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超高分子量聚乙烯耐磨制品的生產(chǎn)及應(yīng)用
信息來(lái)自:超高分子量聚乙烯www.yiesion.cn 發(fā)布日期：2013-6-27 瀏覽次數(shù)：106
導(dǎo)讀： 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）發(fā)展始于二十世紀(jì)六十年代，它的分子結(jié)構(gòu)和普通聚乙烯（PE）完全相同，其分子量一般在1×106以上,比普通PE高2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它具有普通PE所沒有的性能，比如耐磨性是鋼鐵的8~9倍，耐沖擊性是聚碳酸酯（PC）的2倍、（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）的5倍、聚甲醛（POM）的15倍；
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）發(fā)展始于二十世紀(jì)六十年代，它的分子結(jié)構(gòu)和普通聚乙烯（PE）完全相同，其分子量一般在1×106以上,比普通PE高2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它具有普通PE所沒有的性能，比如耐磨性是鋼鐵的8~9倍，耐沖擊性是聚碳酸酯（PC）的2倍、（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）的5倍、聚甲醛（POM）的15倍；耐化學(xué)藥品性和消音性優(yōu)良，摩擦系數(shù)小等優(yōu)良特性�？捎糜谝苯�、礦山、煤炭、石油、天然氣、化工、電力、紡織、造紙、海湖鹽化工、排水等行業(yè)[1]，用于固體顆粒、粉狀物料、漿體、固液混合物和氣體等介質(zhì)的輸送，解決管道輸送系統(tǒng)中的難題。1、超高分子量聚乙烯的特性。
1.1極強(qiáng)的耐磨性UHMWPE制品的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu),使它具有極高的抗滑動(dòng)摩擦能力。耐磨性高于一般的金屬和塑料制品,約為碳鋼的6. 6倍、不銹鋼的5.5倍、黃銅的27. 3倍、酚醛樹脂的17. 9倍、尼龍六六的6倍、聚四氟乙烯的5倍。高耐磨性大幅度提高了材料的使用壽命。
1.2極高的耐沖擊性UHMWPE的抗沖擊性和吸收沖擊能居塑料之首，約為聚碳酸酯的2倍, ABS的5倍,聚甲醛和PBT的10余倍。無(wú)論外力強(qiáng)沖擊,還是內(nèi)壓力波動(dòng),都難以使其開裂。特別是在低溫環(huán)境下,其耐沖擊強(qiáng)度反而達(dá)到最高值。許多材料在嚴(yán)重或反復(fù)爆炸的沖擊中會(huì)裂紋、破損、破碎或表面應(yīng)力疲勞,該品按照GB1843標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行懸臂梁沖擊試驗(yàn)達(dá)到無(wú)破壞。值得指出的是,它在液氮溫度( - 296℃)下也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度。其沖擊強(qiáng)度起先隨分子量的增大而提高,在分子量為250萬(wàn)左右達(dá)到最大值,其后隨分子量的升高而逐漸下降。
1.3優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能摩擦系數(shù)小摩擦系數(shù)為0．07-0.11僅為鋼板的1／3當(dāng)它以滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)形式工作時(shí)，比鋼和黃銅添加潤(rùn)滑油后的潤(rùn)滑性還要好。在水潤(rùn)滑條件下其動(dòng)摩擦系數(shù)比尼龍66和聚甲醛低50％。在無(wú)潤(rùn)滑條件下僅次于塑料中自潤(rùn)滑性最好的聚四氟乙烯。這種超級(jí)優(yōu)異的摩擦系數(shù)在給超高分子量聚乙烯板材生產(chǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域取得了非常大的優(yōu)勢(shì)！在摩擦學(xué)領(lǐng)域被評(píng)價(jià)為“成本／性能非常理想”的摩擦材料。其表面自由能很低，即表面吸附力非常微弱，因而抗黏附能力很高，僅次于塑料中不黏性最好的聚四氟乙烯，因此，制品表面不會(huì)黏附異物，超高分子量聚乙烯板材可用于防止物料黏、掛壁之設(shè)備部件，包括防黏結(jié)料倉(cāng)、選廠溜槽等。
