐蝕性、毒害性氣體,給井下救生和消防帶來困難。因此,井下用高分子聚合物制品的阻燃以及低煙、低毒等問題,成為世界各國(guó)著力研究、制訂阻燃法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的課題。

　　在研究、開發(fā)井下用阻燃高聚物制品時(shí),燃燒性試驗(yàn)是評(píng)價(jià)阻燃效果的極其重要的手段,通常步驟是:首先對(duì)高分子聚合物材料本身的阻燃性能進(jìn)行試驗(yàn)并作出評(píng)價(jià),以測(cè)定材料的物理和化學(xué)的燃燒特性為主,如分解溫度、閃點(diǎn)、自燃點(diǎn)、燃燒熱、臨界氧指數(shù)、燃燒速度、燃燒時(shí)間、發(fā)煙性、產(chǎn)生的氣體及其毒性等,然后,再對(duì)所選材料構(gòu)成的制品進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià),以使用的安全性為目標(biāo)。對(duì)用戶而言,關(guān)注的是后者,人們希望這種試驗(yàn)最好能使實(shí)際火災(zāi)所發(fā)生的效果再現(xiàn),所以,國(guó)內(nèi)外井下用高分子聚合物制品的標(biāo)準(zhǔn)都是測(cè)定制品在模擬使用條件下的燃燒特性。

　　2.1小規(guī)模著火試驗(yàn)

　　該方法又稱酒精噴燈燃燒試驗(yàn),即在規(guī)定的火焰溫度、火焰長(zhǎng)度條件下,在一定時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃試樣,燈移走后記錄試樣上有焰和無焰燃燒時(shí)間,以火焰在試樣上的延燃時(shí)間來評(píng)價(jià)阻燃性能。小規(guī)模著火試驗(yàn)因其方法簡(jiǎn)單并具有一定可靠性而被廣泛采用。美國(guó)、英國(guó)、前西德、日本以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)都制訂了試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)高分子聚合物制品標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)采用酒精噴燈燃燒試驗(yàn)評(píng)價(jià)阻燃性能的方法就是等效采用了英國(guó)NBC標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2氧指數(shù)法

　　氧指數(shù)法主要是針對(duì)高分子聚合物制品材料燃燒性能的試驗(yàn)方法。此法可以從測(cè)得的氧指數(shù)數(shù)值的大小來評(píng)定材料阻燃性能的高低,其值越大阻燃性越高,一般高阻燃性的高分子聚合物制品材料的氧指數(shù)至少應(yīng)在27%以上。日本學(xué)者的試驗(yàn)研究[1],用同一種高分子聚合物制品試樣做氧指數(shù)與小規(guī)模著火試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì),結(jié)果表明,氧指數(shù)越大的試樣其火焰的持續(xù)時(shí)間越短。2種試驗(yàn)方法有一定的相關(guān)性。雖然,試驗(yàn)結(jié)果不能用于評(píng)定材料在實(shí)際使用條件下著火的危險(xiǎn)性,但完全可評(píng)定材料的起燃敏感性,對(duì)構(gòu)成制品的材料的阻燃性進(jìn)行量化。1970年,美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制訂了第1個(gè)有關(guān)氧指數(shù)測(cè)定方法的標(biāo)準(zhǔn),即ASTMD2863—1970,由于該方法作為判斷材料在空氣中與火焰接觸時(shí)燃燒的難易程度非常有效,并可用來給材料的燃燒性分級(jí),因此,得到世界各國(guó)的重視,許多主要工業(yè)國(guó)家、國(guó)際電工委員會(huì)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織都制訂了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)目前已發(fā)布GBΠT2406—93《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法氧指數(shù)法》和GB10707—89《橡膠燃燒性能測(cè)定氧指數(shù)法》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。氧指數(shù)法可對(duì)材料的難燃性進(jìn)行定量評(píng)價(jià),可靠性較高、重現(xiàn)性較好,目前大多用于實(shí)驗(yàn)室研究阻燃配方設(shè)計(jì)。

