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1、矿用防水防尘及低阻聚乙烯托辊材料改性及结构工艺设计（煤矿用防水、防尘且保持低阻性能的阻燃和抗静电改性UHMW-PE托辊材料及结构研究与设计）雨润华科技开发公司 明昭 武天佑 华北科技学院 周世宁 尚先化工大学 薛平异强塑料制品公司 荣摘要 为提高带式输送机，特别是煤矿井下用带式输送机托辊的运行安全可靠 性及经济性，按照煤矿用托辊技术条件，研制了阻燃和抗静电改性超高分子 量聚乙烯（UHMW-PE）管体，创新设计具备防水、防尘且可保持低阻性能的托辊 密封结构以及简洁、精准的托辊装配与生产工艺。关键词 阻燃抗静电；复合改性；超高分子量；聚乙烯；防水防尘及低阻性能； 矿用托辊；装配工艺目前，煤矿井下用
2、带式输送机托辊普遍存在如下技术缺陷：管体不能适应煤 矿井下粉尘、淋水、腐蚀、物料粘附等恶劣运行环境，托辊密封不能显著阻隔粉 尘、淋水、浸水及腐蚀物对轴承和润滑脂的侵害，托辊的装配生产工艺因精准性 不足导致托辊的径向跳动、轴向窜动量及旋转阻力较大等。上述技术缺陷显著地 影响了托辊的寿命及运行维护周期，降低了托辊运行的安全可靠性和经济性能， 进而降低了煤矿井下用带式输送机运行的安全可靠性和经济性。因此，带式输送 机托辊应在材料、设计和生产等多方面进行理论研究和工艺设计技术开发。在总结分析国外带式输送机托辊材料改性研发、结构设计和装配生产工艺的 基础上，按照煤矿用托辊技术条件要求，以提高煤矿井下用带
3、式输送机托辊 运行安全可靠和经济性，研制开发了符合的阻燃和抗静电改性 UHMW-PE 管体， 创新设计了具备防水、防尘且可保持低阻性能的托辊密封结构，改进形成了简洁、 精准的托辊装配与生产工艺。1UHMW-PE 复合改性混配工艺及其管材单螺杆连续挤出生产工艺研究UHMW-PE 通常指粘均分子量在 150万以上的线性结构聚乙烯（普通聚乙烯 的分子量仅230万），是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料， 具有普通塑料和其它工程塑料所无可比拟的耐冲击、耐磨损、自润滑、耐化学腐 蚀、卫生无毒、不粘附、不易吸水、密度小、低摩擦系数等综合优异性能，其中 耐磨性、耐冲击性、自润滑性、耐化学腐蚀性及
4、冲击能吸收性等五项特性为现有 塑料之最，但因其阻燃性能差（极限氧指数（LOI）只有17.5,氧指数小于21的 聚烯烃属于易燃塑料）、体积电阻率非常高（1x10171x10180 cm）,虽然具有 优异的综合性能，却不能符合煤矿用材料阻燃和抗静电等强制安全技术指标的要 求；此外,由于其熔融粘度极高,导致其规模化成型加工困难,因而,需对其进 行阻燃、抗静电和易加工复合改性,才能实现其符合煤矿用材料安全技术指标要 求,并实现规模化加工生产。采用无卤阻燃抗静电改性方法进彳丁了 UHMW-PE的阻燃、抗静电及易加工复 合改性。1.1 阻燃所采用的阻燃剂有别于有卤阻燃剂和传统的无卤膨胀型阻燃剂,而采用纳
5、米阻燃剂协助磷系和硅氧系阻燃剂阻燃,纳米粒子可充分分散在碳化层中起着骨 架的作用,使生成的碳化层具有较好的刚性与强度,对新生碳中孔洞的裂缝起封 闭的作用,减少碳层裂纹和沟槽,提高碳层的质量,并解决了有卤阻燃和传统的无卤阻燃膨胀型阻燃剂与高熔体粘度的UHMW-PE基体不相容及在挤出成型过程中容易析出聚集在管材表面而堵塞挤出口模的问题。纳米阻燃剂在以下三个方面具有不同于普通阻燃剂的特殊的阻燃性能。一 是多相抑制作用，即随着粒径的减小，比表面积的增大，阻燃颗粒与外界的接触 面积增加，为反应区产生的自由基提供了更多进行复合的场所，有效地减少了自 由基，达到了抑制链反应的目的。二是均相抑制作用，是指充分
