聚氨酯改性尼龍球磨機內襯的設計及制造

沈國春，朱海霞，高靜萍，張玉蓉

（揚州賽爾達尼龍制造有限公司，江蘇 揚州225800）

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聚氨酯改性尼龍球磨機內襯的設計及制造

沈國春，朱海霞，高靜萍，張玉蓉

（揚州賽爾達尼龍制造有限公司，江蘇 揚州225800）

摘要：聚氨酯是一種重要的合成材料，在世界范圍內得到了長足發(fā)展，廣泛應用于社會的多個產(chǎn)業(yè)領域中如建筑領域、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內襯就是聚氨酯材料的一種實際應用，其設計與制造是一個化學實驗過程，技術含量高，制備出來的物質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內襯的設計及制造。

關鍵詞：聚氨酯；改性尼龍；球磨機；內襯

球磨機是一種粉碎設備，廣泛應用于冶金、化工及電子等行業(yè)中，其內襯是設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)的球磨機內襯則具有噪音小、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行改進，增加其韌度。本文將充分使用新型材料聚氨酯改進鑄型尼龍，增加其韌度、提高其耐溫性能，使其更好地促進汽車工業(yè)、能源業(yè)建設發(fā)展。

1　聚氨酯材料及產(chǎn)品發(fā)展應用分析

聚氨酯是六大合成材料之一，在全球范圍內取得了長足發(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)品廣泛地應用于建筑領域、電子設備及新能源等產(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，聚氨酯未來幾年內在全球范圍內需求量將會迅猛增長。

2　聚氨酯改性尼龍球磨機內襯設計及制造實驗

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），其由日本三菱化學工業(yè)生產(chǎn)；甲苯二異氰酸酯（TDI—100），由日本三井化學生產(chǎn)；選用南京東方帝斯曼生產(chǎn)的己內酰胺；選用天津市科密歐化學試劑有限公司生產(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；選用英國Instron公司生產(chǎn)的4465型電子萬能材料試驗機；選用上海西馬偉力橡塑機械有限公司生產(chǎn)的YX-50型平板硫化機；使用自制的臥式離心成型機。

2.3制備工藝及方法

2.3.1制備聚氨酯預聚體

首先要制備聚氨酯預聚體，將PTMG加入到三口瓶內，瓶內裝有攪拌器、溫度計，對其加溫直到100℃，然后進行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，讓其在80℃下進行2 h保溫反應，取樣本對預聚體NCO質量分數(shù)進行分析，然后備用。

2.3.2制備聚氨酯改性尼龍共聚物

將己內酰胺稱取好放入三口燒瓶中，在120℃下進行加熱脫氣直到產(chǎn)生明顯氣泡后備用；然后將聚氨酯預聚體加入到部分脫氣后的己內酰胺中，使其在100℃下反應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酰胺中，設置溫度在120℃～130℃，10～15 mmHg柱下進行10～15 min的減壓蒸餾，將反應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熱的140℃模具中，在此溫度下維持40 min后進行冷卻脫模，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內襯

在球磨機內壁上噴砂、將其上甲苯清洗后涂上底膠，保持在140℃下進行充分預熱，參考2.3.2相關步驟，進行聚氨酯改性尼龍內襯澆鑄的制備，制備好后將其澆鑄在充分預熱的球磨機襯板模具內，并使其在臥式離心成型機上維持140℃，進行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聚體作增韌劑，這種物質具有優(yōu)良的低溫性能、柔順的分子鏈，本次設計制造選用的聚四亞甲基醚二醇的相對分子質量為2000，其合成的聚氨酯預聚體具有不同的NCO質量分數(shù)，根據(jù)這些事實基礎，可以分析研究預聚體NCO質量分數(shù)、其不同用量對改性尼龍共聚物產(chǎn)生的力學性能影響情況。

