新型高分子耐磨材料在旋片真空泵上的应用

1、 但是，旋片真空泵由于简单的构造和简单的工作原理，使得它依靠旋片与泵体内壁的刚性接触来保持密闭，即真空度。由于工作时旋片与泵体内壁的接触和摩擦，使得旋片的寿命受到了不断磨损的考验。目前市场上常用的旋片真空泵的旋片一般采用以石墨为主的材料制成；泵体内壁或与泵体材料一致，采用铸铁制成，或镶嵌钢制内套。因此，旋片真空泵的旋片和泵体内壁的材料应用是保证其工作可靠性和寿命的关键。二、新型高分子耐磨材料1、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE ）超高分子量聚乙烯（UHMW-PE ）是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。世界上最早由美国Allied Chemical 公司于1957年实现工业化，此后

2、德国Hoechst 公司、美国Hercules 公司、日本三井石油化学公司等也投入工业化生产。UHMW-PE 综合了大部分塑料的优越性能，耐冲击、耐低温、耐磨损、耐化学腐蚀、自身润滑、吸收冲击能，这六个特性是目前塑料中所具有的最高数值，近年来这种新型材料在欧美国家得到广泛使用，需求量越来越大，国外有人称其为“神奇的塑料”。我国于上世纪六十年代中期开始研究与应用UHMW-PE 材料，在2011年中科院宁波材料所超高分子量聚乙烯纤维材料的研制工作取得突破性进展。此前，虽然我国打破了荷兰、美国和日本对UHMW-PE 纤维材料生产的垄断，但国产纤维材料的性能与国际先进水平还有明显差距。所以，面对即将到

3、来的大批量市场应用，急需开展纤维制备生产工艺的深入系统研究，提升国产纤维材料的性能，从而为国产UHMPE 纤维材料生产提供系统性的技术支撑。同时，UHMW-PE 的研究、生产、应用也是我国“九五”计划优先发展的高新技术产业化重点领域指南的重点推广项目。UHMW-PE 的特点：极好的耐磨性，良好的耐低温冲击性、自润滑性、无毒、耐水、耐化学药品性，耐热性优于一般PE 。UHMW-PE 的用途：可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料用于纺织、造纸、食品机械、运 输、医疗、煤矿、化工等部门 。如纺织工业上技梭器、打梭棒、齿轮、联结 、扫花杆、缓冲块、偏心块、杆轴套、摆动后果等耐冲击磨损零件。造纸工业上做箱盖

4、板、刮水板、压密部件、接头、传动机械的密封轴杆、偏导轮、刮刀、过滤器等；运输工业上做粉状材料的料斗、料仓、滑槽的衬里。UHMW-PE 可做各种机械的零部件，包括食品机械的齿轮、蜗轮、蜗杆、轴承。化工中做泵、阀门、档板、滤板。医疗上，还可用于心脏瓣膜、短形外科零件，人工关节及节育植入体。体育上做滑冰地板、滚地球道、滑雪板、机动雪橇零件。UHMW- PE可以做高模量纤维，用以制造防弹衣、飞机座椅、海运、渔业用绳索等。UHMW-PE 的生产原材料是现有聚合物中最好的。UHMW-PE 材料的应用帮助生产商节省了由于设备检修以及待料造成的停工，改良了设备运行，减少了润滑油的需量，并且取代了相应的钢铁等金

5、属部件，从而节省了运行成本。其安全可靠、快捷方便、无需防腐、省工省力，充分体现出使用超高分子量聚乙烯产品“节能、环保、经济、高效”的优越性。因此，UHMW-PE 材料的应用给现代工业带来更好的经济效益和社会效益。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE ）的性能：1）高耐磨性在目前所有的工程塑料中UHMW-PE 的耐磨性居塑料之冠，最引人注目。分子量越高材料就越耐磨，甚至超过许多金属材料（如碳钢、不锈钢、青铜等）。例如UHMW-PE 管，在强腐蚀和高磨损条件下使用寿命是钢管的4-6倍，而且提高输送效率20。充分展现了 节能、环保、经济、高效 的优越性。与其它材料耐磨性（磨耗指数）比较：UHMW-PE