1.4優(yōu)良的憎水性UHMWPE的吸水性極低，一般低于0．01％ ，幾乎是不吸水的，在水中不膨脹，吸水率僅為尼龍66的1％，是工程塑料中吸水率最小的一種，所以在成型加工前不必進(jìn)行干燥處理。
1.5高拉伸強(qiáng)度由于UHMWPE具有超拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征,所以有無(wú)可匹敵的超高拉伸強(qiáng)度,因此可通過(guò)凝膠紡絲法制得超高彈性模量和強(qiáng)度的纖維,其拉伸強(qiáng)度高達(dá)3～315 GPa,拉伸彈性模量高達(dá)100～125 GPa；纖維比強(qiáng)度是迄今已商品化的所有纖維中最高的,比碳纖維大4倍,比鋼絲大10倍,比芳綸纖維大50%。1.6耐低溫性能超高分子量聚乙烯具有非常優(yōu)良的耐低溫性能,是所有塑料中最佳的,其耐沖擊性、耐磨性在零下269℃時(shí)基本不變,是目前唯一可以在接近絕對(duì)零度的溫度下工作的一種工程塑料。即使在液氮溫度( -296℃)下仍具有延展性,因而可用于低溫部件和管道以及核工業(yè)的耐低溫部件。1.7耐化學(xué)藥品性能超高分子量聚乙烯具有優(yōu)良耐化學(xué)藥品性能。除對(duì)某些強(qiáng)酸在高溫下有輕微腐蝕外,在其它的堿液、酸液中不受腐蝕。在溫度小于80℃的濃鹽酸、濃度小于75 %的硫酸、濃度小于20 %的硝酸中性能相當(dāng)穩(wěn)定,施工中不需要涂刷防腐涂料。除萘溶劑之外,它幾乎不溶于任何有機(jī)溶劑。這是由于超高分子量聚乙烯分子結(jié)構(gòu)上沒有雙鍵和支鏈及結(jié)晶度高,才具有的優(yōu)異性能。1.8表面非附著性UHMWPE制品由于摩擦系數(shù)小和無(wú)極性,因此具有很好的表面非附著性�，F(xiàn)有的材料一般在pH值9以上的介質(zhì)中均會(huì)結(jié)垢,UHMW2PE制品則不結(jié)垢,這一特性對(duì)火電站用于排粉煤灰系統(tǒng)有重大意義。在原油、泥漿等輸送管道方面也非常適用。 表1不同材料的摩擦系數(shù)比較
材料摩擦系數(shù)UHMW-PEABSPA66PCPTFE0.07-0.110.380.370.360.04-0.1
注：測(cè)試方式按ASTMD1894進(jìn)行1.9密度小超高分子量聚乙烯的密度比其它所有工程塑料都低,因此其制品非常輕便.超高分子量聚乙烯的密度為0.94 g/cm3左右,比聚四氟乙烯輕56%,比聚甲苯、PBT輕30%。隨著分子量的增加它的密度會(huì)逐漸減小，其原因是當(dāng)分子量增大時(shí)分子鏈拉長(zhǎng)，而較長(zhǎng)的分子鏈會(huì)妨礙結(jié)晶結(jié)果在長(zhǎng)鏈聚合物中存在著很大的無(wú)定形區(qū)，因而使密度下降。UHMWPE的密度在工程塑料中最小。因此其制品非常輕便，安裝也容易、迅速，即時(shí)安裝的工作效率高。
材料摩擦系數(shù)UHMW-PEABSPA66PCPTFE0.07-0.110.380.370.360.04-0.1
注：測(cè)試方式按ASTMD1894進(jìn)行1.9密度小超高分子量聚乙烯的密度比其它所有工程塑料都低,因此其制品非常輕便.超高分子量聚乙烯的密度為0.94 g/cm3左右,比聚四氟乙烯輕56%,比聚甲苯、PBT輕30%。隨著分子量的增加它的密度會(huì)逐漸減小，其原因是當(dāng)分子量增大時(shí)分子鏈拉長(zhǎng)，而較長(zhǎng)的分子鏈會(huì)妨礙結(jié)晶結(jié)果在長(zhǎng)鏈聚合物中存在著很大的無(wú)定形區(qū)，因而使密度下降。UHMWPE的密度在工程塑料中最小。因此其制品非常輕便，安裝也容易、迅速，即時(shí)安裝的工作效率高。
1.10衛(wèi)生無(wú)毒性UHMWPE制品是少數(shù)幾種對(duì)生物完全無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)嗅的塑料制品,符合國(guó)家安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。直接用于食品機(jī)械、醫(yī)藥行業(yè)可替代昂貴的不銹鋼管輸送物料,特別適用于制作人工關(guān)節(jié)、骨骼等。1.11沖擊能吸收性為最高值，消音性好。UHMWPE在壓力作用下極易形成剪切帶，能吸收大量的沖擊能。在-196℃下仍能保持一定的韌性。