3.1聚氨酯預聚體與MC尼龍共聚物拉伸強度關系

聚氨酯預聚體與MC尼龍共聚物拉伸強度關系可以用圖表示出來，具體如圖1所示，由圖1能夠分析出：預聚體用量變化時，不同NCO質量分數(shù)預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，通常預聚體用量增加，共聚物的分子量會出現(xiàn)下降，這種物質分子量的極度下降造成了共聚物拉伸強度的降低。

圖1　聚氨酯預聚體與改性MC尼龍共聚物拉伸強度關系

3.2聚氨酯預聚體與MC尼龍共聚物沖擊強度關系

聚氨酯預聚體與MC尼龍共聚物沖擊強度關系具體如圖2所示，由圖能夠分析出：加入預聚體能顯著提升共聚物的沖擊強度，其最大值能達到純尼龍的3～4倍，這表明聚氨酯預聚體能夠作為澆鑄尼龍的良好增韌改性劑，而且預聚體用量增加，共聚物沖擊強度先增后降，這進一步說明了增韌劑預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，因此預聚體用量不斷增加，共聚物的分子量將會逐漸下降，并且當其下降到一定程度后，共聚物的各種機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　聚氨酯預聚體與MC尼龍共聚物沖擊強度關系

3.3球磨機內襯材料配方制定

分析3.1及3.2的實驗結果，能夠發(fā)現(xiàn)：加入預聚體時，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，并且當預聚體用量是共聚物質量分數(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，由此可以將預聚體用量設定為共聚物質量分數(shù)的15%，設置聚氨酯預聚體的NCO分數(shù)為4.0%，以此來增韌澆注尼龍，這種含量的預聚體具有適中黏度，使用非常方便［4］。

3.4評價聚氨酯改性尼龍內襯耐熱性及應用

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進行模仿，將相同質量漿體加入到球磨罐內，漿體材料質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是磨損前后質量差；w是磨損前球磨罐質量，100是指擴大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內襯經(jīng)過實際使用后，得出這樣一個結果：當溫度在80℃以上使用環(huán)境中時，聚氨酯改性尼龍球磨機內襯與原來的聚氨酯內襯比較，其使用壽命得到了明顯延長，設備連續(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　結束語

從上述實驗操作及結果中，能夠得出一些結論，使用這些結論能夠為實際生產(chǎn)更好地服務，得出的具體結論內容如下：第一是將聚氨酯應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：鑄型尼龍進行增韌時，使用了分子量2000的PTMG合成，并且將預聚體NCO百分含量設定成4.0%，這種預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，預聚體黏度也比較適中，方便使用，而且預聚體用量在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，并結合有關用戶使用經(jīng)驗得出：聚氨酯改性鑄型尼龍球磨機內襯能夠在80℃以上嚴苛環(huán)境中長期使用，與原本的聚氨酯內襯比較，其具有更長的使用壽命，這有效提升了設備的連續(xù)生產(chǎn)能力及生產(chǎn)效率，具有良好的實際使用效果，對其進行研究制備是非常必要的，設計及制造聚氨酯改性尼龍球磨機內襯過程中，注意控制好溫度的設置及預聚體的添加量，注意觀察制備過程中各種物質間的化學反應及產(chǎn)物，借助數(shù)學坐標系將相關物質間反應關系記錄展示出來。

參考文獻：

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

［2］夏令濤.高性能輪胎內襯層疊層復合工藝研究［D］.北京：北京化工大學，2013.

［3］趙勐.聚氨酯泡沫塑料/納米SiO2復合材料的制備與研究［D］.燕山：燕山大學，2008.

［4］孫德文.聚氨酯納米復合泡沫材料的制備及表征研究［D］.蘭州：蘭州大學，2011.

［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，2015.

［6］葉超賢.聚丙烯酸酯/納米二氧化鈦復合乳液的原位制備及結構與性能研究［D］.廣州：華南理工大學，2014.

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

文獻標識碼：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，江蘇省寶應縣人，本科，高級職業(yè)經(jīng)理人，高級經(jīng)濟師、工程師職稱，研究方向：化工機械。