新型高分子耐磨材料在旋片真空泵上的應(yīng)用

1、 但是，旋片真空泵由于簡(jiǎn)單的構(gòu)造和簡(jiǎn)單的工作原理，使得它依靠旋片與泵體內(nèi)壁的剛性接觸來保持密閉，即真空度。由于工作時(shí)旋片與泵體內(nèi)壁的接觸和摩擦，使得旋片的壽命受到了不斷磨損的考驗(yàn)。目前市場(chǎng)上常用的旋片真空泵的旋片一般采用以石墨為主的材料制成；泵體內(nèi)壁或與泵體材料一致，采用鑄鐵制成，或鑲嵌鋼制內(nèi)套。因此，旋片真空泵的旋片和泵體內(nèi)壁的材料應(yīng)用是保證其工作可靠性和壽命的關(guān)鍵。二、新型高分子耐磨材料1、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE ）超高分子量聚乙烯（UHMW-PE ）是一種線型結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料。世界上最早由美國Allied Chemical 公司于1957年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，此后

2、德國Hoechst 公司、美國Hercules 公司、日本三井石油化學(xué)公司等也投入工業(yè)化生產(chǎn)。UHMW-PE 綜合了大部分塑料的優(yōu)越性能，耐沖擊、耐低溫、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、自身潤滑、吸收沖擊能，這六個(gè)特性是目前塑料中所具有的最高數(shù)值，近年來這種新型材料在歐美國家得到廣泛使用，需求量越來越大，國外有人稱其為“神奇的塑料”。我國于上世紀(jì)六十年代中期開始研究與應(yīng)用UHMW-PE 材料，在2011年中科院寧波材料所超高分子量聚乙烯纖維材料的研制工作取得突破性進(jìn)展。此前，雖然我國打破了荷蘭、美國和日本對(duì)UHMW-PE 纖維材料生產(chǎn)的壟斷，但國產(chǎn)纖維材料的性能與國際先進(jìn)水平還有明顯差距。所以，面對(duì)即將到

3、來的大批量市場(chǎng)應(yīng)用，急需開展纖維制備生產(chǎn)工藝的深入系統(tǒng)研究，提升國產(chǎn)纖維材料的性能，從而為國產(chǎn)UHMPE 纖維材料生產(chǎn)提供系統(tǒng)性的技術(shù)支撐。同時(shí)，UHMW-PE 的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用也是我國“九五”計(jì)劃優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。UHMW-PE 的特點(diǎn)：極好的耐磨性，良好的耐低溫沖擊性、自潤滑性、無毒、耐水、耐化學(xué)藥品性，耐熱性優(yōu)于一般PE 。UHMW-PE 的用途：可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料用于紡織、造紙、食品機(jī)械、運(yùn) 輸、醫(yī)療、煤礦、化工等部門 。如紡織工業(yè)上技梭器、打梭棒、齒輪、聯(lián)結(jié) 、掃花桿、緩沖塊、偏心塊、桿軸套、擺動(dòng)后果等耐沖擊磨損零件。造紙工業(yè)上做箱蓋

4、板、刮水板、壓密部件、接頭、傳動(dòng)機(jī)械的密封軸桿、偏導(dǎo)輪、刮刀、過濾器等；運(yùn)輸工業(yè)上做粉狀材料的料斗、料倉、滑槽的襯里。UHMW-PE 可做各種機(jī)械的零部件，包括食品機(jī)械的齒輪、蝸輪、蝸桿、軸承。化工中做泵、閥門、檔板、濾板。醫(yī)療上，還可用于心臟瓣膜、短形外科零件，人工關(guān)節(jié)及節(jié)育植入體。體育上做滑冰地板、滾地球道、滑雪板、機(jī)動(dòng)雪橇零件。UHMW- PE可以做高模量纖維，用以制造防彈衣、飛機(jī)座椅、海運(yùn)、漁業(yè)用繩索等。UHMW-PE 的生產(chǎn)原材料是現(xiàn)有聚合物中最好的。UHMW-PE 材料的應(yīng)用幫助生產(chǎn)商節(jié)省了由于設(shè)備檢修以及待料造成的停工，改良了設(shè)備運(yùn)行，減少了潤滑油的需量，并且取代了相應(yīng)的鋼鐵等金

