超高分子量聚乙烯及其在洗煤行业中的应用
摘要 本文介绍了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的定义，主要特性，测定方法及测试标准，提出了柔性耐磨机理的概念并对其进行了形象、详细的描述，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在洗煤行业的应用需求做出了肯定，对超高分子量聚乙烯的改性及耐磨特性的影响机理做了形象的描述，同时对江苏中江聚合物有限公司在超高分子量聚乙烯产品研制开发作简略的介绍。
关键词 超高分子量聚乙烯 磨损 耐磨 柔性耐磨 刚性耐磨 洗煤 改性 挤出
一、简述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种性能独特的高分子材料。它的独特性能尤其以抗磨损性居于以柔性抗磨机理为主（柔性抗磨机理将在下文中详述）的有机抗磨材料之冠。
洗煤行业是一个处处有磨损、时时有磨损的环境，整个洗煤系统就完全处在一个与磨损要效益的环境之中。无论是跳汰还是重介，磨损与腐蚀都是影响整个系统正常运转的主要矛盾。因此，设备及零件选用抗磨损、耐腐蚀材料制作就成为本行业一个永恒的课题。
二、关于超高分子量聚乙烯
1. 什么叫做超高分子量聚乙烯
简言之，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。科学地讲，在国际标准ISO-11542第一节中，将测试条件为温度：190℃、压力：21.6 kg/cm2时所得熔融指数（MFR）小于0.1 g/10 min的聚乙烯被归类为超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。
2. 超高分子量聚乙烯分子量的测定方法及测试标准
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的基本化学单位是—CH2—。因此，一个具有4×106分子量的高分子量聚合物的长分子链就含有285×103个碳原子。然而，由于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的超长分子链，使它不溶于绝大多数的溶剂。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的不溶性，使得尺寸排阻色谱法（SEC）不能应用来测定它的分子量。再者，由于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的熔粘性，也不能用熔流指数测量超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的分子量。现在，对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的分子量特性的测量主要有两个不同方法取得，即稀薄溶液粘度测量法和拉伸应力测量法；并有三种不同的测试标准广为世界各地所接受并采用。上述两种方法、三种不同的计算标准及测定结果见下表。

不同计算标准的结果

3. 超高分子量聚乙烯的特性
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于其熔融粘度极高，即使加热到它的晶态熔融点时它也不呈液态，而这种不流动性是由于其超长的单分子链的高度缠结。通俗的讲就像一堆麻绳，低分子量聚乙烯如聚乙烯腊等就像一万根一米长的麻绳堆缠在一起，很容易分开；普通聚乙烯产品就如同一千根十米长的麻绳堆缠在一起，不太容易分开，但下点小功夫还是能够将它们分开的；而超高分子量聚乙烯（UHMWPE）就像一百根一百米长的麻绳堆缠在一起，即使下很大功夫也很难将它们分开。正因为如此，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）就具有了许多超常的特性。它包括：