1.12其他性能對(duì)中子具有屏蔽能力,可著色，耐γ射線能力等突出特點(diǎn)。還具有優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂、抵抗快速開裂能力、耐疲勞性、耐高溫蠕變性等,使其在各行業(yè)有廣泛地應(yīng)用需求。
2、超高分子量聚乙烯在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用
2.1煤炭行業(yè)
2.1.1選煤廠：我國(guó)現(xiàn)有洗選能力80萬(wàn)噸/年以上的選煤廠800余家，經(jīng)詳細(xì)調(diào)查（國(guó)家煤炭總局煤炭綜合利用處提供的數(shù)據(jù)），每個(gè)選煤廠在用的輸送管道約4000米，目前大部分選煤廠采用鋼管輸送，由于輸送介質(zhì)對(duì)管道磨損腐蝕比較嚴(yán)重，鋼管的平均壽命僅為3—5年，重介質(zhì)選煤所用鋼管的使用壽命僅為三個(gè)月。由于超高管材具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，可以替代在用鋼管，在選煤廠有著廣闊的應(yīng)用前景。2.1.2水煤漿工程：水煤漿是我國(guó)“十五”能源發(fā)展的分支，據(jù)國(guó)家水煤漿能源技術(shù)中心提供的技術(shù)資料表明：我國(guó)五年內(nèi)在建和將建的水煤漿管道約為2000公里，管道直徑為Ф219-426mm，輸送壓力1-3Mpa。國(guó)外的使用經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)證明：超高分子量聚乙烯管材是性能價(jià)格比最高的管道。、2.2電力行業(yè)2.2.1電廠回水管道:從電力部了解的數(shù)據(jù)表明，我國(guó)現(xiàn)有80萬(wàn)KW以上的大型電廠400余座，小型電廠約800座。以大型電廠計(jì)，每座電廠回水管道長(zhǎng)約6000米，回水管道的更換周期平均為8年，由于現(xiàn)用鋼管回水管道嚴(yán)重結(jié)垢，每座電廠每年管道酸洗費(fèi)用約為500萬(wàn)元，超高管材可以從根本上解決結(jié)構(gòu)問題，在電廠回水管道領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
2.2.2電廠排灰管道:據(jù)電力部的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明：大型熱電廠的排灰管道長(zhǎng)約20Km，輸送壓力1-3Mpa，管道直徑為Ф219-480mm，平均更換周期為10年，每年的酸洗費(fèi)用約600萬(wàn)元。超高管道可以從根本上解決結(jié)構(gòu)問題，在電廠排灰管道領(lǐng)域有著廣闊的前景。
2.3金屬與非金屬礦山行業(yè)據(jù)有關(guān)資料表明：我國(guó)每年產(chǎn)出的尾礦達(dá)26.5億噸，礦山尾礦輸送管道平均長(zhǎng)為3000米，輸送壓力1-3Mpa。管道直徑為Ф159-273mm。全國(guó)大約有大中型礦山800余家，尾礦輸送管道平均更換周期為10年，由于超高管材具有良好的耐磨性可以解決尾礦輸送中管道磨損快的難題，因此在尾礦輸送領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
2.4UHMWPE的其它應(yīng)用
2.4.1超高分子量聚乙烯復(fù)合管材萊鋼集團(tuán)山東東方管業(yè)有限公司研制的超高分子量聚乙烯鋼∕塑復(fù)合管材，這種復(fù)合管材主要利用UHMWPE管材耐磨性、耐沖擊性、自潤(rùn)滑性、不粘性等優(yōu)異的材料性能和鋼管強(qiáng)度高、硬度大、耐沖擊，膨脹系數(shù)小、能抗拒紫外線的輻射、能隔氧等優(yōu)異性能，使之取長(zhǎng)補(bǔ)短，是一種更為理想的管材。將超高分子量聚乙烯內(nèi)襯于鋼管內(nèi)壁，從而使鋼塑復(fù)合管不僅具有了高強(qiáng)度，同時(shí)大幅度地提高了內(nèi)壁的任性，使其具有了彈性體特性，當(dāng)固體和液體介質(zhì)沖擊復(fù)合層時(shí)，復(fù)合層只存在暫時(shí)的收縮，磨損極小。當(dāng)外力消失后，復(fù)合層又恢復(fù)了原狀，這種“以柔克剛”的特性大大減輕了介質(zhì)對(duì)管壁的強(qiáng)烈沖刷，減少了介質(zhì)對(duì)管道內(nèi)壁的直接磨損，因而該產(chǎn)品在電力、煤炭、冶金化工、礦山等行業(yè)的固體輸送中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
