超高分子量聚乙烯及其在洗煤行業中的應用
摘要 本文介紹了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的定義，主要特性，測定方法及測試標準，提出了柔性耐磨機理的概念并對其進行了形象、詳細的描述，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在洗煤行業的應用需求做出了肯定，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品研制開發作簡略的介紹。
關鍵詞 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）是一種性能的高分子材料。它的性能尤其以抗磨損性居于以柔性抗磨機理為主（柔性抗磨機理將在下文中詳述）的有機抗磨材料。
洗煤行業是一個處處有磨損、時時有磨損的環境，整個洗煤系統就處在一個與磨損要效益的環境之中。無論是跳汰還是重介，磨損與腐蝕都是影響整個系統正常運轉的主要矛盾。因此，設備及零件選用抗磨損、耐腐蝕材料制作就成為本行業一個永恒的課題。
二、關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。科學地講，在國際標準ISO-11542節中，將測試條件為溫度：190℃、壓力：21.6 kg/cm2時所得熔融指數（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準
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的基本化學單位是—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，也不能用熔流指數測量超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的分子量。現在，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力測量法；并有三種不同的測試標準廣為世界各地所接受并采用。上述兩種方法、三種不同的計算標準及測定結果見下表。

不同計算標準的結果

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，即使加熱到它的晶態熔融點時它也不呈液態，而這種不流動性是由于其超長的單分子鏈的高度纏結。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，但下點小功夫還是能夠將它們分開的；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 的抗沖擊強度、抗斷裂性；
③ 極優良的化學穩定性及低粘著性；
④ 的超低溫特性；
⑤ 極低的摩擦系數；
⑥ 優良的自潤滑性；
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，現在在實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。在洗煤行業中重視的是前者——它的超常抗磨損特性。
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的比重不同使雜質從煤中分離出來，以提高制成品的質量。在洗煤的整個過程中，無論是原煤準備與輸送介質的準備及輸送、洗選、分離等等各個環節，都存在著大量的、長期的對設備、零部件的磨損問題，而且這個磨損問題是洗煤企業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）具有的抗磨損特性，它的抗磨損是一種特殊的抗磨損，其耐磨機理暫且稱之為柔性耐磨機理。
耐磨材料按照耐磨機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：
將被測件與極細的砂粒放在水中，通過攪拌、旋轉等方法讓被測件與砂粒充分地動態接觸，互相碰撞、摩擦，經過一定時間后將被測件取出，稱量被測件的質量損失量，并求出損失量與被測件原質量的比，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，而是靠它內在的柔韌性。準確地說應該是其韌性。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，結果很明顯超高分子量聚乙烯（UHMWPE）板被磨掉了，鋼塊看來毫發無傷。這就使我們得出的一個結論，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）經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理呢？前邊講到了，柔性耐磨是靠物體的韌性。回到檢測實驗環境中，被測件在與沙粒的互相碰撞、摩擦時，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、摩擦時先碰到這些絨毛而很少再與被測件的本體發生碰撞、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非常之多，使得其產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（接近于零）極低，熔點高（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、彎曲強度和蠕變性能較差、抗磨粒磨損能力差、強度低等缺點，影響了其使用效果和應用范圍。這些缺點是由于UHMWPE的分子結構和分子聚集形態造成的，為了克服UHMWPE的這些缺陷、彌補這些不足、使其能夠在條件要求較高的某些場所得到應用；需要對其進行改性。
常用的改性方法有共混改性、填料共混復合改性、聚合物填充改性及交聯改性。改性的目的是在不影響主要性能的基礎上提高其熔體流動性，或針對UHMWPE自身性能的缺陷進行復合改性，如改進熔體流動性、耐熱性、抗靜電性、導電性、阻燃性、提高強度、提高耐磨性、提高耐溫性、增加流動性、降低或增大摩擦系數及表面硬度等。國內外研究人員在這些方面進行了大量的研究工作。