① 杰出的抗磨损性（属于柔性抗磨，下文中将详述）；
② 极高的抗冲击强度、抗断裂性；
③ 极优良的化学稳定性及低粘着性；
④ 极强的超低温特性；
⑤ 极低的摩擦系数；
⑥ 优良的自润滑性；
⑦ 不吸水；
⑧ 冲击能量的高吸收率及吸音降噪特性；
以上特性中，现在在实际使用中利用最多的是它杰出的抗磨损特性和高抗冲特性。在洗煤行业中最受重视的是前者——它的超常抗磨损特性。
三、洗煤与磨损
无论是跳汰还是重介洗煤，都是利用煤及其中所含杂质的比重不同使杂质从煤中分离出来，以提高制成品的质量。在洗煤的整个过程中，无论是原煤准备与输送介质的准备及输送、洗选、分离等等各个环节，都存在着大量的、长期的对设备、零部件的磨损问题，而且这个磨损问题是洗煤企业的一个永恒的有待解决的问题。
四、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）与抗磨损
如前述，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有极高的抗磨损特性，它的抗磨损是一种特殊的抗磨损，其耐磨机理暂且称之为柔性耐磨机理。
耐磨材料按照耐磨机理来分可分为两大类，刚性耐磨和柔性耐磨。前者是我们以往比较熟悉的，如铁比木头耐磨它是利用材料的刚性，准确地讲是利用它的硬度。我们知道判断一个物体是否比另一个硬，可以看看哪一个物体在另一个物体表面能够划出痕迹，被划出痕迹的物体就比较软。一般来讲，软的物体耐磨性要比硬的物体的耐磨性要差，这一点我们比较容易理解。这也就是像刀子削苹果皮一样，硬的物体表面的许多可以看出的和一些微观的尖锐锋利的小刀将软的物体表面连割带划地剥离掉了，简单地被称为磨掉了，又把这种磨损形象地称之为切削磨损。
所谓超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的耐磨指的是其柔性耐磨。现在通用的说法叫做水砂耐磨，是从检测方法而得名的，具体方法为：
将被测件与极细的砂粒放在水中，通过搅拌、旋转等方法让被测件与砂粒充分地动态接触，互相碰撞、摩擦，经过一定时间后将被测件取出，称量被测件的质量损失量，并求出损失量与被测件原质量的比，来对比被测件的耐磨程度。
物体的柔性耐磨不是依仗它的硬度，而是靠它内在的柔韧性。准确地说应该是其韧性。而且柔性耐磨又是一种特殊状况下的耐磨，它不像刚性耐磨材料那样在大多数情况下都耐磨：一个简单的试验大家都可以做。用一个超高分子量聚乙烯（UHMWPE）板与一个表面很粗糙的钢板对磨，结果很明显超高分子量聚乙烯（UHMWPE）板被磨掉了，钢块看来毫发无伤。这就使我们得出的一个结论，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）经不住切削磨损的破坏，它的耐磨仅仅是一种柔性耐磨。
那么，柔性耐磨又是一种什么样的机理呢？前边讲到了，柔性耐磨是靠物体的韧性。回到检测实验环境中，被测件在与沙粒的互相碰撞、摩擦时，由于沙粒比被测件的表面硬度高，会在被测件表面划出许许多多的划痕。这些划痕，一部分是被测件凹进去所得（如铜等一些软金属的耐磨主要依靠这种方式）；另一部分是被测件被割去一小块所得。刚性被测件（表面硬度低于沙粒）是被割去形成划痕的部分多；而柔性被测件则是凹进去的部分多。像超高分子量聚乙烯（UHMWPE）这种分子链极长的柔性件即使被割，也没有被割掉，而仅被割出许多小条，这些小条与被测件连在一起，在被侧件表面微观形成许多绒毛状的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）条。这样，沙粒再与被测件互相碰撞、摩擦时先碰到这些绒毛而很少再与被测件的本体发生碰撞、摩擦，只有在绒毛被在割掉之后才能与被测件本体再发生碰撞、摩擦。而像超高分子量聚乙烯（UHMWPE）这种分子链极长的物体由于分子间的无序缠结非常之多，使得其产生出的小绒毛很难被切断，也就更有效地阻止了沙粒于本体的重新碰撞、摩擦，结果就使得它在这种情况下非常地耐磨。
