超高分子量聚乙烯及其在洗煤行業(yè)中的應(yīng)用
摘要 本文介紹了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的定義，主要特性，測定方法及測試標(biāo)準(zhǔn)，提出了柔性耐磨機(jī)理的概念并對其進(jìn)行了形象、詳細(xì)的描述，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在洗煤行業(yè)的應(yīng)用需求做出了肯定，對超高分子量聚乙烯的改性及耐磨特性的影響機(jī)理做了形象的描述，同時對江蘇中江聚合物有限公司在超高分子量聚乙烯產(chǎn)品研制開發(fā)作簡略的介紹。
關(guān)鍵詞 超高分子量聚乙烯 磨損 耐磨 柔性耐磨 剛性耐磨 洗煤 改性 擠出
一、簡述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種性能獨(dú)特的高分子材料。它的獨(dú)特性能尤其以抗磨損性居于以柔性抗磨機(jī)理為主（柔性抗磨機(jī)理將在下文中詳述）的有機(jī)抗磨材料之冠。
洗煤行業(yè)是一個處處有磨損、時時有磨損的環(huán)境，整個洗煤系統(tǒng)就完全處在一個與磨損要效益的環(huán)境之中。無論是跳汰還是重介，磨損與腐蝕都是影響整個系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要矛盾。因此，設(shè)備及零件選用抗磨損、耐腐蝕材料制作就成為本行業(yè)一個永恒的課題。
二、關(guān)于超高分子量聚乙烯
1. 什么叫做超高分子量聚乙烯
簡言之，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）就是分子量比普通聚乙烯的分子量高10倍以上的聚乙烯。科學(xué)地講，在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO-11542第一節(jié)中，將測試條件為溫度：190℃、壓力：21.6 kg/cm2時所得熔融指數(shù)（MFR）小于0.1 g/10 min的聚乙烯被歸類為超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。
2. 超高分子量聚乙烯分子量的測定方法及測試標(biāo)準(zhǔn)
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的基本化學(xué)單位是—CH2—。因此，一個具有4×106分子量的高分子量聚合物的長分子鏈就含有285×103個碳原子。然而，由于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的超長分子鏈，使它不溶于絕大多數(shù)的溶劑。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的不溶性，使得尺寸排阻色譜法（SEC）不能應(yīng)用來測定它的分子量。再者，由于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的熔粘性，也不能用熔流指數(shù)測量超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的分子量?，F(xiàn)在，對超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的分子量特性的測量主要有兩個不同方法取得，即稀薄溶液粘度測量法和拉伸應(yīng)力測量法；并有三種不同的測試標(biāo)準(zhǔn)廣為世界各地所接受并采用。上述兩種方法、三種不同的計算標(biāo)準(zhǔn)及測定結(jié)果見下表。

不同計算標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果

3. 超高分子量聚乙烯的特性
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于其熔融粘度極高，即使加熱到它的晶態(tài)熔融點(diǎn)時它也不呈液態(tài)，而這種不流動性是由于其超長的單分子鏈的高度纏結(jié)。通俗的講就像一堆麻繩，低分子量聚乙烯如聚乙烯臘等就像一萬根一米長的麻繩堆纏在一起，很容易分開；普通聚乙烯產(chǎn)品就如同一千根十米長的麻繩堆纏在一起，不太容易分開，但下點(diǎn)小功夫還是能夠?qū)⑺鼈兎珠_的；而超高分子量聚乙烯（UHMWPE）就像一百根一百米長的麻繩堆纏在一起，即使下很大功夫也很難將它們分開。正因為如此，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）就具有了許多超常的特性。它包括：
① 杰出的抗磨損性（屬于柔性抗磨，下文中將詳述）；
② 極高的抗沖擊強(qiáng)度、抗斷裂性；
③ 極優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性及低粘著性；
④ 極強(qiáng)的超低溫特性；
