超高分子量聚乙烯、高分子托辊材料性能优化方式研究

托轮是带式输送机的核心部件，对输送带的支撑及平稳运行起到保障作用[。对于输送机整机，其质量占比30%~40%，价格占比25%~30%，是输送机日常管理和维护的重点部件。托轮的设计对输送机的稳定运行和正常维护起到了重要作用[。

对比日本及欧美，我国的托轮研究还存在一定上升空间。例如日本NC公司按照日本JIS标准生产的托辊，经检测，其径向跳动均在0.5 mm 以下，寿命在5万h以上，约为我国生产制造托辊寿命的2倍。因此，为提高国产托轮质量，延长其使用寿命，进行相关的研究具有重要意义。

目前国内大部分托轮生产厂的研究方向都定位于托辗宏观结构的改进，相比较而言，探索托棍的微观破坏机理，针对不同的破坏机理对托轮材料的改进是一种比较彻底的优化，这样的托棍能够实现密封且不需要设计复杂的结构。市场上广泛使用的托辑多采用金属、无机非金属及有机高分子材料。使用有机高分子材料可以减轻托混质量，降低带式输送机的启动、制动功耗，适用于腐蚀性较强的中等负载工作场合，

如焦化厂、化工厂等，但其力学强度、耐磨性、耐热性等仍具有不足之处。

金属托棍运行中易磨损，且产生的毛刺易划伤传送带，而陶瓷托轮质量大且易碎。以塑料托输为代表的有机高分子托轮力学性能较差，部分材料还存在耐热性和耐磨性不足，但高分子材料具有多个反应位点，合成及成型加工各阶段调整工艺方法都会产生性质变化，因此相比于无机材料托辊更容易实现性能优化，可重点关注。

1高分子托辊材料性能的优化方式

相比于无机材料，有机高分子材料具有较多改性方式。一方面具有多功能的特征，可进行多样化的化学修饰，以结构变化决定性质的改变，从而优化托轮性能﹔另一方面，可以通过引入其他材料，通过共混改性，弥补所用高分子材料的性能缺陷。普通高分子托轮具有质量轻、抗冲击、耐腐蚀、噪声低等优势，而其不能同时具备耐磨、耐热性、高力学强度等则成为其技术瓶颈。近年来基于高分子复合材料进行了一系列研究，综合各组分优势，全面提高输送机性能。同时已有一些结合共混、包覆及化学改性等方式进行托棍材料性能优化的相关报道。

1.1增韧及增强改性

传统高分子托轮存在韧性及强度不足的缺陷，如尼龙、超高分子量聚乙烯、聚氨酯等，承载负荷一般比金属托轮低。为了维持较长的使用寿命，这些力学强度低的材料不宜制造长托棍，限制了材料其他性能优势的发挥。一般从材料学角度可以通过加入无机材料及改变高分子内部结构等方法改进。

增加高分子托棍强度可通过加入金属或陶瓷成分实现。生寿斋设计了一种矿用金属/聚合物复合输送机托轮，采用聚氯乙烯(PVC)为主要原料，引入金属粉末替代导电炭黑，以提高抗静电性、韧性和刚性。该复合托轮的抗静电、阻燃、强度、耐磨损综合物理性能比改性前PVC复合托轮高出25%以上。李笃信等设计了一种尼龙6为基本原料的高分子复合材料托棍，采用了陶瓷粉、玻璃纤维、复合固体润滑剂，这种托轮兼具高分子材料和陶瓷材料的性能特点，比未经改性的尼龙6托轮具有更高的强度及更佳的耐磨损性能。

通过化学方法改变材料内部分子结构形成的改性材料，可在力学强度方面得到优化。周文斌等设计了一种以尼龙树脂为主要材料的塑料托轮，制作过程经过多步化学反应，减少尼龙分子中的吸水基团，分子内交联，从而加强塑料托棍的防水能力及力学强度。实验结果表明，对比未经改性的其他塑料托轮，这项技术的应用使拉伸强度提高7.47%、缺口冲击强度提高11.49%、吸水率增加27.27%。

1.2耐热改性

高温将导致托棍运行过程产生热应力，出现裂纹、表皮剥落等现象。较差的耐热性限制了高分子托辗的应用场合。例如，常见高分子材料中聚氯乙烯材料虽然力学强度较高，但由于其易燃且不耐磨，热变形温度不超过80 ℃，连续使用温度仅为65℃，使托轮的使用场合受限，不可用于高温作业，故一般不单独用于托混的制备。

根据相关报道，提高高分子材料耐热性可通过改变分子结构和研究分子运动两种机理进行。结合托棍的制备和应用，在国内相关研究中，多采用简单有效的共混和包覆物理改性方法，而在聚合物的主侧链接入极性或刚性大的基团以提高材料的热变形温度或者通过分子链间交联提高聚合物链的交联密度实现热稳定性提高的化学改性方式的报道较少。

陈宪宏研发了一种常规托轮用高性能多元复合改性尼龙6复合材料，加入纳米二氧化硅，高温下仍可保持高强、高韧、高稳定性的特点，在改性体系中达到增强增韧的目标，同时具备一定的耐热性及耐候性。