5、屬部件，從而節(jié)省了運(yùn)行成本。其安全可靠、快捷方便、無需防腐、省工省力，充分體現(xiàn)出使用超高分子量聚乙烯產(chǎn)品“節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效”的優(yōu)越性。因此，UHMW-PE 材料的應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE ）的性能：1）高耐磨性在目前所有的工程塑料中UHMW-PE 的耐磨性居塑料之冠，最引人注目。分子量越高材料就越耐磨，甚至超過許多金屬材料（如碳鋼、不銹鋼、青銅等）。例如UHMW-PE 管，在強(qiáng)腐蝕和高磨損條件下使用壽命是鋼管的4-6倍，而且提高輸送效率20。充分展現(xiàn)了 節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效 的優(yōu)越性。與其它材料耐磨性（磨耗指數(shù)）比較：UHMW-PE

6、為1.0；PA66為2.0；45#鋼為6.0；黃銅為10.0。2）抗沖擊性UHMW-PE 沖擊強(qiáng)度為130kJ/m，抗沖擊性居塑料之首，無論是外力強(qiáng)沖擊，還是內(nèi)部壓力波動(dòng)，都難以使其開裂。其沖擊強(qiáng)度是尼龍66的10倍，聚氯乙烯的20倍，聚四氟乙烯的8倍；特別是在低溫環(huán)境，其沖擊強(qiáng)度反而達(dá)到最高值，其柔韌性能為輸送系統(tǒng)提供了極為安全可靠的保障。3）極低的摩擦系數(shù)UHMW-PE 靜摩擦系數(shù)為0.050.11，自潤滑性良好，自潤滑性能相當(dāng)于聚四氟乙烯，價(jià)格只有其1/7，它的高光滑度降低了熱摩擦帶來的損傷，在應(yīng)用中無需潤滑油、維護(hù)更簡(jiǎn)便、設(shè)備的操作更加平穩(wěn)低噪音，因而從實(shí)質(zhì)上減少了在鋼材應(yīng)用中不可避免

7、的損耗，是一種理想的軸承、軸套、滑塊、襯里材料。選用UHMW-PE 作為設(shè)備的摩擦部件，除可提高耐磨壽命外，還可收到節(jié)能效果。4）耐腐蝕性UHMW-PE 在堿液中不受腐蝕，可以在80的濃鹽酸中應(yīng)用，在75的濃硫酸、20的硝酸中性能穩(wěn)定，它對(duì)海水、液體洗滌劑也很穩(wěn)定。5）抗老化性UHMW-PE 性能穩(wěn)定，抗老化性好，地面、地下埋沒均可，50年不老化。按ASTM 方法測(cè)定（負(fù)荷4.6/cm2），熱變形溫度為85，使用溫度可達(dá)90，特殊情況下，允許在更高的溫度下使用。它的耐低溫性能非常優(yōu)異，在-269低溫下，仍具有一定的延展性，和良好的沖擊強(qiáng)度，而沒有脆裂跡象。6）電絕緣性能UHMW-PE 體積電阻

8、大，擊穿電壓達(dá)50KV/mm，介電常數(shù)為2.3。在較寬的溫度及頻率范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生降解，適宜用作電氣工程的結(jié)構(gòu)材料。7）衛(wèi)生無毒、無味無粘附性UHMW-PE 無味、無毒、無臭，本身無腐蝕性，具有生理惰性和生理適應(yīng)性。美國食品與藥品管理局（FDA ）和美國農(nóng)業(yè)部（USDA ）允許它用于與食品和藥品接觸的場(chǎng)合。8）安裝方便用UHMW-PE 做輸送管道，無需防腐和其它建筑保護(hù)措施便可直埋地下，土壤腐蝕、外力沖擊和地殼變形都難以破壞它。納米超高管道焊接快捷、簡(jiǎn)便，可直接彎曲鋪設(shè)，耐候性好又便于存放，大幅度減少了安裝過程中人力、物力的消耗，降低了工程造價(jià)。9）零水吸收性能因?yàn)閁HMW-PE 的水吸收指標(biāo)幾