⑤ 極低的摩擦系數(shù)；
⑥ 優(yōu)良的自潤滑性；
⑦ 不吸水；
⑧ 沖擊能量的高吸收率及吸音降噪特性；
以上特性中，現(xiàn)在在實(shí)際使用中利用最多的是它杰出的抗磨損特性和高抗沖特性。在洗煤行業(yè)中最受重視的是前者——它的超?？鼓p特性。
三、洗煤與磨損
無論是跳汰還是重介洗煤，都是利用煤及其中所含雜質(zhì)的比重不同使雜質(zhì)從煤中分離出來，以提高制成品的質(zhì)量。在洗煤的整個過程中，無論是原煤準(zhǔn)備與輸送介質(zhì)的準(zhǔn)備及輸送、洗選、分離等等各個環(huán)節(jié)，都存在著大量的、長期的對設(shè)備、零部件的磨損問題，而且這個磨損問題是洗煤企業(yè)的一個永恒的有待解決的問題。
四、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）與抗磨損
如前述，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有極高的抗磨損特性，它的抗磨損是一種特殊的抗磨損，其耐磨機(jī)理暫且稱之為柔性耐磨機(jī)理。
耐磨材料按照耐磨機(jī)理來分可分為兩大類，剛性耐磨和柔性耐磨。前者是我們以往比較熟悉的，如鐵比木頭耐磨它是利用材料的剛性，準(zhǔn)確地講是利用它的硬度。我們知道判斷一個物體是否比另一個硬，可以看看哪一個物體在另一個物體表面能夠劃出痕跡，被劃出痕跡的物體就比較軟。一般來講，軟的物體耐磨性要比硬的物體的耐磨性要差，這一點(diǎn)我們比較容易理解。這也就是像刀子削蘋果皮一樣，硬的物體表面的許多可以看出的和一些微觀的尖銳鋒利的小刀將軟的物體表面連割帶劃地剝離掉了，簡單地被稱為磨掉了，又把這種磨損形象地稱之為切削磨損。
所謂超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的耐磨指的是其柔性耐磨。現(xiàn)在通用的說法叫做水砂耐磨，是從檢測方法而得名的，具體方法為：
將被測件與極細(xì)的砂粒放在水中，通過攪拌、旋轉(zhuǎn)等方法讓被測件與砂粒充分地動態(tài)接觸，互相碰撞、摩擦，經(jīng)過一定時間后將被測件取出，稱量被測件的質(zhì)量損失量，并求出損失量與被測件原質(zhì)量的比，來對比被測件的耐磨程度。
物體的柔性耐磨不是依仗它的硬度，而是靠它內(nèi)在的柔韌性。準(zhǔn)確地說應(yīng)該是其韌性。而且柔性耐磨又是一種特殊狀況下的耐磨，它不像剛性耐磨材料那樣在大多數(shù)情況下都耐磨：一個簡單的試驗大家都可以做。用一個超高分子量聚乙烯（UHMWPE）板與一個表面很粗糙的鋼板對磨，結(jié)果很明顯超高分子量聚乙烯（UHMWPE）板被磨掉了，鋼塊看來毫發(fā)無傷。這就使我們得出的一個結(jié)論，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）經(jīng)不住切削磨損的破壞，它的耐磨僅僅是一種柔性耐磨。
那么，柔性耐磨又是一種什么樣的機(jī)理呢？前邊講到了，柔性耐磨是靠物體的韌性?；氐綑z測實(shí)驗環(huán)境中，被測件在與沙粒的互相碰撞、摩擦?xí)r，由于沙粒比被測件的表面硬度高，會在被測件表面劃出許許多多的劃痕。這些劃痕，一部分是被測件凹進(jìn)去所得（如銅等一些軟金屬的耐磨主要依靠這種方式）；另一部分是被測件被割去一小塊所得。剛性被測件（表面硬度低于沙粒）是被割去形成劃痕的部分多；而柔性被測件則是凹進(jìn)去的部分多。像超高分子量聚乙烯（UHMWPE）這種分子鏈極長的柔性件即使被割，也沒有被割掉，而僅被割出許多小條，這些小條與被測件連在一起，在被側(cè)件表面微觀形成許多絨毛狀的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）條。這樣，沙粒再與被測件互相碰撞、摩擦?xí)r先碰到這些絨毛而很少再與被測件的本體發(fā)生碰撞、摩擦，只有在絨毛被在割掉之后才能與被測件本體再發(fā)生碰撞、摩擦。而像超高分子量聚乙烯（UHMWPE）這種分子鏈極長的物體由于分子間的無序纏結(jié)非常之多，使得其產(chǎn)生出的小絨毛很難被切斷，也就更有效地阻止了沙粒于本體的重新碰撞、摩擦，結(jié)果就使得它在這種情況下非常地耐磨。
五、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的改性與抗磨損
雖然UHMWPE具有許多有兩特性，但也有許多不足，如其熔融指數(shù)（接近于零）極低，熔點(diǎn)高（190-210℃），粘度大、流動性差而極難加工成型，另外與其它工程塑料相比，具有表面硬度低和熱變形溫度低、彎曲強(qiáng)度和蠕變性能較差、抗磨粒磨損能力差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，影響了其使用效果和應(yīng)用范圍。這些缺點(diǎn)是由于UHMWPE的分子結(jié)構(gòu)和分子聚集形態(tài)造成的，為了克服UHMWPE的這些缺陷、彌補(bǔ)這些不足、使其能夠在條件要求較高的某些場所得到應(yīng)用；需要對其進(jìn)行改性。
