煤矿用防水、防尘且保持低阻性能的阻燃和抗静电改性UHMW

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。1．UHMW-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2~30万），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（1x1017^1x10180•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。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。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。相容性研究UHMW-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。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/T1841—19802密度（g/cm3）1.070.94GB/T1033—19863拉伸屈服强度（MPa）22.06（横向）22-25GB/T1040—199221.71（纵向）4拉伸强度（MPa）22.08（横向）30-35GB/T1040—199226.33（纵向）5拉伸断裂延伸率（％）481.95（横向）350GB/T1040—1992590.0（纵向）6悬臂梁冲击强度（KJ/m）20°C不断裂不断裂GB/T1843—19967表面电阻（Q）w6x106>1012MT558.1—20058阻燃性（s）有焰燃烧时间3s不阻燃MT558.1—2005无焰燃烧时间3s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CdiT/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35°<B<90°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5~9mm），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。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。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理性能的阻燃和抗静电改性UHMW-PE材料；（2） 设计时考虑了煤矿环境中粉尘、矿井水等流体对托辊的侵害。密封齿齿尖设计为450角，增强节流效果；采用双排齿，两齿间距为前齿前腔距和后齿后腔距；密封类型为无接触式，齿间隙选择0.2~0.3mm。（3） 密封组件的加工工艺设计为标准模具注塑成型。- .可修编-4）密封组件的装配工艺设计为托辊轴向定位、组件模块化组装工艺。密封结构经优化后选择结构为：L.齿间距t.齿厚c.齿隙图3密封结构优化示意图考虑浸水的密封结构优化所设计的新型直通式迷宫密封结构，经计算机仿真和样品经标准试验台试验，密封结构对粉尘和淋水具有显著的密封效果，但对浸水密封效果不显著。为此，依据不增加密封组件数量和复杂度，同时，可实现同一密封结构对粉尘、淋水、浸水同时具备显著密封效果，并易于加工生产的原则，对托辊密封结构进行了进一步优化设计，即将密封组件中外密封件添加设计螺杆式向双向螺旋密封（朝向来流方向后螺纹长度略长于前螺纹），在双向螺纹间设置储脂腔并加注防水密封润滑脂的方法。三.托辊简洁、精准装配生产工艺理论研究及工艺设计按照尽可能简化生产工序，降低装配难繁度，提高一次性装配精度度和合格率，提高生产效率及有利于实现产品关键技术指标质量在线检测等思想，创新性地将带式输送机托辊装配设计为托辊零件标准化加工和过盈冷装配生产工艺。⑴．托辊所有零件和部件在总装配前分别采用了有利于其加工简洁性和精准度的模具冲压或模具注塑或标准化生产等加工工艺，其中托辊轴在进入总装配工序前已按照产品设计参数采用模具拉光工艺进行加工，并进行了总装配定位槽加工；密封零件、轴承座按照产品设计参数分别采用模具注塑和冲压工艺制造等，由于托辊零件无需在总装配时进行二次加工或参数修正，为托辊实现简洁、精准装配提供了条件。⑵.依据设计参数，托辊轴在加工中预先加工出托辊总装配时各零件或组件装配的轴向定位槽，轴承座与管体接触面的外边加工直角挡边，轴承座与管体采用液压推送过盈冷连接方法并设定油压，可有效简化托辊总装配时的装配操作工序及降低装配的难繁度。⑶.依据托辊零件材料特性，采用轴承座与管体的过盈冷装配方法，不需焊接，适应了改性UHMW-PE热变形温度（W85°C）低的特性，避免了因焊接造成零件参数失真，同时可有效修正改性UHMW-PE管材直线度和外圆度。⑷.采用轴承座与管体的过盈冷装配方法，有效地增加了轴承座与管体的结合面积与紧固度，可有效纠偏轴承的承载重心，有效降低托辊的径向跳动和轴向窜动量。同时结构上辅以径向卡槽进彳丁轴向定位，有效防止改性UHMW-PE所具有的低摩擦与自润滑性能可能造成的轴承座与管体脱位，提高了托辊承载能力（特别是对于改性UHMW-PE泊松比较高可能导致轴向弯曲，降低承载能力问题）。⑸.托辊过盈冷装配方法，将托辊的装配生产工艺简化为托辊零件或部件按设计参数或模具采用注塑、冲压或标准化加工，零件或部件按照托辊轴轴向定位槽、轴承座定位挡边和液压柱塞设定压力等按标准设计工序模块化装配的简单、简洁加工与装配方法，有效降低了装配生产工序及加工装配操作的难度与繁度，提高了装配精度，提高了生产效率和合格率，同时，可有效降低托辊生产企业设备投资以及对操作工人技术水平的要求。⑹．将托辊生产工序和装配操作方法简化为模具化或标准化托辊零件加工和依据设计定位或定压参数进行零件模块化托辊总装配，在提高托辊生产简洁性、精准性的同时，将托辊的质量检测方法简化为零件几何参数测量与外观完整性检查和总装配零件定位与操作定压的控制，实现了托辊质量的在线检测。四．运行安全可靠性和经济性能评价经国家权威机构检测（表3），采用上述研究理论和工艺设计技术方法转化生产的带式输送机托辊“矿安”检测结果：表3国家安全生产矿用设备检测检验中心检验报告检验项目实测标准结论12345678910径向圆跳动(mm)0.140.260.240.280.270.240.370.20.330.29W0.70(允许2个数据超差)合格轴向窜动(mm)0.160.20.180.20.220.180.240.220.180.2W1.20(允许2个数据超差)合格旋转阻力(N)1.841.072.211.11.021.611.191.621.111.35W3.0(允许2个数据超差)合格跌落强度跌落后轴向位移(mm)0.860.620.821.12W1.20(允许1个数据超差)合格跌落后旋转阻力(N)1.784.134.211.35W4.50(允许1个数据超差)合格轴向载荷(kN)15.4415.4315.4415.4515.4515.4615.4615.4515.4715.48&15.0(允许2个数据超差)合格

表3国家安全生产矿用设备检测检验中心检验报告（续）检验项目实测标准结论56789101112131415161718密封性能浸水密封（g）6090120250W150（允许1个数据超差）合淋水密封（g）4060410150W250（允许1个数据超差）合使用寿命（h）>2000014700>20000>20000>20000>20000>20000（允许1个数据超差）合注：使用寿命检验是综合性能检验，凡进行使用寿命检验的可以不作煤尘密封检验。4.1安全可靠性能评价托辊部件所选用材料及其技术指标均符合国家现行煤矿安全强制技术指标要求；采用了阻燃和抗静电改性UHMW-PE管材，充分利用了UHMW-PE材料的综合优异性能，以及采用低泄露率轴承油封、防水、防尘并保持低阻性能的端密封以及模块化过盈冷装配工艺，显著改善了托辊轴承的运行环境，以及托辊装配的精准度，开发的托辊经生产现场验证，可在一次性加注润滑脂后保持低旋转阻力(W1.5N)、低径向跳动和轴向窜动量及低噪音状态下，运行寿命不低于50000小时，对煤矿井下腐蚀、淋水、粉尘等恶劣运行环境的具有较强的适应能力，有效降低了由于托辊故障导致的电机过载、输送带严重跑偏等安全事故的发生频率，显著提高了带式输送机的维修周期，进而提高了与其配套的带式输送机对恶劣运行环境的适