6、分散的纳米阻燃 剂在火焰中均匀分解、气化、产生游离基，进入气相，在短时间与燃烧物产生的 游离基充分作用而终止反应链。三是灭火机理，由于纳米颗粒较普通尺寸颗粒低， 可在火灾初期吸收大量的热能使燃烧反应链不能持续下去而灭火。1.2 抗静电抗静电剂只能使 UHMW-PE 的表面电阻略有下降，添加大量的无机导电材 料可以使UHMW-PE的表面电阻下降明显，但同时造成材料的可加工性和机械性 能急剧恶化。现采用桥粘剂增容UHMW-PE导电材料体系，使UHMW-PE基体与 导电材料的界面结合牢固，实现了在只添加少量导电材料的情况下，就能在 UHMW-PE基体中形成双导电网络的效果。1.3 相容性研究UHMW
7、-PE的阻燃抗静电改性是一个复杂的物理化学过程，需要阻燃剂、抗 静电剂的共同作用，而阻燃剂和抗静电剂的作用机理不同。因此，在研究 UHMW-PE的阻燃抗静电过程中，需要注意抗静电剂、阻燃剂与UHMW-PE树脂 的相容性。阻燃剂、抗静电剂的作用效果与其在UHMW-PE树脂的相容性有很大 关系，相容性好，则可以起到预期的作用；相容性不好，则相当于在树脂中加入 了杂质，会影响到树脂的其它性能，也起不到预期的阻燃抗静电作用，所以添加 剂必须能长期稳定、均匀地存在于树脂中。对于无机添加剂来说，要求无机物粒 径细小、分散性好，这样才可以与树脂很好地配混；对于有机添加剂，则要求其 有相似的结构，这样才可使添
8、加剂与树脂有较好的相容性，否则在长期的使用过 程中添加剂会从树脂中析出（喷霜或渗出）。阻燃剂、抗静电剂与UHMW-PE树 脂间较好的相容性除了对阻燃抗静电有较好的效果外，还会有较好的耐久性，经 长时间洗涤而不会破坏其阻燃抗静电性能，这对阻燃、抗静电UHMW-PE具有更 积极地意义。1.4 材料配方及性能经过多次材料添配实验，最终选定配方：100 份的超高分子量聚乙烯、5-15 份导电材料、1-5 份聚磷酸铵、0.1-10 份聚硅氧烷、1-10 份纳米阻燃剂、1-10 份聚合物界面桥粘剂、 1-8份分散剂以及0.5-4份抗氧化剂。经反应釜进行混配， 然后将混合物用单螺杆挤出机挤出成型管材。配方中
9、的导电材料选自炭黑、石墨 和铜粉中的一种或一种以上的混合物，聚磷酸铵是晶体结构为II型的聚磷酸铵， 聚硅氧烷选自聚二甲基硅烷、聚甲基苯基硅氧烷和线性硅氧烷-乙炔共聚物的一 种或一种以上的混合物，纳米阻燃剂选自粒径为 10-100纳米的二氧化硅、滑石 粉和氢氧化镁中的一种或一种以上的混合物。UHMW-PE阻燃和抗静电改性前后的主要技术与性能指标为：表1序号指标名称双抗UHMWPE纯UHMWPE测试标准1粘均分子量（1。4）100-200300-500GB/T184119802密度（g/cm3）1.070.94GB/T103319863拉伸屈服强度（M Pa）22.06 （横向）22-25GB/T
10、1040199221.71 （纵向）4拉伸强度（MPa）22.08 （横向）30-35GB/T1040199226.33 （纵向）5拉伸断裂延伸率（）481.95 （横向）350GB/T10401992590.0 （纵向）6悬臂梁冲击强度（KJ/m）20C不断裂不断裂GB/T184319967表面电阻（Q）w6x106 1012MT558.120058阻燃性（s）有焰燃烧时间3s不阻燃MT558.12005无焰燃烧时间3s1.5 改性 UHMW-PE 单螺杆连续挤出生产工艺阻燃、抗静电及复合改性UHMW-PE管材的加工工艺设计为单螺杆连续挤出, 主要是UHMW-PE的复合改性剂中包括了复合流动