常用的改性方法有共混改性、填料共混復(fù)合改性、聚合物填充改性及交聯(lián)改性。改性的目的是在不影響主要性能的基礎(chǔ)上提高其熔體流動性，或針對UHMWPE自身性能的缺陷進(jìn)行復(fù)合改性，如改進(jìn)熔體流動性、耐熱性、抗靜電性、導(dǎo)電性、阻燃性、提高強(qiáng)度、提高耐磨性、提高耐溫性、增加流動性、降低或增大摩擦系數(shù)及表面硬度等。國內(nèi)外研究人員在這些方面進(jìn)行了大量的研究工作。
共混改性是改善UHMWPE的熔體流動性最有效、最簡便和最實(shí)用的途徑。對UHMWPE進(jìn)入共混改性通常是添加一種或幾種能使UHMWPE相互纏結(jié)的分子鏈部分解開的物質(zhì)，從而降低其熔體粘度，改善加工性能。常用的物質(zhì)有HDPE、LDPE、聚乙烯蠟、PP、PA、聚酯、橡膠等聚合物、固體石蠟或石油提取物、硬脂酸鹽或酯等。
填料共混復(fù)合改性是采用填料對UHMWPE進(jìn)行填料共混復(fù)合，改性的目的是改善UHMWPE的蠕變性、彎曲強(qiáng)度、剛度、硬度、熱撓曲、熱變形溫度和尺寸穩(wěn)定性等。一般情況下，在UHMWPE中填料的最大填充量不得超過30%，經(jīng)偶聯(lián)劑處理的填料填充量可達(dá)50%-75%，其改善程度取決于填料的性質(zhì)，并和填充量、填料的形態(tài)、粒度及其分布以及聚合物的分子量有關(guān)。采用玻璃微珠、玻璃纖維、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二鋁、炭黑等對UHMWPE進(jìn)行填充改性，可使表面硬度、剛度、蠕變性、彎曲強(qiáng)度、耐溫性得以較好的改善。用偶聯(lián)劑處理后，效果更加明顯。
聚合填充改性是一種新型的改性方法，把填料進(jìn)行處理，使其粒子表面形成活性中心，在聚合過程中讓單體在填料粒子表面聚合，形成緊密包裹粒子的樹脂，最后得到具有獨(dú)特性能的復(fù)合材料。該方法克服了傳統(tǒng)機(jī)械共混方法制造UHMWPE復(fù)合材料的困難，特別適合制備UHMWPE復(fù)合材料，與填料共混材料相比，由聚合填充工藝制備的UHMWPE復(fù)合材料中，填料粒子分散良好，且粒子與聚合物基體的界面結(jié)合也較好。這就使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、抗擊強(qiáng)度與UHMWPE相差不大，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于共混型材料，由其是在高填充情況下，對比更加明顯，復(fù)合材料的硬度、彎曲強(qiáng)度，尤其是彎曲強(qiáng)度比純UHMWPE提高許多，但其制備成本比填料共混復(fù)合改性大大提高。
交聯(lián)改性是為了改善UHMWPE形態(tài)的穩(wěn)定性、蠕變性能及環(huán)境應(yīng)力開裂性，通過交聯(lián)使UHMWPE得潔凈度下降，而重新體現(xiàn)其韌性。交聯(lián)分為輻射交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和偶聯(lián)劑交聯(lián)。輻射交聯(lián)就是在用電子射線線或γ射線直接對UHMWPE制品進(jìn)行照射，使分子結(jié)構(gòu)的一部分主鏈或側(cè)鏈被切斷，從而產(chǎn)生一定數(shù)量的游離基，這些游離基彼此結(jié)合發(fā)生交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。輻射交聯(lián)可改善UHMWPE的蠕變性、浸油性和硬度等。化學(xué)交聯(lián)是在UHMWPE中加入適量的過氧化物，在熔融過程中分子發(fā)生交聯(lián)，如分子量為2×106的UHMW-PE加入適量的交聯(lián)劑后，其耐磨性相當(dāng)于分子量為2×106的UHMWPE。化學(xué)交聯(lián)也是改善UHMW-PE耐熱性的主要途徑，只是交聯(lián)劑的用量要適量，否則會因交聯(lián)點(diǎn)過密，兩交聯(lián)點(diǎn)間的網(wǎng)鏈較短，易造成應(yīng)力集中，材料收到?jīng)_擊時易斷裂。偶聯(lián)劑交聯(lián)常采用乙烯基硅氧烷和丙烯基硅氧烷作偶聯(lián)劑，在過氧化物作引發(fā)劑，有機(jī)錫衍生物做催化劑下進(jìn)行硅烷交聯(lián)。如采用過氧化二異丙苯作UHMWPE的改性劑，當(dāng)用量小于1%時，可使UHMWPE沖擊強(qiáng)度提高15%-2%。
目前超高分子量聚乙烯的改選哪個應(yīng)用主要集中在共混改性和填料共混復(fù)合改性方面，對于聚合填充改性和交聯(lián)改性依然有待進(jìn)一步研究。
六、江蘇中江與超高分子量聚乙烯（UHMWPE）
