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                超高分♀子量聚乙烯耐磨制品的生产及应用

                信息来自:超高分子量聚乙烯www.eastpipe.net    发布日期:2013-6-27   浏览次数:106  

                  导读:   超高分子量聚乙烯(UHMWPE)发展始于二十世纪六十年代,它的分子结构和普通聚乙烯(PE)完全相同,其分子量一般在1×106以上,比普通PE高2个数量级,因此它具有普通PE所没有的性能,比如耐磨性是钢铁的8~9倍,耐冲击性是聚碳酸酯(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)发展始于二十世纪六十年代,它的分子结构和普通聚乙烯(PE)完全相同,其分子量一般在1×106以上,比普通PE高2个数量级,因此它具有普通PE所没有的性能,比如耐磨性是钢铁的8~9倍,耐冲击性是聚碳酸酯(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;耐化学药品◢性和消音性优良,摩擦系数小等优∞良特性。可用于冶金、矿山、煤炭、石油、天然气、化工、电力、纺织、造纸、海湖盐化工、排水等行业[1],用于固体颗粒、粉状物料、浆体、固液混合物和气体等介质的输送,解决管道输送系统中的难题。1、超高分子量聚乙烯的特性。
                   1.1极强的耐磨性UHMWPE制品的独特分子结构,使它具有极高的抗滑动摩擦能力。耐磨性高于一般的金属※和塑料制品,约为碳钢的6. 6倍、不锈钢的5.5倍、黄铜的27. 3倍、酚醛树脂的17. 9倍、尼龙六六的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寿命。
                   1.2极高的耐冲击性UHMWPE的抗冲击性和吸收冲击能居塑料之首,约为聚碳酸酯的2倍, ABS的5倍,聚甲醛和PBT的10余倍。无论外力强冲击,还是内压力波动,都难以】使其开裂。特别是在低温环境下,其耐冲击强度反而达到最高值。许多材料在严重或反复∏爆炸的冲击中会裂纹、破损、破碎或表面应力疲劳,该品按照GB1843标准,进行悬臂梁冲击试验达到无破坏。值得指出的是,它在液氮温度( - 296℃)下也能保持优异的冲击强度。其冲击强度起先随分子量的增大而提高,在分子量为250万左右达到最大值,其后随分子量的升高而逐渐下降。
                   1.3优异的自润滑性能摩擦系数小摩擦系数为0.07-0.11仅为钢板的1/3当它以滑动或转动形式工作时,比钢和黄铜添加润滑油后的润滑性还要好。在水润滑条件下其动摩擦系数比尼龙66和聚甲醛低50%。在无润滑条件下仅次于塑料中自润滑性最好的聚四氟乙烯。这种超级〓优异的摩擦系数在给超高分子量聚乙烯板材生产、应用领域取得了非常大的优势!在摩擦学领域被评价为“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,仅次于塑料中不黏性最好的聚四氟乙烯,因此,制品表面不会黏附异物,超高分子量聚乙烯板材可用于防止物料黏、挂壁之设备部件,包括防黏结料仓、选厂溜槽等。
                    1.4优良的憎水性UHMWPE的吸水性极低,一般低于0.01% ,几乎是不吸水的,在水中不膨胀,吸水率仅为尼龙66的1%,是工程塑料中吸水率最小的一种,所以在成型加工前不必进行干燥处理。
                 
