煤矿用聚合物制品安全性能评价方法的探讨

　　随着化工材料的发展,高分子聚合物以质量轻、耐腐蚀、强度高、易加工等优良的综合性能逐步“以塑代钢”,并被广泛应用于煤矿井下,如风筒、输送带、管材、塑料网假顶、仪器设备外壳或零部件等。但与此同时,高分子聚合物制品具有易燃烧、易产生静电积聚的特点,在煤矿井下使用,存在着引起瓦斯煤尘爆炸的不安全隐患。据不完全统计,北票、鸡西、西山、丰城、淮南都曾发生因聚合物制品燃烧或静电积聚引起矿井瓦斯爆炸和火灾,造成人员伤亡和国家财产的巨大损失。为此,根据煤矿井下使用高分子聚合物制品的安全要求及其燃烧和静电积聚的机理,制订相应的技术标准和评价方法,促进阻燃抗静电性能的不断提高,一直是国内外共同关注的重点。

　　1安全要求

　　高分子聚合物制品在煤矿井下有瓦斯煤尘爆炸危险性环境中使用时,除保证有良好的使用性能外,尤其应具有可靠的安全性能,即阻燃和抗静电性能,必须满足以下要求:

　　1)不因使用高分子聚合物制品而增加煤矿井下着火危险性。即使煤矿井下发生火灾,火焰也不得蔓延,避免火灾扩大化。

　　2)高分子聚合物制品因燃烧而产生的分解物的量不得危害人身健康;燃烧产生的烟尘或刺激性、腐蚀性、毒害性气体不得损害人的眼睛、皮肤,达到使人不能承受的刺激程度;燃烧气体成分不能影响自救器的正常工作,给救生和消防带来困难。

　　3)高分子聚合物制品表面不允许积聚能使可燃气体着火的静电电荷量。

　　2阻燃性能评价方法

　　高分子聚合物制品在燃烧时发热量大、火焰传播速度快,以及释放出大量的烟尘或刺激性、腐蚀性、毒害性气体,给井下救生和消防带来困难。因此,井下用高分子聚合物制品的阻燃以及低烟、低毒等问题,成为世界各国着力研究、制订阻燃法规及标准的课题。

　　在研究、开发井下用阻燃高聚物制品时,燃烧性试验是评价阻燃效果的极其重要的手段,通常步骤是:首先对高分子聚合物材料本身的阻燃性能进行试验并作出评价,以测定材料的物理和化学的燃烧特性为主,如分解温度、闪点、自燃点、燃烧热、临界氧指数、燃烧速度、燃烧时间、发烟性、产生的气体及其毒性等,然后,再对所选材料构成的制品进行试验和评价,以使用的安全性为目标。对用户而言,关注的是后者,人们希望这种试验最好能使实际火灾所发生的效果再现,所以,国内外井下用高分子聚合物制品的标准都是测定制品在模拟使用条件下的燃烧特性。

　　2.1小规模着火试验

　　该方法又称酒精喷灯燃烧试验,即在规定的火焰温度、火焰长度条件下,在一定时间内点燃试样,灯移走后记录试样上有焰和无焰燃烧时间,以火焰在试样上的延燃时间来评价阻燃性能。小规模着火试验因其方法简单并具有一定可靠性而被广泛采用。美国、英国、前西德、日本以及国际标准化组织(ISO)都制订了试验方法的标准。我国高分子聚合物制品标准中有关采用酒精喷灯燃烧试验评价阻燃性能的方法就是等效采用了英国NBC标准。

　　2.2氧指数法

　　氧指数法主要是针对高分子聚合物制品材料燃烧性能的试验方法。此法可以从测得的氧指数数值的大小来评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数至少应在27%以上。日本学者的试验研究[1],用同一种高分子聚合物制品试样做氧指数与小规模着火试验进行比对,结果表明,氧指数越大的试样其火焰的持续时间越短。2种试验方法有一定的相关性。虽然,试验结果不能用于评定材料在实际使用条件下着火的危险性,但完全可评定材料的起燃敏感性,对构成制品的材料的阻燃性进行量化。1970年,美国材料与试验协会制订了第1个有关氧指数测定方法的标准,即ASTMD2863—1970,由于该方法作为判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度非常有效,并可用来给材料的燃烧性分级,因此,得到世界各国的重视,许多主要工业国家、国际电工委员会和国际标准化组织都制订了相关的标准,我国目前已发布GBΠT2406—93《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》和GB10707—89《橡胶燃烧性能测定氧指数法》等国家标准。氧指数法可对材料的难燃性进行定量评价,可靠性较高、重现性较好,目前大多用于实验室研究阻燃配方设计。

　　2.3大规模着火试验

　　该方法又称巷道实际规模的燃烧试验,除要求高分子聚合物制品不易被点燃、着火后不延燃外,试验模拟如果周围环境起火,高分子聚合物制品还应具有不扩展或不助长外部火源的性能。如前西德标准规定,用于井下的塑料风筒必须在燃烧平硐内做实际规模的燃烧试验。试验方法是在长约25m,巷道断面为2.8m×2.4m的平硐内,将试验风筒(长度15m)吊挂在巷道一侧,在风速为700mΠmin的条件下承受220kg木支架的燃烧,以木支架燃烧时的火焰在试验风筒上不会自动蔓延为合格判定标准。我国仅在阻燃输送带标准中规定了与此类似的阻燃输送带巷道丙烷燃烧试验方法。