五、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的改性与抗磨损
虽然UHMWPE具有许多有两特性，但也有许多不足，如其熔融指数（接近于零）极低，熔点高（190-210℃），粘度大、流动性差而极难加工成型，另外与其它工程塑料相比，具有表面硬度低和热变形温度低、弯曲强度和蠕变性能较差、抗磨粒磨损能力差、强度低等缺点，影响了其使用效果和应用范围。这些缺点是由于UHMWPE的分子结构和分子聚集形态造成的，为了克服UHMWPE的这些缺陷、弥补这些不足、使其能够在条件要求较高的某些场所得到应用；需要对其进行改性。
常用的改性方法有共混改性、填料共混复合改性、聚合物填充改性及交联改性。改性的目的是在不影响主要性能的基础上提高其熔体流动性，或针对UHMWPE自身性能的缺陷进行复合改性，如改进熔体流动性、耐热性、抗静电性、导电性、阻燃性、提高强度、提高耐磨性、提高耐温性、增加流动性、降低或增大摩擦系数及表面硬度等。国内外研究人员在这些方面进行了大量的研究工作。
共混改性是改善UHMWPE的熔体流动性最有效、最简便和最实用的途径。对UHMWPE进入共混改性通常是添加一种或几种能使UHMWPE相互缠结的分子链部分解开的物质，从而降低其熔体粘度，改善加工性能。常用的物质有HDPE、LDPE、聚乙烯蜡、PP、PA、聚酯、橡胶等聚合物、固体石蜡或石油提取物、硬脂酸盐或酯等。
填料共混复合改性是采用填料对UHMWPE进行填料共混复合，改性的目的是改善UHMWPE的蠕变性、弯曲强度、刚度、硬度、热挠曲、热变形温度和尺寸稳定性等。一般情况下，在UHMWPE中填料的最大填充量不得超过30%，经偶联剂处理的填料填充量可达50%-75%，其改善程度取决于填料的性质，并和填充量、填料的形态、粒度及其分布以及聚合物的分子量有关。采用玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、炭黑等对UHMWPE进行填充改性，可使表面硬度、刚度、蠕变性、弯曲强度、耐温性得以较好的改善。用偶联剂处理后，效果更加明显。
聚合填充改性是一种新型的改性方法，把填料进行处理，使其粒子表面形成活性中心，在聚合过程中让单体在填料粒子表面聚合，形成紧密包裹粒子的树脂，最后得到具有独特性能的复合材料。该方法克服了传统机械共混方法制造UHMWPE复合材料的困难，特别适合制备UHMWPE复合材料，与填料共混材料相比，由聚合填充工艺制备的UHMWPE复合材料中，填料粒子分散良好，且粒子与聚合物基体的界面结合也较好。这就使得复合材料的拉伸强度、抗击强度与UHMWPE相差不大，却远远好于共混型材料，由其是在高填充情况下，对比更加明显，复合材料的硬度、弯曲强度，尤其是弯曲强度比纯UHMWPE提高许多，但其制备成本比填料共混复合改性大大提高。
交联改性是为了改善UHMWPE形态的稳定性、蠕变性能及环境应力开裂性，通过交联使UHMWPE得洁净度下降，而重新体现其韧性。交联分为辐射交联、化学交联和偶联剂交联。辐射交联就是在用电子射线线或γ射线直接对UHMWPE制品进行照射，使分子结构的一部分主链或侧链被切断，从而产生一定数量的游离基，这些游离基彼此结合发生交联，形成网状结构。辐射交联可改善UHMWPE的蠕变性、浸油性和硬度等。化学交联是在UHMWPE中加入适量的过氧化物，在熔融过程中分子发生交联，如分子量为2×106的UHMW-PE加入适量的交联剂后，其耐磨性相当于分子量为2×106的UHMWPE。化学交联也是改善UHMW-PE耐热性的主要途径，只是交联剂的用量要适量，否则会因交联点过密，两交联点间的网链较短，易造成应力集中，材料收到冲击时易断裂。偶联剂交联常采用乙烯基硅氧烷和丙烯基硅氧烷作偶联剂，在过氧化物作引发剂，有机锡衍生物做催化剂下进行硅烷交联。如采用过氧化二异丙苯作UHMWPE的改性剂，当用量小于1%时，可使UHMWPE冲击强度提高15%-2%。