自1992年開始，公司率先開展了超高分子量聚乙烯的螺桿擠出成型加工技術(shù)的研究和開發(fā)，在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）及其相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行了多年的研究和探索，并在超高分子量的單螺桿擠出工藝和雙螺桿擠出工藝的研究和超高分子量聚乙烯管材板材棒材及其應(yīng)用領(lǐng)域研究方面取得了多項成果，積累了豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗，在國內(nèi)工程塑料行業(yè)享有較高聲譽(yù)，其對超高分子量聚乙烯材料的研究與開發(fā)，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。本公司的生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)過多次的技術(shù)攻關(guān)，先后改造完成了超高分子量聚乙烯管材、板材及棒材生產(chǎn)線，同時采用先進(jìn)的擠出工藝，成功的開發(fā)了超高分子量聚乙烯管材、板材、棒材，且均已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，成功用于沖灰系統(tǒng)防垢管道、固液混合體輸送耐磨管道、原煤倉襯板、煤礦井下溜媒板、皮帶機(jī)托輥、列車渡板及多種耐磨異型件等，并為許多出口產(chǎn)品配套超高分子量聚乙烯耐磨件，成為國內(nèi)首家大規(guī)模生產(chǎn)不改性超高分子量聚乙烯擠出制品的企業(yè)。
七、超高分子量聚乙烯在煤礦的應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已成功地開發(fā)出許多超高分子量聚乙烯的產(chǎn)品，就國內(nèi)情況看，超高分子量聚乙烯主要應(yīng)用于煤礦，約占消費(fèi)總量的50%。制品多為共混改性制品，由于它的耐磨耗、耐腐蝕、耐沖擊等性能在現(xiàn)有的材料中名列前茅，它不僅能延長成品的使用壽命，又提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。
超高分子量聚乙烯在煤礦上的應(yīng)用研究起步較晚，最初的應(yīng)用面較窄，品種單一，但目前已經(jīng)有了較大的發(fā)展。近幾年有10余種超高分子量聚乙烯制品在煤礦生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用，如軸瓦、軸套類、輪類制品、板類、溜槽等制品，在替代鑄鋼或鑄鐵、尼龍材料方面顯示出其優(yōu)異特點(diǎn)，除了具有耐磨、耐腐蝕、摩擦系數(shù)小、耐低溫等性能上的優(yōu)異外還具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。
過去的地滾一般為鑄鋼或鑄鐵制作，由于鑄鋼硬度大，彈性模量高與鋼絲繩接觸應(yīng)力大，致使鋼絲繩磨損快，此外地滾中的軸承因工作條件惡劣時常造成卡死不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動不靈活而加劇鋼絲繩的磨損。采用超高分子量聚乙烯無軸承地滾可以從根本上克服軸承卡死不轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
電機(jī)車的軸瓦多為鋼質(zhì)材料，其成本高、耐磨性差、摩擦阻力大、對軸的磨損嚴(yán)重。采用超高分子量聚乙烯軸瓦價格便宜，僅為銅的1/6左右，由于其自潤滑摩擦系數(shù)小、壽命長（約為銅的2-3倍）而得到應(yīng)用。
以前鋼絲繩牽引輸送機(jī)托繩輪襯多為尼龍輪襯價格較貴、壽命較短，在此尼龍在冬季變脆安裝時易造成撕裂現(xiàn)象。由于超高分子量聚乙烯材料耐低溫性好而且耐磨性好、壽命是尼龍的2-3倍，可以替代尼龍輪襯。
煤礦用的很多板類材料也可以采用超高分子量聚乙烯材料，如煤倉襯板、箕斗襯板、溜煤道襯板、水平溜煤槽襯板以及特殊情況使用的礦車襯里等平板；壓濾機(jī)濾板；噴漿機(jī)摩擦片；洗煤廠中大量使用的篩板等等。
八、結(jié)束語
由于超高分子量聚乙烯材料具有優(yōu)越的性能，在國民經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。超高分子量聚乙烯制品在煤礦中的應(yīng)用必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但UHMWPE是一種新型的工程塑料，雖然在煤礦中應(yīng)用了10多年，但由于人們對它的認(rèn)識不夠，應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步拓寬，實(shí)踐過程中將會充分顯示該材料在高耐磨性、摩擦因數(shù)小、耐沖擊、成本低、工藝性能等方面的優(yōu)勢。同時研究人員在針對其不足之處進(jìn)行改性的過程中，必將推出更加完善的工藝和配方，隨著時間的推移和更多的新產(chǎn)品的開發(fā)和研制，相信這種新材料越來越顯示其旺盛的生命力。