9、乎為零（飽和吸水率：0.01%），因此在水中應(yīng)用的時(shí)候不會(huì)發(fā)生尺寸變化。另外，UHMW-PE 無氣孔而且不有機(jī)塑料添加劑，這些有效地防止了細(xì)菌的滋生。10）比重輕、易加工、可著色，降音隔噪U(xiǎn)HMW-PE 比重只有0.94，比水還要輕，而且只相當(dāng)于鋼的七分之一。從成本來看，每立方英寸的UHMW-PE 只是鋼的三分之一。所有這些，再加上長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用的降低，都使得UHMW-PE 更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。它更加易于加工因而更便宜，它的加工包括可打磨、可鉆孔、可鋸割等等，適用于很多用途。但是，UHMW-PE 不能接觸汽油，因?yàn)槠褪蔷垡蚁┑雀叻肿硬牧系牧既軇?，長(zhǎng)時(shí)間接觸，可能使超高分子聚乙烯材料發(fā)生溶脹，導(dǎo)致制品

10、強(qiáng)度等大幅下降，最終不能正常使用。因此，UHMW-PE 材料在石油石化行業(yè)的應(yīng)用收到了限制，特別是在油泵或油氣泵設(shè)備制造行業(yè)更是無法涉足。2、聚醚醚酮（PEEK ）聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone，簡(jiǎn)稱 PEEK ）是由4，4-二氟二苯甲酮與對(duì)苯二酚在堿金屬碳酸鹽存在下，以二苯砜作溶劑進(jìn)行縮合反應(yīng)制得的一種新型半晶態(tài)芳香族熱塑性工程塑料。PEEK 屬于耐高溫?zé)崴苄运芰?，具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（143）和熔點(diǎn)（334），負(fù)載熱變型溫度高達(dá)316（30%玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)牌號(hào)），可在250下長(zhǎng)期使用，與其他耐高溫塑料如PI 、PPS 、PTFE 、PPO 等相比，使用溫度

11、上限高出近50；PEEK 材料不僅耐熱性比其他耐高溫塑料優(yōu)異，而且具有高強(qiáng)度、高模量、高斷裂韌性以及優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性；PEEK 材料在高溫下能保持較高的強(qiáng)度，它在200時(shí)的彎曲強(qiáng)度達(dá)24MPa 左右，在250下彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度仍有1213MPa ；PEEK 樹脂的剛性較大，尺寸穩(wěn)定性較好，線脹系數(shù)較小，非常接近于金屬鋁材料；具有優(yōu)異的耐化學(xué)藥品性，在通常的化學(xué)藥品中，只有濃硫酸能溶解或者破壞它，它的耐腐蝕性與鎳鋼相近，同時(shí)其自身具有阻燃性，在火焰條件下釋放煙和有毒氣體少，抗輻射能力強(qiáng)；PEEK 材料的韌性好，對(duì)交變應(yīng)力的優(yōu)良耐疲勞性是所有塑料中最出眾的，可與合金材料媲美；PEEK 材料具有突

12、出的摩擦學(xué)特性，耐滑動(dòng)磨損和微動(dòng)磨損性能優(yōu)異，尤其是能在250下保持高的耐磨性和低的摩擦系數(shù)；PEEK 材料易于擠出和注射成型，加工性能優(yōu)異，成型效率較高。此外，PEEK 材料還具有自潤滑性好、易加工、絕緣性穩(wěn)定、耐水解等優(yōu)異性能，使得其在航空航天、汽車制造、電子電氣、醫(yī)療和食品加工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，開發(fā)利用前景十分廣闊。綜上所述， PEEK 是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相比具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，耐高溫、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性能。PEEK 材料最早在航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用，替代鋁和其他金屬材料制造各種飛機(jī)零部件。汽車工業(yè)中由于PEEK