                1.5高拉伸强度由于UHMWPE具有超拉伸取向必备的结构特征,所以有无可匹敌的超高拉伸强度,因此可通过凝胶纺丝法制得超高弹性模量和强度的纤维,其拉伸强度高达3~315 GPa,拉伸弹性模量高达100~125 GPa;纤维比强度是迄今已商品化的∴所有纤维中最高的,比碳纤维大4倍,比钢丝大10倍,比芳纶纤维大50%。1.6耐低¤温性能超高分子量聚乙烯具有非常优良的耐低温性能,是所有塑料中最佳的,其耐冲击性、耐磨性在零下269℃时基本不变,是目前唯一可以在接近绝对零度的温度下工作的一种工程塑料。即使在液氮温度( -296℃)下仍具有延展性,因而可用于低温部件和管道以及核工业的耐低温部件。1.7耐化学药品性能超高分子量聚乙烯具有优良耐化学药品性能。除对某些强酸在高温下有轻微腐蚀外,在其它的碱液、酸液中不受腐蚀。在温度小于80℃的浓盐酸、浓度小于75 %的硫酸、浓度小于20 %的硝酸中性能相当稳定,施工中不需要涂刷防腐涂料。除萘溶剂之外,它几乎不溶于任何有机溶剂。这是由于超高分子量聚乙烯分子结构上没有双键和支链及结晶度高,才具有的▼优异性能。1.8表面非附着性UHMWPE制品由于摩擦系数小和无极性,因此具有很好的表面非附着性。现有的材料一般在pH值9以上的介质中均会结垢,UHMW2PE制品则不结垢,这一特性对火电站用于排粉煤灰系统有重大意义。在原油、泥浆等输送管道方面也非常适用。 表1不同材㊣料的摩擦系数比较
                材料摩擦系数UHMW-PEABSPA66PCPTFE0.07-0.110.380.370.360.04-0.1
                注:测试方式按ASTMD1894进行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,因此其制品非常轻便.超高分子量聚乙烯的密度为0.94 g/cm3左右,比聚四氟乙烯轻56%,比聚甲苯、PBT轻30%。随着分子量的增加它的密度会逐渐减小,其原因是当分子量增大时分子链拉长,而较长的分子链会妨碍结晶结果在长链聚合物中存在着很大的无定形区,因而使密度下降。UHMWPE的密度在工程塑料中最小。因此其制品非常轻便,安装也容易、迅速,即时安装的工作效率高。
                1.10卫生无毒性UHMWPE制品是少数几种对生物完全无毒、无味、无嗅的塑料制⊙品,符合国家安全卫生标准。直接用于食品机械、医药行业可替代昂贵的不锈钢管输送物料,特别适用于制作人工关节、骨骼等。1.11冲击能吸收性为最高值,消音性好。UHMWPE在压力作用下极易形成剪切带,能吸收大量的∩冲击能。在-196℃下仍能保持一定的韧性。
                1.12其他性能对中子具有屏蔽能力,可着色,耐γ射线能力等突出特点。还具有优良的耐环境应力开裂、抵抗快速开裂能力、耐疲劳性、耐高温蠕变性等,使其在各行业有广泛地应用需求。
                2、超高分子量聚乙烯在各个行业中的应用
                2.1煤炭行业
                2.1.1选煤厂:我国现有洗选能力80万吨/年以上★的选煤厂800余家,经详细调查(国家煤炭总局煤炭综合利用处提供的数据),每个选煤厂在用的输送管道约4000米,目前大部分选煤厂采用钢管输送,由于输送介质对管道磨损腐蚀比较严重,钢管的平均寿命仅为3—5年,重介质选煤所用钢管的使用寿命仅为三个月。由于超高管材具有良好的耐磨性和耐腐蚀性,可以替代在用钢管,在选煤厂有着广阔的应用前景。2.1.2水煤浆工程:水煤浆是我国“十五”能源发展的分支,据国家水煤浆能源技术中心提供的技术资料√表明:我国五年内在建和将建的水煤浆管道约为2000公里,管道直径为Ф219-426mm,输送压力1-3Mpa。国外的使用经验和国内的实验证明:超高分子量聚乙烯管材是性能价格比最高的管道。、2.2电力行业2.2.1电厂回水管道:从电力部了解的数据表明,我国现有80万KW以上的大型电厂400余座,小型电厂约800座。以大型电■厂计,每座电厂回水管〇道长约6000米,回水管道的更换周期平均为8年,由于现用钢管回水管道严重结垢,每座电厂每年管道酸洗费用约为500万元,超高管材可以从根本上解决结构问题,在电厂回水管道领域应用前景广阔。