2.4.2UHMWPE在醫(yī)用材料中的應(yīng)用UHMWPE具有優(yōu)異的耐磨性、抗沖擊性、良好的生物相容性及優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，這種不可降解的生物材料作為完全關(guān)節(jié)替代物的應(yīng)用已經(jīng)有十年以上的歷史。研究重點(diǎn)集中在探索超高分子量聚乙烯在醫(yī)用環(huán)境中的磨損機(jī)理，及如何提高其耐磨損性，以期減少磨損帶來(lái)的溶骨作用和關(guān)節(jié)松脫。UHMWPE在膝關(guān)節(jié)中主要作為襯墊材料；在股關(guān)節(jié)中主要作為髖臼部件。此外，在組織支架、輸血泵、包裝袋等方面也有應(yīng)用。UHMWPE應(yīng)用于組織支架材料，目前已經(jīng)開發(fā)成為神經(jīng)、顱骨及人耳的支架材料。UHMWPE多孔材料已經(jīng)成為人工骨組織工程支架及基因生長(zhǎng)載體的重要材料。
2.4.3UHMWPE體育用品UHMWPE的低摩擦系數(shù)相當(dāng)于冰與冰之間的摩擦，是輪滑運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、摩托快艇底板、滑雪板的理想隨著UHMWPE加工技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是管材、板材、纖維、薄膜加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，作為一種新型工程熱塑性塑料，UHMWPE的應(yīng)用有著無(wú)限美好的前景。超高分子量聚乙烯制品系列及工程應(yīng)用實(shí)例萊鋼集團(tuán)山東東方管業(yè)有限公司于20世紀(jì)90年代開始研制生產(chǎn)超高分子量聚乙烯制品，在國(guó)內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)了單螺桿擠出成型超高分子量聚乙烯管材，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，工藝更加完善，生產(chǎn)規(guī)模和能力不斷提高，現(xiàn)在擁有各種規(guī)格的超高分子量聚乙烯管材、板材、復(fù)合管材、異形件等系列產(chǎn)品百余種規(guī)格，與國(guó)內(nèi)400多家廠礦企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系。
3.1UHMWPE復(fù)合管材在淄博華聯(lián)礦業(yè)的應(yīng)用淄博華聯(lián)礦業(yè)有限公司是一座以鐵礦石開采和生產(chǎn)鐵精粉為主的大型冶金礦山企業(yè)，現(xiàn)有職工1100多人，年采剝總量為300萬(wàn)t，年產(chǎn)鐵精粉40萬(wàn)t，礦石性質(zhì)復(fù)雜，尾礦輸送濃度大約為15%-20%，垂直高度80米左右。該公司原尾礦輸送工藝落后，設(shè)備陳舊，管道用量大，磨損嚴(yán)重，維修成本高，能耗高，維護(hù)麻煩。針對(duì)這一實(shí)際情況，對(duì)選礦廠尾礦系統(tǒng)進(jìn)行了改造。選用了萊鋼集團(tuán)山東東方管業(yè)公司生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯復(fù)合管道，利用了該管的耐磨性、自潤(rùn)滑性、優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性、承壓能力高等特性。其中Ф273×6復(fù)合管2條，長(zhǎng)370米，Ф325×6復(fù)合管3條，長(zhǎng)370米。采用的水泵型號(hào)為200D43×3，設(shè)計(jì)揚(yáng)程129米，輸送礦漿量為280立方米/小時(shí)，使用一座160KW的電機(jī)，全年流量4677120立方米，使用后，成功解決了尾礦輸送過(guò)程中磨損、腐蝕、堵礦等問題。提高了尾礦輸送效率，降低了電耗，降低了維修成本，充分體現(xiàn)了超高分子量聚乙烯復(fù)合管節(jié)能、環(huán)保、高效的優(yōu)越性。3.2UHMWPE管材在河南省欒川縣三強(qiáng)鉬鎢有限公司的應(yīng)用河南省欒川縣三強(qiáng)鉬鎢有限公司3300t/日選礦廠，經(jīng)考察論證，選用萊鋼集團(tuán)山東東方管業(yè)公司生產(chǎn)的Ф219mm超高分子量聚乙烯復(fù)合管線2600m。