超高分子量聚乙烯砂漿磨耗測試裝置的設(shè)計

超高分子量聚乙烯砂漿磨耗測試裝置的設(shè)計

1超高分子量聚乙烯uhmwpe聚氯乙烯是目前最大的塑料品種之一，占世界塑料產(chǎn)量的30%左右。其中,LDPE、HDPE以及被稱為第三代聚乙烯的LLDPE等均屬于熱塑性通用塑料,唯有分子量高達(dá)150萬以上的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因物理力學(xué)性能優(yōu)異而作為工程塑料應(yīng)用。根據(jù)美國菲利普石油公司的劃分方法,分子量在150萬以上的聚乙烯稱為“超高分子量聚乙烯(UHMWPE)”。德國赫斯特(Hoechst)公司、美國赫爾克勒斯(Hercules)公司和日本三井石油化學(xué)公司是世界上生產(chǎn)UHMWPE的三大公司,中國主要生產(chǎn)廠家是北京助劑二廠、上海高橋石化公司化工廠。2聚乙烯塑料復(fù)合四氟復(fù)合涂膜UHMWPE極高的分子量(HDPE的分子量通常只有2～30萬)賦予其優(yōu)異的使用性能,而且屬于價格適中、性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料。它幾乎集中了各種塑料的優(yōu)點(diǎn),具有普通聚乙烯和其它工程塑料無可比擬的耐磨、耐沖擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收沖擊能、耐低溫、衛(wèi)生無毒、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實(shí)上,目前還沒有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優(yōu)異性能。2.1uhmwpe砂漿磨耗指數(shù)的計算公式UHMWPE的耐磨性居塑料之冠,并超過某些金屬,圖1為UHMWPE與其它材料耐磨性比較。從圖1可以看出,與其它工程塑料相比,UHMWPE的砂漿磨耗指數(shù)僅是PA66的1/5,HDPE和PVC的1/10;與金屬相比,是碳鋼的1/7,黃銅的1/27。這樣高的耐磨性,以致于用一般塑料磨耗實(shí)驗(yàn)法難以測試其耐磨程度,因而專門設(shè)計了一種砂漿磨耗測試裝置。UHMWPE耐磨性與分子量成正比,分子量越高,其耐磨性越好。2.2般沖擊試驗(yàn)UHMWPE的沖擊強(qiáng)度,在所有工程塑料中名列前茅,圖2為UHMWPE與其它工程塑料沖擊強(qiáng)度比較。從圖2可以看出,UHMWPE的沖擊強(qiáng)度約為耐沖擊PC的2倍,ABS的5倍,POM和PBTP的10余倍。耐沖擊性如此之高,以致于采用通常沖擊試驗(yàn)方法難以使其斷裂破壞。其沖擊強(qiáng)度隨分子量的增大而提高,在分子量為150萬時達(dá)到最大值,然后隨分子量的繼續(xù)升高而逐漸下降。值得指出的是,它在液氮中(-196℃)也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度,這一特性是其它塑料所沒有的。此外,它在反復(fù)沖擊后表面硬度更高。2.3潤滑效果比較UHMWPE有極低的摩擦因數(shù)(0.05～0.11),故自潤滑性優(yōu)異。表1為UHMWPE與其它工程塑料摩擦因數(shù)比較。從表1可以看出,UHMWPE的動摩擦因數(shù)在水潤滑條件下是PA66和POM的1/2,在無潤滑條件下僅次于塑料中自潤滑性最好的聚四氟乙烯(PTFE);當(dāng)它以滑動或轉(zhuǎn)動形式工作時,比鋼和黃銅添加潤滑油后的潤滑性還要好。因此,在摩擦學(xué)領(lǐng)域UHMWPE被譽(yù)為成本/性能非常理想的摩擦材料。2.4腐蝕介質(zhì)及溶劑UHMWPE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性,除強(qiáng)氧化性酸液外,在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)(萘溶劑除外)。其在20℃和80℃的80種有機(jī)溶劑中浸漬30d,外表無任何反?，F(xiàn)象,其它物理性能也幾乎沒有變化。2.5吸收污染物的影響UHMWPE具有優(yōu)異的沖擊能吸收性,沖擊能吸收值在所有塑料中最高,因而噪聲阻尼性很好,具有優(yōu)良的消音效果。