                2.2.2电厂排灰管道:据电力部的统●计数字表明:大型热电厂的排灰管道长约20Km,输送压力1-3Mpa,管道直径为Ф219-480mm,平均更换周期为10年,每年的酸洗费用约600万元。超高管道可以从根本上解决结构问题,在电厂排灰管道领域有着广阔的前景。
                2.3金属与非金属矿山行业据有关资料表明:我国每年产出的尾矿达26.5亿吨,矿山尾矿输送管道平均长为3000米,输送压力1-3Mpa。管道直径为Ф159-273mm。全国大@约有大中型矿山800余家,尾矿输送管道平均更换周期为10年,由于超高管材具有良好的耐磨性可以解决尾矿输送中管道磨损快的难题,因此在尾矿输送领域有着广阔的应用前景。
                2.4UHMWPE的其它应用
                2.4.1超高分子量聚乙烯复合管材莱钢集团山东东方管业有限公司研制♀的超高分子量聚乙烯钢∕塑复合管材,这种复合管材主要利用UHMWPE管材耐磨性、耐冲击性、自润滑性、不粘性等优异的材料性能和钢管强度高、硬度大、耐冲击,膨胀系数小、能抗拒紫外线的辐射、能隔氧等优异性能,使之取长补短,是一种更为理想的管材。将超高分子量聚乙烯内衬于钢管内壁,从而使钢塑复合管不仅具有了高强度,同时大幅度地提高了内壁的任性,使其具有了弹性体特性,当固体和液体介质冲击复合层时,复合层只存在暂时的收缩,磨损极小。当外力消失后,复合层又恢复了原状,这种“以柔克刚”的特性大大减轻了介质对管壁的强烈冲刷,减少了介质对管道内壁的直接磨损,因而该产品在电力、煤炭、冶金化工、矿山等行业的固体输送中有独特的优势。
                2.4.2UHMWPE在医用材料中的应用UHMWPE具有█优异的耐磨性、抗冲击性、良好的生物相容性及优秀的机械强度等优点,这种不可降解的生物材料作为完全关节替代物的应用已经有十年以上的历史。研究重点集中在探索超高分子量聚乙烯在医用环境中的磨损机理,及如何提高其耐磨损性,以期减少磨损带来的溶骨作用和关节松脱。UHMWPE在膝关节中主要作为衬垫材料;在股关节中主要作为髋臼部件。此外,在组织支ㄨ架、输血泵、包装№袋等方面也有应用。UHMWPE应用于组织支架材料,目前已经开发成为神经、颅骨及人耳的支架材料。UHMWPE多孔材料已经成为人工骨组织工程支架及基因生长载体的重要材料。
                2.4.3UHMWPE体育用品UHMWPE的低摩擦系数相当于冰与冰之间的摩擦,是轮滑运动场、摩托快艇底板、滑雪板的理想随着UHMWPE加工技术的不断发展,特别是管材、板材、纤维、薄膜加工技术的产业化,作为一种新型工程热塑性塑料,UHMWPE的应用有着无限美好的前景。超高分子量聚乙烯制品系列及工程应用实例莱钢集团山东东方管业有限公司于20世纪90年代开始研制』生产超高分子量聚乙烯制品,在国内最早实现了单螺杆挤出成型超高分子量聚乙烯管材,经过近十年的发展和技术创新,工艺更加完善,生产规模和能力不断提高,现在拥有各种规格的超高分子量聚乙烯管材、板材、复合管材、异形件等系列产品百余种规格,与国内400多家厂矿企业建立了良好的合作关系。             
                             
