沈國春，朱海霞，高靜萍，張玉蓉

（揚州賽爾達(dá)尼龍制造有限公司，江蘇 揚州225800）

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聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯的設(shè)計及制造

沈國春，朱海霞，高靜萍，張玉蓉

（揚州賽爾達(dá)尼龍制造有限公司，江蘇 揚州225800）

摘要：聚氨酯是一種重要的合成材料，在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)展，廣泛應(yīng)用于社會的多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中如建筑領(lǐng)域、汽車工業(yè)及新能源等產(chǎn)業(yè)，聚氨酯產(chǎn)品需求日益增多，成為了一種清潔新型能源。聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯就是聚氨酯材料的一種實際應(yīng)用，其設(shè)計與制造是一個化學(xué)實驗過程，技術(shù)含量高，制備出來的物質(zhì)材料具有較高實用性，本文將重點分析聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯的設(shè)計及制造。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；改性尼龍；球磨機(jī)；內(nèi)襯

球磨機(jī)是一種粉碎設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、化工及電子等行業(yè)中，其內(nèi)襯是設(shè)備使用過程中主要消耗的部件，以往高錳鋼材料制造的球磨機(jī)噪音、能耗及磨損都較大，使用聚氨酯高分子材料生產(chǎn)的球磨機(jī)內(nèi)襯則具有噪音小、能耗低及耐磨度高及使用周期長特點，但是其耐溫性能較差，不適合在80℃以上長期使用。鑄型尼龍在具備上述優(yōu)點同時，耐熱性能好，但是脆性較大，因此使用聚氨酯對其進(jìn)行改進(jìn)，增加其韌度。本文將充分使用新型材料聚氨酯改進(jìn)鑄型尼龍，增加其韌度、提高其耐溫性能，使其更好地促進(jìn)汽車工業(yè)、能源業(yè)建設(shè)發(fā)展。

1　聚氨酯材料及產(chǎn)品發(fā)展應(yīng)用分析

聚氨酯是六大合成材料之一，在全球范圍內(nèi)取得了長足發(fā)展，西歐、北美及亞太地區(qū)聚氨酯銷量占全球總量的85%以上，聚氨酯未來發(fā)展主要關(guān)注點是亞太地區(qū)，這些國家綜合實力增強的同時，對聚氨酯需求也逐漸增加［1］。聚氨酯產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域、電子設(shè)備及新能源等產(chǎn)業(yè)中，其中聚氨酯重要的下游市場是建筑領(lǐng)域，這種材料能夠為新建住宅建筑提供保溫作用，也能用于老建筑的翻新改造。聚氨酯產(chǎn)品應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，能有效減輕汽車重量，提高其產(chǎn)品生命周期，聚氨酯未來幾年內(nèi)在全球范圍內(nèi)需求量將會迅猛增長。

2　聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯設(shè)計及制造實驗

2.1主要原料

實驗制備過程中所需主要原料主要是聚四亞甲基醚二醇（PTMG），其由日本三菱化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)；甲苯二異氰酸酯（TDI—100），由日本三井化學(xué)生產(chǎn)；選用南京東方帝斯曼生產(chǎn)的己內(nèi)酰胺；選用天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的氫氧化鈉［1］。前三種原料都是工業(yè)級的，最后一種是分析純。

2.2儀器設(shè)備

選用承德市金建儀器有限公司生產(chǎn)的XJU—5.5型懸臂梁沖擊試驗機(jī)；選用英國Instron公司生產(chǎn)的4465型電子萬能材料試驗機(jī)；選用上海西馬偉力橡塑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的YX-50型平板硫化機(jī)；使用自制的臥式離心成型機(jī)。

2.3制備工藝及方法

2.3.1制備聚氨酯預(yù)聚體

首先要制備聚氨酯預(yù)聚體，將PTMG加入到三口瓶內(nèi)，瓶內(nèi)裝有攪拌器、溫度計，對其加溫直到100℃，然后進(jìn)行30 min的真空脫水，接下來降溫到70℃，并將計量好的TDI加入瓶內(nèi)，讓其在80℃下進(jìn)行2 h保溫反應(yīng)，取樣本對預(yù)聚體NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，然后備用。

2.3.2制備聚氨酯改性尼龍共聚物

將己內(nèi)酰胺稱取好放入三口燒瓶中，在120℃下進(jìn)行加熱脫氣直到產(chǎn)生明顯氣泡后備用；然后將聚氨酯預(yù)聚體加入到部分脫氣后的己內(nèi)酰胺中，使其在100℃下反應(yīng)1 h后備用；將一定量氫氧化鈉加入到另一部分脫氣后己內(nèi)酰胺中，設(shè)置溫度在120℃～130℃，10～15 mmHg柱下進(jìn)行10～15 min的減壓蒸餾，將反應(yīng)生成的水除去然后備用；將上述兩步產(chǎn)物充分混合在130～140℃左右，然后將其迅速地澆鑄在事先預(yù)熱的140℃模具中，在此溫度下維持40 min后進(jìn)行冷卻脫模，這樣就得到了聚氨酯改性尼龍共聚物制品［2］。