2.6耐低溫性UHMWPE具有優(yōu)異的耐低溫性能,在液氦溫度(-269℃)下仍具有延展性,因而能夠用作核工業(yè)的耐低溫部件。2.7健康與不道德UHMWPE衛(wèi)生無毒,完全符合日本衛(wèi)生協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn),并得到美國食品及藥物行政管理局和美國農(nóng)業(yè)部的認(rèn)可,可用于接觸食品和藥物。2.8不受信任的行為UHMWPE表面吸附力非常微弱,其抗粘附能力僅次于塑料中不粘性最好的PTFE,因而制品表面與其它材料不易粘附。2.9防水UHMWPE吸水率很低,一般小于0.01%,僅為PA6的1%,因而在成型加工前一般不必干燥處理。2.10拉伸強(qiáng)度及比強(qiáng)度表2為UHMWPE與其它工程塑料密度比較。由表2可知,UHMWPE的密度比其它所有工程塑料都低,一般比PTFE低56%,比POM低33%,比PBTP低30%,因此其制品非常輕便。2.11拉伸強(qiáng)度由于UHMWPE具有超拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征,所以有無可匹敵的超高拉伸強(qiáng)度,因此可通過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)3～3.5GPa,拉伸彈性模量高達(dá)100～125GPa;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%。2.12其它性能UHMWPE還具有優(yōu)良的電氣絕緣性能,比HDPE更優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性,比HDPE更好的耐疲勞性及耐γ一射線能力。2.13不足之處與其它工程塑料相比,UHMWPE耐熱性、剛度和硬度偏低,但可以通過“填充”和“交聯(lián)”等方法來改善;從耐熱性來看,UHMWPE的熔點(diǎn)(136℃)與普通聚乙烯大體相同,但因其分子量大,熔融粘度高,故加工難度大。3應(yīng)用目前UHMWPE已在紡織、造紙、包裝、運(yùn)輸、機(jī)械、化工、采礦、石油、農(nóng)業(yè)、建筑、電氣、食品、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并開始進(jìn)入常規(guī)兵器、船舶、汽車等領(lǐng)域。今后還將擴(kuò)大到宇航和原子能等領(lǐng)域。3.1主要用于抗疲勞耗、抗沖擊性的應(yīng)用3.1.1機(jī)械零件紡織機(jī)械是UHMWPE最早應(yīng)用的領(lǐng)域,早在1958年,就有幾家公司開始用UHMWPE制造紡織機(jī)械零件,如取代韌性材料中最耐用的水牛皮制作的織機(jī)上的皮結(jié),承受40～180次/min長期振動沖擊,其壽命可達(dá)水牛皮結(jié)的5～6倍。目前,國外在每臺織機(jī)上應(yīng)用的UHMWPE零件平均有30件左右,如投梭器、打梭棒、齒輪、聯(lián)結(jié)器、掃花桿、緩沖塊、偏心塊、桿軸套、擺動后梁等耐沖擊磨損零件。3.1.2材料和耐磨材料造紙機(jī)械是應(yīng)用UHMWPE的第二個工業(yè)部門。約在1960年,在一臺削木機(jī)的傳送裝置上第一次安裝了UHMWPE防磨條,對底板和鏈條起到良好的保護(hù)作用,使用5a基本上無磨損,據(jù)估計,防磨條的壽命要比鏈條的壽命高一倍以上;UHMW-PE和不銹鋼、楓木、澆鑄型聚氨酯及層壓酚醛塑料等耐磨材料都曾作為吸水箱蓋板使用,但重要的是UHMWPE蓋板對吸水箱上不銹鋼絲網(wǎng)的阻力大大低于其它材料,因此可使昂貴的不銹鋼絲網(wǎng)的使用壽命延長。今天,造紙工業(yè)所需UHMWPE用量占總量的10%,如采用UHMWPE制造造紙機(jī)的刮水板、吸水箱蓋板、壓密部件、接頭等,此外UHMWPE也可用來制造造紙機(jī)械的密封軸桿、偏導(dǎo)輪、刮刀、過濾器等零部件。3.1.3差用材料生產(chǎn)的差UHMWPE的高耐磨性、低摩擦因數(shù)和不粘性,使其在包裝機(jī)械中比某些金屬和其它塑料更適用,可代替磷青銅和氟塑料。用UHMWPE取代改性氟塑料制作導(dǎo)軌、傳送裝置的滑塊座、固定板等,不僅大大降低了設(shè)備投資費(fèi)用,而且可延長使用壽命10～50倍。