隨著化工材料的發展,高分子聚合物以質量輕、耐腐蝕、強度高、易加工等優良的綜合性能逐步“以塑代鋼”,并被廣泛應用于煤礦井下,如風筒、輸送帶、管材、塑料網假頂、儀器設備外殼或零部件等。但與此同時,高分子聚合物制品具有易燃燒、易產生靜電積聚的特點,在煤礦井下使用,存在著引起瓦斯煤塵爆炸的不安全隱患。據不完全統計,北票、雞西、西山、豐城、淮南都曾發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,造成人員傷亡和國家財產的巨大損失。為此,根據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理,制訂相應的技術標準和評價方法,促進阻燃抗靜電性能的不斷提高,一直是國內外共同關注的重點。

　　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性環境中使用時,除保證有良好的使用性能外,尤其應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性。即使煤礦井下發生火災,火焰也不得蔓延,避免火災擴大化。

　　2)高分子聚合物制品因燃燒而產生的分解物的量不得危害人身健康;燃燒產生的煙塵或刺激性、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氣體著火的靜電電荷量。

　　2阻燃性能評價方法

　　高分子聚合物制品在燃燒時發熱量大、火焰傳播速度快,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,成為世界各國著力研究、制訂阻燃法規及標準的課題。

　　在研究、開發井下用阻燃高聚物制品時,燃燒性試驗是評價阻燃效果的極其重要的手段,通常步驟是:首先對高分子聚合物材料本身的阻燃性能進行試驗并作出評價,以測定材料的物理和化學的燃燒特性為主,如分解溫度、閃點、自燃點、燃燒熱、臨界氧指數、燃燒速度、燃燒時間、發煙性、產生的氣體及其毒性等,然后,再對所選材料構成的制品進行試驗和評價,以使用的安全性為目標。對用戶而言,關注的是后者,人們希望這種試驗最好能使實際火災所發生的效果再現,所以,國內外井下用高分子聚合物制品的標準都是測定制品在模擬使用條件下的燃燒特性。

　　2.1小規模著火試驗

　　該方法又稱酒精噴燈燃燒試驗,即在規定的火焰溫度、火焰長度條件下,在一定時間內點燃試樣,燈移走后記錄試樣上有焰和無焰燃燒時間,以火焰在試樣上的延燃時間來評價阻燃性能。小規模著火試驗因其方法簡單并具有一定可靠性而被廣泛采用。美國、英國、前西德、日本以及國際標準化組織(ISO)都制訂了試驗方法的標準。我國高分子聚合物制品標準中有關采用酒精噴燈燃燒試驗評價阻燃性能的方法就是等效采用了英國NBC標準。

　　2.2氧指數法

　　氧指數法主要是針對高分子聚合物制品材料燃燒性能的試驗方法。此法可以從測得的氧指數數值的大小來評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至少應在27%以上。日本學者的試驗研究[1],用同一種高分子聚合物制品試樣做氧指數與小規模著火試驗進行比對,結果表明,氧指數越大的試樣其火焰的持續時間越短。2種試驗方法有一定的相關性。雖然,試驗結果不能用于評定材料在實際使用條件下著火的危險性,但完全可評定材料的起燃敏感性,對構成制品的材料的阻燃性進行量化。1970年,美國材料與試驗協會制訂了第1個有關氧指數測定方法的標準,即ASTMD2863—1970,由于該方法作為判斷材料在空氣中與火焰接觸時燃燒的難易程度非常有效,并可用來給材料的燃燒性分級,因此,得到世界各國的重視,許多主要工業國家、國際電工委員會和國際標準化組織都制訂了相關的標準,我國目前已發布GBΠT2406—93《塑料燃燒性能試驗方法氧指數法》和GB10707—89《橡膠燃燒性能測定氧指數法》等國家標準。氧指數法可對材料的難燃性進行定量評價,可靠性較高、重現性較好,目前大多用于實驗室研究阻燃配方設計。

　　2.3大規模著火試驗

　　該方法又稱巷道實際規模的燃燒試驗,除要求高分子聚合物制品不易被點燃、著火后不延燃外,試驗模擬如果周圍環境起火,高分子聚合物制品還應具有不擴展或不助長外部火源的性能。如前西德標準規定,用于井下的塑料風筒必須在燃燒平硐內做實際規模的燃燒試驗。試驗方法是在長約25m,巷道斷面為2.8m×2.4m的平硐內,將試驗風筒(長度15m)吊掛在巷道一側,在風速為700mΠmin的條件下承受220kg木支架的燃燒,以木支架燃燒時的火焰在試驗風筒上不會自動蔓延為合格判定標準。我國僅在阻燃輸送帶標準中規定了與此類似的阻燃輸送帶巷道丙烷燃燒試驗方法。