　　2.3大規(guī)模著火試驗(yàn)

　　該方法又稱巷道實(shí)際規(guī)模的燃燒試驗(yàn),除要求高分子聚合物制品不易被點(diǎn)燃、著火后不延燃外,試驗(yàn)?zāi)�擬如果周圍環(huán)境起火,高分子聚合物制品還應(yīng)具有不擴(kuò)展或不助長(zhǎng)外部火源的性能。如前西德標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,用于井下的塑料風(fēng)筒必須在燃燒平硐內(nèi)做實(shí)際規(guī)模的燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是在長(zhǎng)約25m,巷道斷面為2.8m×2.4m的平硐內(nèi),將試驗(yàn)風(fēng)筒(長(zhǎng)度15m)吊掛在巷道一側(cè),在風(fēng)速為700mΠmin的條件下承受220kg木支架的燃燒,以木支架燃燒時(shí)的火焰在試驗(yàn)風(fēng)筒上不會(huì)自動(dòng)蔓延為合格判定標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)僅在阻燃輸送帶標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了與此類似的阻燃輸送帶巷道丙烷燃燒試驗(yàn)方法。

　　我國(guó)煤礦用高分子聚合物制品標(biāo)準(zhǔn)全部都采用了小規(guī)模著火試驗(yàn),只有阻燃輸送帶還附加采用了大規(guī)模著火試驗(yàn),全部都未采用氧指數(shù)法。在模擬使用條件下的燃燒特性試驗(yàn),都是在有限的條件下對(duì)高分子聚合物制品的相對(duì)阻燃性進(jìn)行評(píng)價(jià),采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法所得到的燃燒性試驗(yàn)結(jié)果,只能用于說明供試驗(yàn)的制品在可控的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)熱和火焰的反應(yīng)特性,而井下產(chǎn)生火災(zāi)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜、空間狹小,僅對(duì)制品的試驗(yàn)不能完全用來說明或估計(jì)在實(shí)際火災(zāi)條件下的著火危險(xiǎn)性、燃燒程度和毒害氣體的危害程度。因此,完善煤礦用高分子聚合物材料及其制品的標(biāo)準(zhǔn)體系,采用氧指數(shù)法對(duì)制品的高分子聚合物材料本身的阻燃性能進(jìn)行試驗(yàn),再與制品在大、小規(guī)模著火試驗(yàn)?zāi)�擬使用條件下的燃燒特性(判斷制品是“自熄的”或“可燃的”,并測(cè)定“火焰的表面擴(kuò)展”,以評(píng)定制品阻止火焰?zhèn)鞑サ哪芰?結(jié)合起來,并降低燃燒的發(fā)煙性和毒性,以顯著提高煤礦用高分子聚合物制品的阻燃性能。

　　3抗靜電性能評(píng)價(jià)方法

　　高分子聚合物制品在煤礦井下使用過程中受到機(jī)械摩擦、高速風(fēng)流及風(fēng)流中所含的粉塵與其表面發(fā)生摩擦而產(chǎn)生靜電。由于高分子聚合物材料都是絕緣材料,因摩擦產(chǎn)生的靜電荷積聚在表面不易消失,當(dāng)靜電荷積聚達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)接地體產(chǎn)生放電現(xiàn)象,當(dāng)放電能量達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)引起瓦斯爆炸。日本對(duì)“非抗靜電塑料風(fēng)筒的風(fēng)速、粉塵含量與產(chǎn)生靜電的關(guān)系”的試驗(yàn)研究表明,風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速越大、含塵量越高,其風(fēng)筒表面產(chǎn)生的靜電電壓和靜電能量越大。非抗靜電塑料風(fēng)筒在不同風(fēng)速和風(fēng)流中不同含塵量所測(cè)得的風(fēng)筒表面的靜電電壓和靜電能量見表1[2]。