6、为1.0；PA66为2.0；45#钢为6.0；黄铜为10.0。2）抗冲击性UHMW-PE 冲击强度为130kJ/m，抗冲击性居塑料之首，无论是外力强冲击，还是内部压力波动，都难以使其开裂。其冲击强度是尼龙66的10倍，聚氯乙烯的20倍，聚四氟乙烯的8倍；特别是在低温环境，其冲击强度反而达到最高值，其柔韧性能为输送系统提供了极为安全可靠的保障。3）极低的摩擦系数UHMW-PE 静摩擦系数为0.050.11，自润滑性良好，自润滑性能相当于聚四氟乙烯，价格只有其1/7，它的高光滑度降低了热摩擦带来的损伤，在应用中无需润滑油、维护更简便、设备的操作更加平稳低噪音，因而从实质上减少了在钢材应用中不可避免

7、的损耗，是一种理想的轴承、轴套、滑块、衬里材料。选用UHMW-PE 作为设备的摩擦部件，除可提高耐磨寿命外，还可收到节能效果。4）耐腐蚀性UHMW-PE 在碱液中不受腐蚀，可以在80的浓盐酸中应用，在75的浓硫酸、20的硝酸中性能稳定，它对海水、液体洗涤剂也很稳定。5）抗老化性UHMW-PE 性能稳定，抗老化性好，地面、地下埋没均可，50年不老化。按ASTM 方法测定（负荷4.6/cm2），热变形温度为85，使用温度可达90，特殊情况下，允许在更高的温度下使用。它的耐低温性能非常优异，在-269低温下，仍具有一定的延展性，和良好的冲击强度，而没有脆裂迹象。6）电绝缘性能UHMW-PE 体积电阻

8、大，击穿电压达50KV/mm，介电常数为2.3。在较宽的温度及频率范围内不会发生降解，适宜用作电气工程的结构材料。7）卫生无毒、无味无粘附性UHMW-PE 无味、无毒、无臭，本身无腐蚀性，具有生理惰性和生理适应性。美国食品与药品管理局（FDA ）和美国农业部（USDA ）允许它用于与食品和药品接触的场合。8）安装方便用UHMW-PE 做输送管道，无需防腐和其它建筑保护措施便可直埋地下，土壤腐蚀、外力冲击和地壳变形都难以破坏它。纳米超高管道焊接快捷、简便，可直接弯曲铺设，耐候性好又便于存放，大幅度减少了安装过程中人力、物力的消耗，降低了工程造价。9）零水吸收性能因为UHMW-PE 的水吸收指标几

9、乎为零（饱和吸水率：0.01%），因此在水中应用的时候不会发生尺寸变化。另外，UHMW-PE 无气孔而且不有机塑料添加剂，这些有效地防止了细菌的滋生。10）比重轻、易加工、可着色，降音隔噪UHMW-PE 比重只有0.94，比水还要轻，而且只相当于钢的七分之一。从成本来看，每立方英寸的UHMW-PE 只是钢的三分之一。所有这些，再加上长期维护费用的降低，都使得UHMW-PE 更加经济实用。它更加易于加工因而更便宜，它的加工包括可打磨、可钻孔、可锯割等等，适用于很多用途。但是，UHMW-PE 不能接触汽油，因为汽油是聚乙烯等高分子材料的良溶剂，长时间接触，可能使超高分子聚乙烯材料发生溶胀，导致制品

10、强度等大幅下降，最终不能正常使用。因此，UHMW-PE 材料在石油石化行业的应用收到了限制，特别是在油泵或油气泵设备制造行业更是无法涉足。2、聚醚醚酮（PEEK ）聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone，简称 PEEK ）是由4，4-二氟二苯甲酮与对苯二酚在碱金属碳酸盐存在下，以二苯砜作溶剂进行缩合反应制得的一种新型半晶态芳香族热塑性工程塑料。PEEK 属于耐高温热塑性塑料，具有较高的玻璃化转变温度（143）和熔点（334），负载热变型温度高达316（30%玻璃纤维或碳纤维增强牌号），可在250下长期使用，与其他耐高温塑料如PI 、PPS 、PTFE 、PPO 等相比，使用温度

11、上限高出近50；PEEK 材料不仅耐热性比其他耐高温塑料优异，而且具有高强度、高模量、高断裂韧性以及优良的尺寸稳定性；PEEK 材料在高温下能保持较高的强度，它在200时的弯曲强度达24MPa 左右，在250下弯曲强度和压缩强度仍有1213MPa ；PEEK 树脂的刚性较大，尺寸稳定性较好，线胀系数较小，非常接近于金属铝材料；具有优异的耐化学药品性，在通常的化学药品中，只有浓硫酸能溶解或者破坏它，它的耐腐蚀性与镍钢相近，同时其自身具有阻燃性，在火焰条件下释放烟和有毒气体少，抗辐射能力强；PEEK 材料的韧性好，对交变应力的优良耐疲劳性是所有塑料中最出众的，可与合金材料媲美；PEEK 材料具有突