　　我国煤矿用高分子聚合物制品标准全部都采用了小规模着火试验,只有阻燃输送带还附加采用了大规模着火试验,全部都未采用氧指数法。在模拟使用条件下的燃烧特性试验,都是在有限的条件下对高分子聚合物制品的相对阻燃性进行评价,采用标准规定的试验方法所得到的燃烧性试验结果,只能用于说明供试验的制品在可控的实验条件下对热和火焰的反应特性,而井下产生火灾的因素错综复杂、空间狭小,仅对制品的试验不能完全用来说明或估计在实际火灾条件下的着火危险性、燃烧程度和毒害气体的危害程度。因此,完善煤矿用高分子聚合物材料及其制品的标准体系,采用氧指数法对制品的高分子聚合物材料本身的阻燃性能进行试验,再与制品在大、小规模着火试验模拟使用条件下的燃烧特性(判断制品是“自熄的”或“可燃的”,并测定“火焰的表面扩展”,以评定制品阻止火焰传播的能力)结合起来,并降低燃烧的发烟性和毒性,以显著提高煤矿用高分子聚合物制品的阻燃性能。

　　3抗静电性能评价方法

　　高分子聚合物制品在煤矿井下使用过程中受到机械摩擦、高速风流及风流中所含的粉尘与其表面发生摩擦而产生静电。由于高分子聚合物材料都是绝缘材料,因摩擦产生的静电荷积聚在表面不易消失,当静电荷积聚达到一定程度时会对接地体产生放电现象,当放电能量达到一定程度时,就会引起瓦斯爆炸。日本对“非抗静电塑料风筒的风速、粉尘含量与产生静电的关系”的试验研究表明,风筒内风速越大、含尘量越高,其风筒表面产生的静电电压和静电能量越大。非抗静电塑料风筒在不同风速和风流中不同含尘量所测得的风筒表面的静电电压和静电能量见表1[2]。

　　表1非抗静电塑料风筒在不同条件下抗静电性能比较

 

　　煤矿井下瓦斯爆炸界限的下限为5.00%CH₄,上限为16.00%CH₄,最低着火能量为0.28mJ。因此,高分子聚合物制品上的静电放电量很容易引起瓦斯爆炸。据文献[3]报道,日本北海道地区的煤矿在曾经发生的8次爆炸事故中,推测由静电放电引起的有4次,因在事故调查时找不出除静电以外的点火原因。根据事故现场情况推测,可能是由于瓦斯突出时大量的粉尘飞扬混入风筒内与风筒表面摩擦产生静电放电的原故。

　　静电的产生与材料的导电性有关。所谓抗静电材料是指表面电阻率在10⁵～10¹⁰Ω或体积电阻率在10⁸～10¹⁰Ω•cm或静电衰减半衰期小于2s的材料。目前,我国煤矿用高分子聚合物制品标准全部都采用表面电阻试验方法来评价抗静电性能,与国外一样,也未采用模拟高分子聚合物制品实际使用工况下的抗静电性能。表面电阻与环境的相对湿度有关,据有关资料介绍,表面电阻与相对湿度呈指数函数关系。相对湿度大,表面电阻值低,反之则高。因此测试时必须保持一定的环境温、湿度。标准规定测试的环境温度为(25±5)℃,环境相对湿度为(65±5)%,易导致试验室的测量结果与实际使用环境条件下的差距。另外,虽然因表面摩擦产生的静电主要是通过物体表面传导的,但静电电荷的衰减情况如何也未确定。与表面电阻、体积电阻、表面电荷密度评价方法相比,静电电荷半衰期测试方法的可靠性更高,国外已作为工业标准。满足静电电荷半衰期测试标准,就能达到表面电阻的要求;反之,满足表面电阻标准,不一定满足静电电荷半衰期标准。然而,从试验的最终目的出发,最好能使实际使用工况下的抗静电性能效果再现,与此类似的评价方法有GBΠT13813—2001《煤矿用金属材料摩擦火花安全性试验方法和判定规则》[4],该标准规定了模拟实际使用工况下煤矿用金属材料摩擦火花引起瓦斯爆炸可能性的评价方法。

　　因此,完善煤矿用高分子聚合物材料及其制品的标准体系,采用静电电荷半衰期法评价高分子聚合物材料及其制品的抗静电性能,并与在模拟实际使用工况下制品的抗静电性能评价方法结合起来,可极大地促进煤矿用高分子聚合物制品抗静电性能的提高。

　　4结论

　　1)从原材料和制品两方面,完善煤矿用高分子聚合物材料及其制品阻燃抗静电性能评价方法的标准体系。

　　2)建议采用氧指数法和大、小规模着火试验法评价高分子聚合物材料及其制品阻燃性能,促进阻燃性能的提高,降低燃烧的发烟性和毒性。

　　3)建议采用静电电荷半衰期法和模拟实际使用工况法评价高分子聚合物材料及其制品的抗静电性能,使其评价方法更趋科学。