　　表1非抗靜電塑料風(fēng)筒在不同條件下抗靜電性能比較

 

　　煤礦井下瓦斯爆炸界限的下限為5.00%CH₄,上限為16.00%CH₄,最低著火能量為0.28mJ。因此,高分子聚合物制品上的靜電放電量很容易引起瓦斯爆炸。據(jù)文獻(xiàn)[3]報(bào)道,日本北海道地區(qū)的煤礦在曾經(jīng)發(fā)生的8次爆炸事故中,推測(cè)由靜電放電引起的有4次,因在事故調(diào)查時(shí)找不出除靜電以外的點(diǎn)火原因。根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè),可能是由于瓦斯突出時(shí)大量的粉塵飛揚(yáng)混入風(fēng)筒內(nèi)與風(fēng)筒表面摩擦產(chǎn)生靜電放電的原故。

　　靜電的產(chǎn)生與材料的導(dǎo)電性有關(guān)。所謂抗靜電材料是指表面電阻率在10⁵～10¹⁰Ω或體積電阻率在10⁸～10¹⁰Ω•cm或靜電衰減半衰期小于2s的材料。目前,我國(guó)煤礦用高分子聚合物制品標(biāo)準(zhǔn)全部都采用表面電阻試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)抗靜電性能,與國(guó)外一樣,也未采用模擬高分子聚合物制品實(shí)際使用工況下的抗靜電性能。表面電阻與環(huán)境的相對(duì)濕度有關(guān),據(jù)有關(guān)資料介紹,表面電阻與相對(duì)濕度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。相對(duì)濕度大,表面電阻值低,反之則高。因此測(cè)試時(shí)必須保持一定的環(huán)境溫、濕度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試的環(huán)境溫度為(25±5)℃,環(huán)境相對(duì)濕度為(65±5)%,易導(dǎo)致試驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際使用環(huán)境條件下的差距。另外,雖然因表面摩擦產(chǎn)生的靜電主要是通過物體表面?zhèn)鲗?dǎo)的,但靜電電荷的衰減情況如何也未確定。與表面電阻、體積電阻、表面電荷密度評(píng)價(jià)方法相比,靜電電荷半衰期測(cè)試方法的可靠性更高,國(guó)外已作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。滿足靜電電荷半衰期測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),就能達(dá)到表面電阻的要求;反之,滿足表面電阻標(biāo)準(zhǔn),不一定滿足靜電電荷半衰期標(biāo)準(zhǔn)。然而,從試驗(yàn)的最終目的出發(fā),最好能使實(shí)際使用工況下的抗靜電性能效果再現(xiàn),與此類似的評(píng)價(jià)方法有GBΠT13813—2001《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》[4],該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了模擬實(shí)際使用工況下煤礦用金屬材料摩擦火花引起瓦斯爆炸可能性的評(píng)價(jià)方法。

　　因此,完善煤礦用高分子聚合物材料及其制品的標(biāo)準(zhǔn)體系,采用靜電電荷半衰期法評(píng)價(jià)高分子聚合物材料及其制品的抗靜電性能,并與在模擬實(shí)際使用工況下制品的抗靜電性能評(píng)價(jià)方法結(jié)合起來,可極大地促進(jìn)煤礦用高分子聚合物制品抗靜電性能的提高。

　　4結(jié)論

　　1)從原材料和制品兩方面,完善煤礦用高分子聚合物材料及其制品阻燃抗靜電性能評(píng)價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)體系。

　　2)建議采用氧指數(shù)法和大、小規(guī)模著火試驗(yàn)法評(píng)價(jià)高分子聚合物材料及其制品阻燃性能,促進(jìn)阻燃性能的提高,降低燃燒的發(fā)煙性和毒性。

　　3)建議采用靜電電荷半衰期法和模擬實(shí)際使用工況法評(píng)價(jià)高分子聚合物材料及其制品的抗靜電性能,使其評(píng)價(jià)方法更趨科學(xué)。