共混改性是改善UHMWPE的熔體流動性、和的途徑。對UHMWPE進入共混改性通常是添加一種或幾種能使UHMWPE相互纏結的分子鏈部分解開的物質，從而降低其熔體粘度，改善加工性能。常用的物質有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。
填料共混復合改性是采用填料對UHMWPE進行填料共混復合，改性的目的是改善UHMWPE的蠕變性、彎曲強度、剛度、硬度、熱撓曲、熱變形溫度和尺寸穩定性等。一般情況下，在UHMWPE中填料的填充量不得超過30%，經偶聯劑處理的填料填充量可達50%-75%，其改善程度取決于填料的性質，并和填充量、填料的形態、粒度及其分布以及聚合物的分子量有關。采用玻璃微珠、玻璃纖維、云母、、二氧化硅、三氧化二鋁、炭黑等對UHMWPE進行填充改性，可使表面硬度、剛度、蠕變性、彎曲強度、耐溫性得以較好的改善。用偶聯劑處理后，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，最后得到具有性能的復合材料。該方法克服了傳統機械共混方法制造UHMWPE復合材料的困難，特別適合制備UHMWPE復合材料，與填料共混材料相比，由聚合填充工藝制備的UHMWPE復合材料中，填料粒子分散良好，且粒子與聚合物基體的界面結合也較好。這就使得復合材料的拉伸強度、抗擊強度與UHMWPE相差不大，卻遠遠好于共混型材料，由其是在高填充情況下，對比更加明顯，復合材料的硬度、彎曲強度，尤其是彎曲強度比純UHMWPE提高許多，但其制備成本比填料共混復合改性大大提高。
交聯改性是為了改善UHMWPE形態的穩定性、蠕變性能及環境應力開裂性，通過交聯使UHMWPE得潔凈度下降，而重新體現其韌性。交聯分為輻射交聯、化學交聯和偶聯劑交聯。輻射交聯就是在用電子射線線或γ射線直接對UHMWPE制品進行照射，使分子結構的一部分主鏈或側鏈被切斷，從而產生一定數量的游離基，這些游離基彼此結合發生交聯，形成網狀結構。輻射交聯可改善UHMWPE的蠕變性、浸油性和硬度等。化學交聯是在UHMWPE中加入適量的過氧化物，在熔融過程中分子發生交聯，如分子量為2×106的UHMW-PE加入適量的交聯劑后，其耐磨性相當于分子量為2×106的UHMWPE。化學交聯也是改善UHMW-PE耐熱性的主要途徑，只是交聯劑的用量要適量，否則會因交聯點過密，兩交聯點間的網鏈較短，易造成應力集中，材料收到沖擊時易斷裂。偶聯劑交聯常采用乙烯基硅氧烷和丙烯基硅氧烷作偶聯劑，在過氧化物作引發劑，有機錫衍生物做催化劑下進行硅烷交聯。如采用過氧化二異丙苯作UHMWPE的改性劑，當用量小于1%時，可使UHMWPE沖擊強度提高15%-2%。
目前超高分子量聚乙烯的改選哪個應用主要集中在共混改性和填料共混復合改性方面，對于聚合填充改性和交聯改性依然有待進一步研究。
六、江蘇中江與超高分子量聚乙烯（UHMWPE）
自1992年開始，公司開展了超高分子量聚乙烯的螺桿擠出成型加工技術的研究和開發，在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）及其相關的領域進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用領域研究方面取得了多項成果，積累了豐富的理論和實踐經驗，在國內工程塑料行業享有較高聲譽，其對超高分子量聚乙烯材料的研究與開發，在國內處于水平。本公司的生產設備經過多次的技術攻關，先后改造完成了超高分子量聚乙烯管材、板材及棒材生產線，同時采用*的擠出工藝，成功的開發了超高分子量聚乙烯管材、板材、棒材，且均已實現了工業化生產，成功用于沖灰系統防垢管道、固液混合體輸送耐磨管道、原煤倉襯板、煤礦井下溜媒板、皮帶機托輥、列車渡板及多種耐磨異型件等，并為許多出口產品配套超高分子量聚乙烯耐磨件，成為家大規模生產不改性超高分子量聚乙烯擠出制品的企業。
七、超高分子量聚乙烯在煤礦的應用
隨著科學技術的發展，人們已成功地開發出許多超高分子量聚乙烯的產品，就國內情況看，超高分子量聚乙烯主要應用于煤礦，約占消費總量的50%。制品多為共混改性制品，由于它的耐磨耗、耐腐蝕、耐沖擊等性能在現有的材料中，它不僅能延長成品的使用壽命，又提高了工作效率和經濟效益。
超高分子量聚乙烯在煤礦上的應用研究起步較晚，最初的應用面較窄，品種單一，但目前已經有了較大的發展。近幾年有10余種超高分子量聚乙烯制品在煤礦生產中得到推廣應用，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異特點，除了具有耐磨、耐腐蝕、摩擦系數小、耐低溫等性能上的優異外還具有成本低的優點。
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或轉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現象。
電機車的軸瓦多為鋼質材料，其成本高、耐磨性差、摩擦阻力大、對軸的磨損嚴重。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小、壽命長（約為銅的2-3倍）而得到應用。
以前鋼絲繩牽引輸送機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；壓濾機濾板；噴漿機摩擦片；洗煤廠中大量使用的篩板等等。
八、結束語
由于超高分子量聚乙烯材料具有*的性能，在國民經濟的領域具有的優勢。超高分子量聚乙烯制品在煤礦中的應用必將產生巨大的經濟效益和社會效益。但UHMWPE是一種新型的工程塑料，雖然在煤礦中應用了10多年，但由于人們對它的認識不夠，應用領域有待進一步拓寬，實踐過程中將會充分顯示該材料在高耐磨性、摩擦因數小、耐沖擊、成本低、工藝性能等方面的優勢。同時研究人員在針對其不足之處進行改性的過程中，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品的開發和研制，相信這種新材料越來越顯示其旺盛的生命力。