2.3.3制備聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯

在球磨機(jī)內(nèi)壁上噴砂、將其上甲苯清洗后涂上底膠，保持在140℃下進(jìn)行充分預(yù)熱，參考2.3.2相關(guān)步驟，進(jìn)行聚氨酯改性尼龍內(nèi)襯澆鑄的制備，制備好后將其澆鑄在充分預(yù)熱的球磨機(jī)襯板模具內(nèi)，并使其在臥式離心成型機(jī)上維持140℃，進(jìn)行40 min的離心成型，然后使其緩慢冷卻到室溫就可以了。

2.3.4測試性能

制備好之后，要對其性能進(jìn)行測試，首先是拉伸性能，其根據(jù)GB/T1040.2-2006塑料中的模塑及擠塑塑料試驗條件測定，懸臂梁沖擊性能根據(jù)GB/T 1843—2008塑料的懸臂梁沖擊強度測定方法測定。

3　結(jié)果及討論

為了使得尼龍具有更好的韌度，可以選用聚醚型聚氨酯預(yù)聚體作增韌劑，這種物質(zhì)具有優(yōu)良的低溫性能、柔順的分子鏈，本次設(shè)計制造選用的聚四亞甲基醚二醇的相對分子質(zhì)量為2000，其合成的聚氨酯預(yù)聚體具有不同的NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)這些事實基礎(chǔ)，可以分析研究預(yù)聚體NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、其不同用量對改性尼龍共聚物產(chǎn)生的力學(xué)性能影響情況。

3.1聚氨酯預(yù)聚體與MC尼龍共聚物拉伸強度關(guān)系

聚氨酯預(yù)聚體與MC尼龍共聚物拉伸強度關(guān)系可以用圖表示出來，具體如圖1所示，由圖1能夠分析出：預(yù)聚體用量變化時，不同NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)聚體改性尼龍共聚物對共聚物拉伸強度產(chǎn)生不同影響，預(yù)聚體用量增加，共聚物的拉伸強度也呈現(xiàn)出下降趨勢，這種趨勢出現(xiàn)原因主要是兩方面的：第一是引入的聚氨酯軟段比澆鑄尼龍的拉伸強度低得多，這會造成共聚物拉伸強度的降低［3］；第二是預(yù)聚體作為增韌劑，合成共聚物過程中也是尼龍長鏈分子的引發(fā)中心，通常預(yù)聚體用量增加，共聚物的分子量會出現(xiàn)下降，這種物質(zhì)分子量的極度下降造成了共聚物拉伸強度的降低。

圖1　聚氨酯預(yù)聚體與改性MC尼龍共聚物拉伸強度關(guān)系

3.2聚氨酯預(yù)聚體與MC尼龍共聚物沖擊強度關(guān)系

聚氨酯預(yù)聚體與MC尼龍共聚物沖擊強度關(guān)系具體如圖2所示，由圖能夠分析出：加入預(yù)聚體能顯著提升共聚物的沖擊強度，其最大值能達(dá)到純尼龍的3～4倍，這表明聚氨酯預(yù)聚體能夠作為澆鑄尼龍的良好增韌改性劑，而且預(yù)聚體用量增加，共聚物沖擊強度先增后降，這進(jìn)一步說明了增韌劑預(yù)聚體在共聚物合成過程中處于尼龍長鏈分子的引發(fā)中心，因此預(yù)聚體用量不斷增加，共聚物的分子量將會逐漸下降，并且當(dāng)其下降到一定程度后，共聚物的各種機(jī)械性能將會開始降低，一直降到不能作為材料使用性能要求。

圖2　聚氨酯預(yù)聚體與MC尼龍共聚物沖擊強度關(guān)系

3.3球磨機(jī)內(nèi)襯材料配方制定

分析3.1及3.2的實驗結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)：加入預(yù)聚體時，不僅能明顯提高共聚物的沖擊強度，同時其拉伸強度也會不斷下降，并且當(dāng)預(yù)聚體用量是共聚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%時，共聚物將具有最大沖擊強度，這種用量狀況下，共聚物拉伸強度也不會下降過多，由此可以將預(yù)聚體用量設(shè)定為共聚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15%，設(shè)置聚氨酯預(yù)聚體的NCO分?jǐn)?shù)為4.0%，以此來增韌澆注尼龍，這種含量的預(yù)聚體具有適中黏度，使用非常方便［4］。