一條液體洗滌劑生產(chǎn)線裝置上的計時星輪,用UHMWPE取代原來的層壓熱固性塑料后,使過去易磨損、易劃傷瓶且容易變軟的問題迎刃而解,大大減少了備用件費(fèi)用。由UHMWPE制造的計時螺桿,也已在許多裝瓶線上作為標(biāo)準(zhǔn)部件使用。西方一個大啤酒廠,用UHMWPE制作了一條約1.6km長的板帶式瓶子傳送帶,比用磷青銅制作的傳送帶要耐用幾倍。國外一個汽車組裝廠的輸送線上,鏈條驅(qū)動鏈輪使小車在鋼板傳送平臺上運(yùn)動,由于鏈條與鋼板的摩擦,鏈條極易損壞。采用UHMWPE板材替換鋼板,使磨損大大降低,同時也減少了動力消耗。3.1.4機(jī)械零部件的uhmwpe制片工藝由于UHMWPE具有優(yōu)良的耐磨性、耐沖擊性,它在機(jī)械制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,可制作各種齒輪、凸輪、葉輪、滾輪、滑輪、軸承、軸瓦、軸套、銷軸、墊片、密封墊、彈性聯(lián)軸節(jié)、螺釘?shù)葯C(jī)械零部件。美國于1980年已將谷物和豆類作物的自行式聯(lián)合收割機(jī)的鋼制動片改為UHMWPE制動片,僅此就節(jié)約鋼材約2.3萬t。據(jù)Himont公司估算,用UHMWPE制作農(nóng)用收割機(jī)的齒輪比鋼制品便宜1/3,而壽命要高2倍。用UHMWPE制作起重設(shè)備導(dǎo)向裝置、輸送帶、鏈輪、摩擦片、刮板等,取得良好效果。3.2主要用于自潤滑和不粘涂層的應(yīng)用3.2.1hhmpe管UHMWPE可制作裝煤、水泥、石灰、礦粉、鹽、谷物之類粉狀材料的料斗、料倉、滑槽的襯里,由于它具有優(yōu)良的自潤滑性、不粘性,可使上述粉狀材料對儲運(yùn)設(shè)備不發(fā)生粘附現(xiàn)象,保證穩(wěn)定輸送。煤、礦粉、糧食等的料斗過去采用不銹鋼襯里進(jìn)行裝箱運(yùn)輸,現(xiàn)改用UHMWPE襯里,長期使用時,可減少發(fā)熱現(xiàn)象。寶鋼運(yùn)送礦石的料斗采用UHMWPE,要比原先采用的金屬材料使用壽命提高10～50倍。用UHMWPE制作料斗襯里便于施工、成本低,所以大發(fā)電廠輸送煤的加料斗也采用了UHMWPE襯里。采煤場的煤溜槽采用UHMWPE制造,可降低傾斜角度,從而提高開采量,輸送40萬t煤而不需更換料槽,其使用壽命比襯鎂合金的流料槽提高2倍。UHMWPE用于流砂等的固體輸送管道,與鋼管相比壽命提高18倍,成本降至1/25,與尼龍管相比壽命提高3倍,成本降至1/8。在輸送時,管內(nèi)阻力比金屬管小25%,大大提高了輸送效率。過去糧食加工廠采用鋼管進(jìn)行風(fēng)送糧食,鋼管磨損消耗大量鋼材,而且粉塵污染環(huán)境,有粉塵爆炸的危險。面粉廠采用UHMWPE管代替鋼管,耐磨性提高7～10倍,由于UHMWPE具有不產(chǎn)生靜電火花等特點(diǎn),從而避免了爆炸危險。在滑槽、鏟斗和礦石車廂的內(nèi)襯等方面,用傳統(tǒng)金屬材料時,遇到寒冷潮濕的天氣,物料就會凍結(jié)在金屬上,而采用UHMWPE則不會,從而大大減少了卸貨時間。在散裝貨船的自卸漏斗上內(nèi)襯一層UHMWPE板材后,平均卸貨時間由原來的16～20h減少到8h。3.2.2雙板、雙板、農(nóng)墻內(nèi)冷板、水生植物面UHMWPE自潤滑性優(yōu)異,泥土在其表面容易滑動,而不會發(fā)生粘著,而且其耐沖擊性、耐磨損性優(yōu)良,適于制作農(nóng)業(yè)和建筑機(jī)械的零部件,如聯(lián)合收割機(jī)的滑動板、犁具外襯板、推土機(jī)的刮板、挖土機(jī)鏟斗的內(nèi)襯、翻斗車車廂的內(nèi)襯等,可大幅度提高工作效率,減少能耗。3.2.3uhmwpe滑雪板利用UHMWPE的自潤滑性和耐磨性及耐寒性,可用于滑冰、滑雪、水上運(yùn)動等體育器材的滑動部件,還可制作保齡球的球道、曲棍球場的護(hù)板、雪花干擾裝置、機(jī)動雪橇鏈輪以及運(yùn)動訓(xùn)練的自動裝置等。文體用品中的滑雪板底板,歐美主要采用UHMWPE制造;用UHMWPE覆蓋滑雪道(層厚20mm),滑板最高速度可達(dá)110km/h。日本三井石油化學(xué)公司制造的UHMWPE滑冰場,1975年在Kagoshima縣對外開放,其造價為一般人造滑冰場的1/4。