　　我國煤礦用高分子聚合物制品標準全部都采用了小規模著火試驗,只有阻燃輸送帶還附加采用了大規模著火試驗,全部都未采用氧指數法。在模擬使用條件下的燃燒特性試驗,都是在有限的條件下對高分子聚合物制品的相對阻燃性進行評價,采用標準規定的試驗方法所得到的燃燒性試驗結果,只能用于說明供試驗的制品在可控的實驗條件下對熱和火焰的反應特性,而井下產生火災的因素錯綜復雜、空間狹小,僅對制品的試驗不能完全用來說明或估計在實際火災條件下的著火危險性、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準體系,采用氧指數法對制品的高分子聚合物材料本身的阻燃性能進行試驗,再與制品在大、小規模著火試驗模擬使用條件下的燃燒特性(判斷制品是“自熄的”或“可燃的”,并測定“火焰的表面擴展”,以評定制品阻止火焰傳播的能力)結合起來,并降低燃燒的發煙性和毒性,以顯著提高煤礦用高分子聚合物制品的阻燃性能。

　　3抗靜電性能評價方法

　　高分子聚合物制品在煤礦井下使用過程中受到機械摩擦、高速風流及風流中所含的粉塵與其表面發生摩擦而產生靜電。由于高分子聚合物材料都是絕緣材料,因摩擦產生的靜電荷積聚在表面不易消失,當靜電荷積聚達到一定程度時會對接地體產生放電現象,當放電能量達到一定程度時,就會引起瓦斯爆炸。日本對“非抗靜電塑料風筒的風速、粉塵含量與產生靜電的關系”的試驗研究表明,風筒內風速越大、含塵量越高,其風筒表面產生的靜電電壓和靜電能量越大。非抗靜電塑料風筒在不同風速和風流中不同含塵量所測得的風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。據文獻[3]報道,日本北海道地區的煤礦在曾經發生的8次爆炸事故中,推測由靜電放電引起的有4次,因在事故調查時找不出除靜電以外的點火原因。根據事故現場情況推測,可能是由于瓦斯突出時大量的粉塵飛揚混入風筒內與風筒表面摩擦產生靜電放電的原故。

　　靜電的產生與材料的導電性有關。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,我國煤礦用高分子聚合物制品標準全部都采用表面電阻試驗方法來評價抗靜電性能,與國外一樣,也未采用模擬高分子聚合物制品實際使用工況下的抗靜電性能。表面電阻與環境的相對濕度有關,據有關資料介紹,表面電阻與相對濕度呈指數函數關系。相對濕度大,表面電阻值低,反之則高。因此測試時必須保持一定的環境溫、濕度。標準規定測試的環境溫度為(25±5)℃,環境相對濕度為(65±5)%,易導致試驗室的測量結果與實際使用環境條件下的差距。另外,雖然因表面摩擦產生的靜電主要是通過物體表面傳導的,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、表面電荷密度評價方法相比,靜電電荷半衰期測試方法的可靠性更高,國外已作為工業標準。滿足靜電電荷半衰期測試標準,就能達到表面電阻的要求;反之,滿足表面電阻標準,不一定滿足靜電電荷半衰期標準。然而,從試驗的最終目的出發,最好能使實際使用工況下的抗靜電性能效果再現,與此類似的評價方法有GBΠT13813—2001《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗方法和判定規則》[4],該標準規定了模擬實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價方法。

　　因此,完善煤礦用高分子聚合物材料及其制品的標準體系,采用靜電電荷半衰期法評價高分子聚合物材料及其制品的抗靜電性能,并與在模擬實際使用工況下制品的抗靜電性能評價方法結合起來,可極大地促進煤礦用高分子聚合物制品抗靜電性能的提高。

　　4結論

　　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價方法的標準體系。

　　2)建議采用氧指數法和大、小規模著火試驗法評價高分子聚合物材料及其制品阻燃性能,促進阻燃性能的提高,降低燃燒的發煙性和毒性。

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