12、出的摩擦学特性，耐滑动磨损和微动磨损性能优异，尤其是能在250下保持高的耐磨性和低的摩擦系数；PEEK 材料易于挤出和注射成型，加工性能优异，成型效率较高。此外，PEEK 材料还具有自润滑性好、易加工、绝缘性稳定、耐水解等优异性能，使得其在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域具有广泛的应用，开发利用前景十分广阔。综上所述， PEEK 是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势，耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性能。PEEK 材料最早在航空航天领域获得应用，替代铝和其他金属材料制造各种飞机零部件。汽车工业中由于PEEK

13、材料具有良好的耐摩擦性能和机械性能，作为制造发动机内罩的原材料，用其制造的轴承、垫片、密封件、离合器齿环等各种零部件在汽车的传动、刹车和空调系统中被广泛采用。PEEK 材料是理想的电绝缘体，在高温、高压和高湿度等恶劣的工作条件下，仍能保持良好的电绝缘性能，因此电子信息领域逐渐成为PEEK 材料第二大应用领域，制造输送超纯水的管道、阀门和泵，在半导体工业中，常用来制造晶圆承载器、电子绝缘膜片以及各种连接器件。作为一种半结晶的工程塑料，PEEK 材料不溶于浓硫酸外的几乎所有溶剂，因而常用来制作压缩机阀片、活塞环、密封件和各种化工用泵体、阀门部件。PEEK 材料还可在134下经受多达3000次的循环

14、高压灭菌，这一特性使其可用于生产灭菌要求高、需反复使用的手术和牙科设备。PEEK 材料不仅具有质量轻、无毒、耐腐蚀等优点，还是目前与人体骨骼最接近的材料，可与肌体有机结合，所以用PEEK 材料代替金属制造人体骨骼是其在医疗领域的又一重要应用。PEEK 材料是20世纪70ICI 公司开发的。PEEK 自问世以来，一直被作为一种重要的战略性国防军工材料，许多国家均限制出口。针对到国内的真空泵、油泵和油气泵设备制造行业，PEEK 材料可成新一代的非金属耐磨材料，以替代当前的石墨和层压材料，并显示出如下性能：1）优异的耐磨性能，有效提高设备运行的可靠性和工作寿命；2）优良的耐冲击性能，设备安全性高，不

15、会发生部件断裂等异常现象；3）良好的加工性和尺寸稳定性，制造尺寸精度易于控制，提高设备的真空度。PEEK 材料制造主要的部件包括：真空泵和气动工具旋片或叶片，泵体轴套和止推垫块等。目前国际上知名的真空泵设备制造商都在应用这些材料。三、新型高分子耐磨材料在旋片真空泵上的应用目前，国内市场上使用的旋片真空泵的旋片大部分采用的是传统的石墨材料，由于石墨材料的特性，因而导致了采用石墨材料的旋片真空泵的故障率较高、维护频繁且工作寿命较短。因此，UHMW-PE 、PEEK 等新一代的非金属耐磨材料的出现，将成为制造旋片真空泵关键部件的替代材料。现在国内有多家专门从事UHMW-PE 、PEEK 等新型高分子

16、耐磨材料部件和涂料研究、成产、加工的企业，产品技术、加工工艺、成品质量均已达到国际水平。从成本上分析，以PEEK 材料为例，市场上PEEK 原材料的价格约为600元/Kg，石墨材料的价格约为60元/Kg；PEEK 材料的比重约为1.30g/cm，石墨材料的比重约为2.10g/cm。因此，综合体积因素，PEEK 材料价格约是石墨材料的五倍。但在实际应用时，PEEK 材料多数情况是与石墨材料等材料混合加工后使用，或制成涂料使用。对于旋片真空泵的工作摩擦部件和部位，如旋片和泵体内壁，可以采用PEEK 等新型高分子耐磨材料加工制造或表面涂覆处理。例如，旋片用PEEK 材料一次塑造成型，泵体内壁可以用PEEK 材料一次塑造成型的壁套与泵体镶嵌而成；或用30%以上的石墨材料及其他相关材料混合PEEK 材料制成旋片部件，并在旋片部件表面涂覆 PEEK 材料镀层，而泵体内壁可以在原金属（如铝合金、钢、 铸铁等）表面上涂覆 PEEK 材料镀层。对于一些运行要求严格的场合，可以采用经碳