                 3.1UHMWPE复合管材在淄博华联矿业∏的应用淄博华联矿业有限公司是一座以铁矿石开采和生产铁精粉为主的大型冶金矿山企业,现有职工1100多人,年采剥总量为300万t,年产铁精粉40万t,矿石性质复杂,尾矿输送浓度大约为15%-20%,垂直高度80米左右。该公司原尾矿输送工艺落后,设备陈旧,管道用量大,磨损严重,维修成本高,能耗高,维护麻烦。针对这一实际情况,对选矿厂尾矿系统进行了改造。选用了莱钢集团山东东方管业公司生产的超高分子量聚乙烯复合管道,利用了该管的耐磨性、自润滑性、优良的耐环境应力开裂性、承压能力高等特性。其中Ф273×6复合管2条,长370米,Ф325×6复合管3条,长370米。采用的水泵型号为200D43×3,设计扬程129米,输送矿浆量为280立方米/小时,使用一座160KW的电机,全年流量4677120立方米,使用后,成功解决了尾矿输送过程中磨损、腐蚀、堵矿等问题。提高了尾矿输送效率,降低了电耗,降低了维修成本,充分体现了超高分子量聚乙烯复合管节能、环保、高效的优越性。3.2UHMWPE管材在河南省栾川县三强钼钨有限公司的应用河南省栾川县三强钼钨有限公司3300t/日选矿厂,经考察论证,选用莱钢集团山东东方管业公司生产的Ф219mm超高分子量聚乙烯复合管线2600m。配套排沙泵选用沈阳市三环浆体研究所LSG280-25型水隔离矿砂泵三台,每小时排沙量280立方米,管线工作压力4Mpa,输送浆体扬程121m。水隔离矿砂泵配套水泵型号MD280-43×4,扬程172m。此工程所用超高分子量聚乙烯复合管材总投资60万元。如果采用普通钢管按现在价格计算总投资40万元。超高分子量聚乙烯复合管道使用寿命按20年计算,普通钢管需要更换5次,不考虑时间因素采用静态投资计算,总投资164万元。比较2中管线,采用超过分子量聚乙烯产生经济效益为104万元。3.3UHMWPE管材在莱钢集团鲁南矿业的应用
                鲁南矿业选矿主厂房的尾矿经浓缩池浓缩后由1#泵站ξ 输送至2#泵站,输送至2#泵站的尾矿先进入多梯度磁选机分选出中矿后,剩余部分自流至改建的泵站。经水隔离矿浆泵和超高分子量聚乙烯复合管道一次输送至尾矿坝。考虑到改造后输送压力较大(1.75 MPa),输送距离较长,管路压力损失较大,经比较后管道采』用超高分子量聚乙烯管为内衬管的钢塑复合管(以下简称复合管),该管道具有磨擦阻力小、耐磨损、耐冲击等优点。
                     具体方案如下:(1)保留1#泵站(因选中矿需要)的全部设备。利用旧厂房改建1座泵站,采用2组水隔离矿浆泵,1台工作,1台备用,1次将尾矿输送至尾矿坝。(2)新泵站的尾矿管道由原来273mm的铸铁管3条改为2条377 mm复合管,与2组水隔离矿浆泵形成两个独立的尾矿输送系统,1条工作,条备用。尾矿浓度20%,尾矿密度2.95 t/m3,输送干矿量91t/h,输送矿浆量360·6 m3/h,输送距离3km,垂直输送高度78 m。经计算后设计输送扬程150m,选用350 kW清水泵作动力源。采用超过分子量聚乙烯复合管材后,根据实际使用情况,经济效益分析如下:(1)节电。原有尾矿系统所需泵站总装机功率为815.1 kW,运行开动功率为652·5 kW;改造后采用2台水≡隔离矿浆泵,装机功率为621kW,运行功率为307.5 kW。电费按0·5元/度计,节电为[0.5×(652.5-307.5)×330×24×0·8]/10 000=109.3万元。(2)节人工。去掉多余泵站后,节省操作工人12个,每人每年按1·8万元计,节省人工费21.6万元。使用超过分子量聚乙烯复合管道比使用铸石管材产生效益为130.9万元。结论:多年来的生产实践以及工程应用证明,超高分子量聚乙烯是一种具有优异性能的高分子▲材料,随着对该材料的不断研究和探索,超高分子量聚乙烯具有更加广阔的应用前景。




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