3.3主要用于耐腐蝕和不吸收材料3.3.1可使用水生動器的溫度容器UHMWPE具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和不吸水性,可用作各種溶液存貯設(shè)備的鋪面材料和大型包裝容器,如貯水桶、浮筒、接水槽、汽油箱、農(nóng)藥容器以及用于太陽能設(shè)備的溫水容器等,這也是UHMWPE目前應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。UHMWPE容器具有優(yōu)良的落下沖擊強(qiáng)度。如果將容器裝水20kg,從高空跌落至10mm厚的鐵板上,普通聚乙烯容器的破壞高度僅為9m,而UHMWPE容器可高達(dá)16m以上。3.3.2護(hù)面板和襯里利用UHMWPE優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性,可制作各種化學(xué)容器、機(jī)械設(shè)備的護(hù)面層和襯里,如開式罐、內(nèi)襯罐、板式容器、冷卻塔體等;利用UHMWPE優(yōu)良的耐磨性和耐沖擊性,可用來制作化工設(shè)備的泵、閥門、管道、法蘭、過濾器、攪拌漿葉片、軸、軸套、墊片和墊料等。3.3.3uhmwpe管由UHMWPE制造的管道,具有良好的抗環(huán)境應(yīng)力開裂性和抗壓性。據(jù)美國菲利浦制品公司介紹,已用UHMWPE管鋪設(shè)了1600km以上的煤氣輸送管道,在美國菲利浦化學(xué)公司AdmasTerminat聚乙烯廠的廢水處理系統(tǒng)中,使用了由菲利浦制品公司生產(chǎn)的直徑為1219mm的UHMWPE管道,據(jù)說這是美國制造的直徑最大的塑料管,其工作壓力為0.28MPa,設(shè)計壽命為50a。3.4主要用于衛(wèi)生和無毒藥物的應(yīng)用3.4.1食品輸送使用材料UHMWPE具備食品工業(yè)所要求的無毒性、耐水性及非粘著性,被指定為可直接與食品接觸使用的材料。可用于啤酒、清涼飲料、調(diào)味品等的輸送線。輸送物品時,可以防止瓶子等的破損,降低噪音,減少輸送帶、輸送螺桿等的磨損,并可減少電力損耗。它還可用來制造肉食、牛奶以及糖果蜜餞和面包食品生產(chǎn)設(shè)備的零部件。3.4.2在醫(yī)藥及與人體接觸的領(lǐng)域使用UHMWPE具有優(yōu)異的生理惰性和生理適應(yīng)性,經(jīng)美國食品及藥物行政管理局、農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn),可在醫(yī)藥及與人體接觸的領(lǐng)域使用,如作為心臟瓣膜、矯形外科零件、人工關(guān)節(jié)及節(jié)育植入體等的臨床使用,是理想的醫(yī)用高分子材料。由UHMWPE制成的髖臼和金屬股骨組成的人工髖關(guān)節(jié),耐磨性和安全性比PTFE更為優(yōu)異,目前世界上已有數(shù)十萬人接受了這類人工關(guān)節(jié)的置換。3.5其他性能的應(yīng)用3.5.1凍機(jī)械的制備UHMWPE具有優(yōu)異的耐低溫性能,可應(yīng)用于各種冷凍機(jī)械中,并可作為核工業(yè)的耐低溫部件,在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域中是較為理想的絕緣材料。UHMW-PE對放射線具有優(yōu)良的遮蔽效果,故可用作原子能發(fā)電站的遮蔽板。3.5.2酸性鉛蓄電池隔膜膜UHMWPE電絕緣性能良好,尤其是介電損耗角正切值低,可用于制造電鍍槽、輥?zhàn)蛹霸诟哳l和超高頻區(qū)間工作的絕緣子、絕緣托架、電纜管道、斷路器、電纜端子和其它電氣裝置。目前歐美使用UHMWPE制造酸性鉛蓄電池隔板(膜),用量為4000t/a,這種隔板日本也開始使用并向大型化發(fā)展。此外,為保護(hù)收錄機(jī)磁帶并減輕摩擦,每盤磁帶需用2塊UHMWPE墊片。3.5.3dyneemask60纖維采用凝膠紡絲法制造的UHMWPE纖維,比強(qiáng)度是至今已商品化纖維中最高的,其中荷蘭DSM研究所和日本東洋紡織公司共同開發(fā)的DyneemaSK60被稱為世界上最強(qiáng)韌的纖維,可用于制造索具、電纜、風(fēng)帆、帳篷、漁網(wǎng)、防彈織物、過濾器、安全手套等產(chǎn)品。美國Himont公司開發(fā)的Spectra纖維在船體、彈