13、材料具有良好的耐摩擦性能和機(jī)械性能，作為制造發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)罩的原材料，用其制造的軸承、墊片、密封件、離合器齒環(huán)等各種零部件在汽車的傳動(dòng)、剎車和空調(diào)系統(tǒng)中被廣泛采用。PEEK 材料是理想的電絕緣體，在高溫、高壓和高濕度等惡劣的工作條件下，仍能保持良好的電絕緣性能，因此電子信息領(lǐng)域逐漸成為PEEK 材料第二大應(yīng)用領(lǐng)域，制造輸送超純水的管道、閥門和泵，在半導(dǎo)體工業(yè)中，常用來制造晶圓承載器、電子絕緣膜片以及各種連接器件。作為一種半結(jié)晶的工程塑料，PEEK 材料不溶于濃硫酸外的幾乎所有溶劑，因而常用來制作壓縮機(jī)閥片、活塞環(huán)、密封件和各種化工用泵體、閥門部件。PEEK 材料還可在134下經(jīng)受多達(dá)3000次的循環(huán)

14、高壓滅菌，這一特性使其可用于生產(chǎn)滅菌要求高、需反復(fù)使用的手術(shù)和牙科設(shè)備。PEEK 材料不僅具有質(zhì)量輕、無毒、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，還是目前與人體骨骼最接近的材料，可與肌體有機(jī)結(jié)合，所以用PEEK 材料代替金屬制造人體骨骼是其在醫(yī)療領(lǐng)域的又一重要應(yīng)用。PEEK 材料是20世紀(jì)70ICI 公司開發(fā)的。PEEK 自問世以來，一直被作為一種重要的戰(zhàn)略性國防軍工材料，許多國家均限制出口。針對(duì)到國內(nèi)的真空泵、油泵和油氣泵設(shè)備制造行業(yè)，PEEK 材料可成新一代的非金屬耐磨材料，以替代當(dāng)前的石墨和層壓材料，并顯示出如下性能：1）優(yōu)異的耐磨性能，有效提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和工作壽命；2）優(yōu)良的耐沖擊性能，設(shè)備安全性高，不

15、會(huì)發(fā)生部件斷裂等異常現(xiàn)象；3）良好的加工性和尺寸穩(wěn)定性，制造尺寸精度易于控制，提高設(shè)備的真空度。PEEK 材料制造主要的部件包括：真空泵和氣動(dòng)工具旋片或葉片，泵體軸套和止推墊塊等。目前國際上知名的真空泵設(shè)備制造商都在應(yīng)用這些材料。三、新型高分子耐磨材料在旋片真空泵上的應(yīng)用目前，國內(nèi)市場(chǎng)上使用的旋片真空泵的旋片大部分采用的是傳統(tǒng)的石墨材料，由于石墨材料的特性，因而導(dǎo)致了采用石墨材料的旋片真空泵的故障率較高、維護(hù)頻繁且工作壽命較短。因此，UHMW-PE 、PEEK 等新一代的非金屬耐磨材料的出現(xiàn)，將成為制造旋片真空泵關(guān)鍵部件的替代材料?，F(xiàn)在國內(nèi)有多家專門從事UHMW-PE 、PEEK 等新型高分子

16、耐磨材料部件和涂料研究、成產(chǎn)、加工的企業(yè)，產(chǎn)品技術(shù)、加工工藝、成品質(zhì)量均已達(dá)到國際水平。從成本上分析，以PEEK 材料為例，市場(chǎng)上PEEK 原材料的價(jià)格約為600元/Kg，石墨材料的價(jià)格約為60元/Kg；PEEK 材料的比重約為1.30g/cm，石墨材料的比重約為2.10g/cm。因此，綜合體積因素，PEEK 材料價(jià)格約是石墨材料的五倍。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，PEEK 材料多數(shù)情況是與石墨材料等材料混合加工后使用，或制成涂料使用。對(duì)于旋片真空泵的工作摩擦部件和部位，如旋片和泵體內(nèi)壁，可以采用PEEK 等新型高分子耐磨材料加工制造或表面涂覆處理。例如，旋片用PEEK 材料一次塑造成型，泵體內(nèi)壁可以用PEEK 材料一次塑造成型的壁套與泵體鑲嵌而成；或用30%以上的石墨材料及其他相關(guān)材料混合PEEK 材料制成旋片部件，并在旋片部件表面涂覆 PEEK 材料鍍層，而泵體內(nèi)壁可以在原金屬（如鋁合金、鋼、 鑄鐵等）表面上涂覆 PEEK 材料鍍層。對(duì)于一些運(yùn)行要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，可以采用經(jīng)碳