11、改性剂，可明显降低其熔体黏 度，提高其流动性，其加工性能明显改善，可满足螺杆挤出加工工艺对材料性能 的要求，此外，螺杆挤出加工工艺还可实现加工过程中对原料的进一步共混，保 证加工出的型材性能指标的稳定，尤其是阻燃、体积电阻率以及几何尺寸、表面 光洁度等关键性指标的稳定，同时，通过系列模具的转换可实现不同类型、不同 规格型材（包括管材、棒材、板材及异型材）的连续挤出，达到规模化、高效率 高成品率等技术生产力转化的要求。改性UHMW-PE单螺杆连续挤出生产工艺主要工序如图1：图1改性UHMW-PE单螺杆连续挤出生产工艺流程1.6改性UHMW-PE管材技术指标经检测（表2），采用此工艺生产的阻燃、抗
12、静电改性UHMW-PE管材符合煤 矿用塑料管材的技术指标要求，可应用于煤矿用带式输送机托辊管体，同时还可 以应用于煤矿给排水管道、复合压力管等，实现了 UHMW-PE在煤矿，特别是煤 矿井下广泛应用的愿望，为煤矿新材料的应用研究与开发提供良好的经验。表2国家安全生产矿用设备检测检验中心测试报告（No:2011035 ）序号测试项目实测值1表面电阻外表面电阻平均值，Q4.3x103表面电阻平均值，Q3.9x1032酒精喷灯燃烧性能有焰燃烧时间平均值，s1.05有焰燃烧时间最大值，s1.11无焰燃烧时间平均值，s0.24无焰燃烧时间最大值，s0.263液压试验（1.71MPa下，保压100h）无渗
13、漏、无破坏以下空白二托辊密封原理及结构优化设计工艺研究2.1 密封结构中关键参数优化选择在直通式密封结构机理进一步研究的基础上，经实验及优化，获得了密封结构（图 2）中关键参数对流量系数的影响：1随着密封结构进出口压比（Pa/Po ）的减小，流量系数Cd开始增加较快， 然后逐渐趋于一个定值；2影响直齿迷宫结构密封效率的参数主要是：齿间相对厚度（T/6）、空腔数N、间隙厚度与空腔宽度之比（6/W ）及空腔深度比（H/W）,影响规律为：1）给定其它条件，流量系数Cd iT/5的变化存在极大值；2）在一定围增加齿数N可以降低泄露量，但超过某一齿数后（ N=6）效果就 不明显了；3）给定结构总长度，存
14、在着使泄露量最小的最佳空腔数或空腔宽度；4）临界流量系数随着6/W的增大而增大；5）过分加深空腔并不能提高迷宫式密封结构的密封性能，空腔深度比 H/W -0.3时，临界流量系数Cd最小，密封效果最好；6）迷宫式密封结构中第一级的密封效率对整个结构的密封总效至关重要； 3.齿形对密封效率有影响：1）齿形背部呈凹面对密封不利；2）曲面不优于平面；3）尖边缘或尖角对密封有利；4）非对称齿形的齿尖朝来流方向前倾明显提高密封效果。4 .梯形齿与斜齿结构密封效率及工艺性能比较好，定常流工况下应优先采用，其中当35B90时，梯形齿倾角愈小，密封效率高，而斜齿的倾斜角45（同时直齿尖朝来流方向前倾 45角）左
15、右时，密封效率最佳；5.迷宫密封中的节流过程和动能耗过程决定了其密封性能，为了提高密封性 能，必须使节流间隙足够小且短（-般为0.2+0.6d/1000mm, d为旋转轴的直径）， 间隙长度（或齿厚）通常小于 0.5mm，以使压力能够充分地转变为速度能，同时， 还要求节流间隙后的空腔足够大（齿间距一般为59mm），以使有足够大的空间 来形成正确的涡流，使动能尽可能多地耗散为热能。2.2 转速对密封性能的影响密封所装配设备转速对密封性能的影响进行了实验分析，获得了以下结论：密封齿装在动部位，设备周转速小于20m/s时，旋转运动对泄露量的影响很 小，可忽略不计；密封齿装在禁止部位，周转速低于70m/s，设备旋转影响可忽 略不计。根据煤矿用托辊技术条件，托辊转速不得高于 660 转/分钟，即周转 速为1.56m/s，因而，托辊旋转对密封结构密封性能的影响可忽略不计。2.3 考虑矿用环境的密封结构优化为保持密封结构简单、加工方便、装配简洁、材料低廉、安全可靠，采用计 算机仿真和试验等手段对通用型迷宫密封结构进行了优化设计：（1）密封结构组件的材料选用具有优异物