配套排沙泵選用沈陽(yáng)市三環(huán)漿體研究所LSG280-25型水隔離礦砂泵三臺(tái)，每小時(shí)排沙量280立方米，管線工作壓力4Mpa，輸送漿體揚(yáng)程121m。水隔離礦砂泵配套水泵型號(hào)MD280-43×4,揚(yáng)程172m。此工程所用超高分子量聚乙烯復(fù)合管材總投資60萬(wàn)元。如果采用普通鋼管按現(xiàn)在價(jià)格計(jì)算總投資40萬(wàn)元。超高分子量聚乙烯復(fù)合管道使用壽命按20年計(jì)算，普通鋼管需要更換5次，不考慮時(shí)間因素采用靜態(tài)投資計(jì)算，總投資164萬(wàn)元。比較2中管線，采用超過(guò)分子量聚乙烯產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為104萬(wàn)元。3.3UHMWPE管材在萊鋼集團(tuán)魯南礦業(yè)的應(yīng)用
魯南礦業(yè)選礦主廠房的尾礦經(jīng)濃縮池濃縮后由1#泵站輸送至2#泵站,輸送至2#泵站的尾礦先進(jìn)入多梯度磁選機(jī)分選出中礦后,剩余部分自流至改建的泵站。經(jīng)水隔離礦漿泵和超高分子量聚乙烯復(fù)合管道一次輸送至尾礦壩�？紤]到改造后輸送壓力較大(1.75 MPa),輸送距離較長(zhǎng),管路壓力損失較大,經(jīng)比較后管道采用超高分子量聚乙烯管為內(nèi)襯管的鋼塑復(fù)合管(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合管),該管道具有磨擦阻力小、耐磨損、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。
魯南礦業(yè)選礦主廠房的尾礦經(jīng)濃縮池濃縮后由1#泵站輸送至2#泵站,輸送至2#泵站的尾礦先進(jìn)入多梯度磁選機(jī)分選出中礦后,剩余部分自流至改建的泵站。經(jīng)水隔離礦漿泵和超高分子量聚乙烯復(fù)合管道一次輸送至尾礦壩�？紤]到改造后輸送壓力較大(1.75 MPa),輸送距離較長(zhǎng),管路壓力損失較大,經(jīng)比較后管道采用超高分子量聚乙烯管為內(nèi)襯管的鋼塑復(fù)合管(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合管),該管道具有磨擦阻力小、耐磨損、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。
具體方案如下:(1)保留1#泵站(因選中礦需要)的全部設(shè)備。利用舊廠房改建1座泵站,采用2組水隔離礦漿泵,1臺(tái)工作,1臺(tái)備用,1次將尾礦輸送至尾礦壩。(2)新泵站的尾礦管道由原來(lái)273mm的鑄鐵管3條改為2條377 mm復(fù)合管,與2組水隔離礦漿泵形成兩個(gè)獨(dú)立的尾礦輸送系統(tǒng),1條工作,條備用。尾礦濃度20%,尾礦密度2.95 t/m3,輸送干礦量91t/h,輸送礦漿量360·6 m3/h,輸送距離3km,垂直輸送高度78 m。經(jīng)計(jì)算后設(shè)計(jì)輸送揚(yáng)程150m,選用350 kW清水泵作動(dòng)力源。采用超過(guò)分子量聚乙烯復(fù)合管材后，根據(jù)實(shí)際使用情況，經(jīng)濟(jì)效益分析如下：(1)節(jié)電。原有尾礦系統(tǒng)所需泵站總裝機(jī)功率為815.1 kW,運(yùn)行開動(dòng)功率為652·5 kW;改造后采用2臺(tái)水隔離礦漿泵,裝機(jī)功率為621kW,運(yùn)行功率為307.5 kW。電費(fèi)按0·5元/度計(jì),節(jié)電為[0.5×(652.5-307.5)×330×24×0·8]/10 000=109.3萬(wàn)元。(2)節(jié)人工。去掉多余泵站后,節(jié)省操作工人12個(gè),每人每年按1·8萬(wàn)元計(jì),節(jié)省人工費(fèi)21.6萬(wàn)元。使用超過(guò)分子量聚乙烯復(fù)合管道比使用鑄石管材產(chǎn)生效益為130.9萬(wàn)元。結(jié)論：多年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐以及工程應(yīng)用證明，超高分子量聚乙烯是一種具有優(yōu)異性能的高分子材料，隨著對(duì)該材料的不斷研究和探索，超高分子量聚乙烯具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
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