3.4評價聚氨酯改性尼龍內(nèi)襯耐熱性及應(yīng)用

評價時需要使用聚氨酯及聚氨酯改性尼龍材料借助相同模具制作兩個小球磨罐，兩個模型的形狀及尺寸完全相同，將實際工況在實驗室內(nèi)進(jìn)行模仿，將相同質(zhì)量漿體加入到球磨罐內(nèi)，漿體材料質(zhì)量配比是石英砂與水1：1，石英砂粒度在150～250 um之間，采取相同攪拌速度進(jìn)行24 h連續(xù)攪拌，考察其在不同使用溫度下的磨損情況，使用磨損率評定其磨損情況，磨損率計算公式如下：

其中：W是磨損率；△w是磨損前后質(zhì)量差；w是磨損前球磨罐質(zhì)量，100是指擴(kuò)大100倍系數(shù)，根據(jù)計算能得出兩種不同材料磨損情況如圖3所示。

圖3　聚氨酯及聚氨酯改性尼龍球磨罐磨損率比較

從圖3能夠看出：聚氨酯材料制作的球磨罐磨損實驗中，當(dāng)溫度大于60℃之后，磨損率快速上升，聚氨酯改性尼龍材料所制作的球磨罐在60℃內(nèi)時磨損率與聚氨酯制作球磨罐基本上一樣，即使在60℃以上時，磨損率雖然有升高，但是沒有聚氨酯材料的上升明顯，當(dāng)溫度在100℃以下時，其磨損率僅僅是聚氨酯材料的30%左右，由此能夠得出：聚氨酯改性尼龍高溫下耐磨性能顯著好于聚氨酯［5］。按照3.3配方制備好的聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯經(jīng)過實際使用后，得出這樣一個結(jié)果：當(dāng)溫度在80℃以上使用環(huán)境中時，聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯與原來的聚氨酯內(nèi)襯比較，其使用壽命得到了明顯延長，設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)能力及生產(chǎn)效率也有顯著提高，具有非常好的實際使用效果。

4　結(jié)束語

從上述實驗操作及結(jié)果中，能夠得出一些結(jié)論，使用這些結(jié)論能夠為實際生產(chǎn)更好地服務(wù)，得出的具體結(jié)論內(nèi)容如下：第一是將聚氨酯應(yīng)用于改性鑄型尼龍中增韌，具有非常明顯的增韌效果，增韌后尼龍產(chǎn)品沖擊強度提高了3～4倍；第二：鑄型尼龍進(jìn)行增韌時，使用了分子量2000的PTMG合成，并且將預(yù)聚體NCO百分含量設(shè)定成4.0%，這種預(yù)聚體下增韌的鑄型尼龍沖擊強度有了顯著增加，但是其拉伸強度并沒有顯著降低，預(yù)聚體黏度也比較適中，方便使用，而且預(yù)聚體用量在15%時，改性后產(chǎn)品顯示出最大的沖擊強度；第三：對制備好產(chǎn)品經(jīng)過耐溫性實驗，并結(jié)合有關(guān)用戶使用經(jīng)驗得出：聚氨酯改性鑄型尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯能夠在80℃以上嚴(yán)苛環(huán)境中長期使用，與原本的聚氨酯內(nèi)襯比較，其具有更長的使用壽命，這有效提升了設(shè)備的連續(xù)生產(chǎn)能力及生產(chǎn)效率，具有良好的實際使用效果，對其進(jìn)行研究制備是非常必要的，設(shè)計及制造聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯過程中，注意控制好溫度的設(shè)置及預(yù)聚體的添加量，注意觀察制備過程中各種物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)物，借助數(shù)學(xué)坐標(biāo)系將相關(guān)物質(zhì)間反應(yīng)關(guān)系記錄展示出來。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙偉，楊潔，趙彩榮，等.聚氨酯改性尼龍球磨機(jī)內(nèi)襯的研制［J］.河南科學(xué)，2013，（8）：30-33.

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［5］吳皎皎.三維打印快速成型石膏聚氨酯基粉末材料及后處理研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2015.

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The Design and Manufacture of Polyurethane Modified Nylon Ball Mill Lining

SHENG Guo-chun，ZHU Hai-xia，GAO Jing-ping，ZHANG Yu-rong
（Yangzhou Saierda Nylon Manufacturing Co.Ltd.，Yangzhou Jiangsu 225800，China）

Abstract：The polyurethane is a kind of important synthetic materials，within the scope of the world has been rapid development，is widely used in the society of industrial fields，such as buildings，automobile industry and new energy sources，such as industry，demand for polyurethane products increasing，has become a new type of clean energy.Modified by polyurethane nylon ball mill lining is polyurethane material of a kind of practical application，its design and manufacture is a course of chemical experiment，high technology content，preparation of the material with high practicability，this paper will focus on the analysis of polyurethane modified nylon ball mill lining design and manufacturing.

Key words：modified polyurethane；niron；ball mill；lining

中圖分類號：TQ317.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0128-03

收稿日期：2015-12-10

作者簡介：沈國春（1967-），男，江蘇省寶應(yīng)縣人，本科，高級職業(yè)經(jīng)理人，高級經(jīng)濟(jì)師、工程師職稱，研究方向：化工機(jī)械。