目前超高分子量聚乙烯的改选哪个应用主要集中在共混改性和填料共混复合改性方面，对于聚合填充改性和交联改性依然有待进一步研究。
六、江苏中江与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）
自1992年开始，公司率先开展了超高分子量聚乙烯的螺杆挤出成型加工技术的研究和开发，在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）及其相关的领域进行了多年的研究和探索，并在超高分子量的单螺杆挤出工艺和双螺杆挤出工艺的研究和超高分子量聚乙烯管材板材棒材及其应用领域研究方面取得了多项成果，积累了丰富的理论和实践经验，在国内工程塑料行业享有较高声誉，其对超高分子量聚乙烯材料的研究与开发，在国内处于领先水平。本公司的生产设备经过多次的技术攻关，先后改造完成了超高分子量聚乙烯管材、板材及棒材生产线，同时采用先进的挤出工艺，成功的开发了超高分子量聚乙烯管材、板材、棒材，且均已实现了工业化生产，成功用于冲灰系统防垢管道、固液混合体输送耐磨管道、原煤仓衬板、煤矿井下溜媒板、皮带机托辊、列车渡板及多种耐磨异型件等，并为许多出口产品配套超高分子量聚乙烯耐磨件，成为国内首家大规模生产不改性超高分子量聚乙烯挤出制品的企业。
七、超高分子量聚乙烯在煤矿的应用
随着科学技术的发展，人们已成功地开发出许多超高分子量聚乙烯的产品，就国内情况看，超高分子量聚乙烯主要应用于煤矿，约占消费总量的50%。制品多为共混改性制品，由于它的耐磨耗、耐腐蚀、耐冲击等性能在现有的材料中名列前茅，它不仅能延长成品的使用寿命，又提高了工作效率和经济效益。
超高分子量聚乙烯在煤矿上的应用研究起步较晚，最初的应用面较窄，品种单一，但目前已经有了较大的发展。近几年有10余种超高分子量聚乙烯制品在煤矿生产中得到推广应用，如轴瓦、轴套类、轮类制品、板类、溜槽等制品，在替代铸钢或铸铁、尼龙材料方面显示出其优异特点，除了具有耐磨、耐腐蚀、摩擦系数小、耐低温等性能上的优异外还具有成本低的优点。
过去的地滚一般为铸钢或铸铁制作，由于铸钢硬度大，弹性模量高与钢丝绳接触应力大，致使钢丝绳磨损快，此外地滚中的轴承因工作条件恶劣时常造成卡死不转或转动不灵活而加剧钢丝绳的磨损。采用超高分子量聚乙烯无轴承地滚可以从根本上克服轴承卡死不转现象。
电机车的轴瓦多为钢质材料，其成本高、耐磨性差、摩擦阻力大、对轴的磨损严重。采用超高分子量聚乙烯轴瓦价格便宜，仅为铜的1/6左右，由于其自润滑摩擦系数小、寿命长（约为铜的2-3倍）而得到应用。
以前钢丝绳牵引输送机托绳轮衬多为尼龙轮衬价格较贵、寿命较短，在此尼龙在冬季变脆安装时易造成撕裂现象。由于超高分子量聚乙烯材料耐低温性好而且耐磨性好、寿命是尼龙的2-3倍，可以替代尼龙轮衬。
煤矿用的很多板类材料也可以采用超高分子量聚乙烯材料，如煤仓衬板、箕斗衬板、溜煤道衬板、水平溜煤槽衬板以及特殊情况使用的矿车衬里等平板；压滤机滤板；喷浆机摩擦片；洗煤厂中大量使用的筛板等等。
八、结束语
由于超高分子量聚乙烯材料具有优越的性能，在国民经济的领域具有独特的优势。超高分子量聚乙烯制品在煤矿中的应用必将产生巨大的经济效益和社会效益。但UHMWPE是一种新型的工程塑料，虽然在煤矿中应用了10多年，但由于人们对它的认识不够，应用领域有待进一步拓宽，实践过程中将会充分显示该材料在高耐磨性、摩擦因数小、耐冲击、成本低、工艺性能等方面的优势。同时研究人员在针对其不足之处进行改性的过程中，必将推出更加完善的工艺和配方，随着时间的推移和更多的新产品的开发和研制，相信这种新材料越来越显示其旺盛的生命力。