在已有托轮的基础上添加耐高低温的包覆层作为一种原位改性的方式可以保证托棍的原有结构不受破坏。倪奉尧等设计了一系列托轮用多层复合塑料棍皮，内层塑料选用刚性强的聚氯乙烯，确保制成的塑料托辗不变形;中间层为高密度聚乙烯、粘结树脂、双抗母料中一种或多种，以增强托辗阻燃及力学强度等;外层塑料选用具备耐磨、阻燃、抗静电特性的超高分子量聚乙烯、双抗母料，令托轮兼具质量轻、耐腐蚀、耐磨、抗冲击等性能，巧妙避开了单独使用聚氯乙烯制备托辗存在的热稳定性差等缺陷。詹莹青等研发了一种耐热橡胶包覆层，采用三元乙丙橡胶、氯丁胶、天然胶、丁苯胶为主要材料经过胶料加工、轮芯处理、成型、登封式硫化等过程制备而成。此包覆层能够使输送机托轮在长时间热老化作用下保持原物理机械性能，可在高温环境下正常使用。本发明给出的实施方案中，长期作业最高工作温度可达150 ℃以上。

1.3耐磨改性

托轮的耐磨性直接影响其使用寿命。而有关高分子材料的磨损机理研究还不够成熟，目前有机托轮耐磨性的提高常通过引入添加剂实现。表现为一定条件下添加金属及含硅化合物等无机材料为主的耐磨增强剂优化。另外，纤维状填充材料如聚四氟乙烯，也可改善托棍的摩擦磨损性能。

一些金属化合物和稀土金属化合物具有较强的耐磨性。尼龙材料质软，刚性较差，造成尼龙托棍容易变形。周文斌等设计了一种以尼龙树脂为主要材料的塑料托混，引入耐磨增强剂氧化锌晶须和绢云母，在引发剂的作用下通过聚合反应得到新材料，增强了改性尼龙树脂的耐磨性。对比未经改性的其他塑料托棍，该项技术能够实现磨损量降低12.07%。另据报道，稀土金属强化的超高分子量聚乙烯材料具有极高的耐磨性能[11]，以及独特的无油自润滑特性和不粘性，适用于特殊的工况条件，发展前景较乐观。

非金属耐磨增强剂以硅氧化物和硅酸盐为主，谢志强研发了一种陶瓷粉改性聚氨酯/环氧树脂互穿网络弹性体。该网络弹性体制作的输送机托轮在改性陶瓷粉的作用下，耐磨性能得到进一步提高，阿克隆磨耗可降低至0.01以下，尺寸稳定性能也有一定的改善。

2不同应用场合高分子托辗性能优化研究发展方向的探讨

我国工厂的生产环境复杂，采用国外的托轮有时不能适应国内生产现场的多样性，对托棍的日常使用及维护造成不便。故国内关于托棍的研究可视具体情况设计、研制应用于多样化工况条件的各类托棍，发挥国产托轮优势。

对于不处于高低温、腐蚀、气候恶劣等极端环境的中低负载及运行速度的工作场合，降低托辗成本成为重点。国内已有相关研究。罗勇设计了一种低成本高性能的复合材料托轮，其制备原料来自废弃的酚醛玻璃钢或玻璃纤维增强砂轮网片的废弃玻纤网片，可节约成本并实现了废物利用。同时，合理的配方及工艺使其具有高强度、耐热性、耐寒性及耐腐蚀性。该发明的两个实例均能实现托轮加压100 t无任何损伤，且从20 m高度自由下落至水泥地面无任何损伤。尼龙6复合材料的韧性无法满足市场需求，贺拓[14]通过利用废旧橡胶粉复合POE-g-MAH对PA6复合材料进行增韧改性，通过扫描电镜表征，不同的废旧橡胶粉投料将对复合材料的冲击强度和断裂伸长率实现不同程度的改善，复合材料韧性得到提高。

对于特殊工作场合，可以通过研究，以尽量简便的改性方式对需要强化的性能着重优化。例如，托轮表面添加润滑剂涂层实现耐磨性的改善。类似方法不局限于高分子托棍的改性。汪玉等研制了一种特氟龙高性能特种涂料用于陶瓷托棍。延长了辗皮被磨穿的时间，提高了托轮寿命。一些施工场合需要托辗具有防尘防水的特性。许庆军研制了一种自润滑超混杂复合材料托棍，由超混杂复合材料筒体、自润滑复合材料滑动轴承和经特定工艺处理的托棍轴构成。此项技术在材料结构和润滑方式上实现了托轮防尘、防水、防腐、耐磨等相关性能，有效发挥了节能、寿命长、免维护优势。已在冶金矿山、盐场、煤矿等成功试用。

对于各方面要求苛刻的工作场合则需要研制综合性能强的高端托棍，这时材料的性能重要性超过其成本。可从基本材料选取上突破常规托轮选材的局限性。赵龙等以耐磨材料钢玉微粉为主要原料，研发了一种高分子聚合高耐磨材料。这种材料是原有金属材料、橡胶材料等部分抗磨损材料的理想替代材料。经实验验证，其耐磨性相比锰钢高出5～10倍，比碳素钢高出10倍以上，使用寿命4~5年，远高于橡胶、尼龙等材料。这类非常规高分子材料结合适宜的投料及设计方法，可兼顾质量轻、抗冲击、耐腐蚀、噪声低等高分子托辗优势，同时，在耐磨性、力学强度、耐高低温等方面比无机材料性能更强。

3结论

相比于金属、陶瓷等无机材料托棍，有机高分子托轮具有质量轻、抗冲击、耐腐蚀、噪声低等优势。耐磨、耐热性、力学强度等因素的优化是托棍材料研究的一个重点方向。可通过制备包覆层和引入改性添加剂共混改性等物理方式，以及分子链间交联和引入极性官能团等化学方式优化，国内目前已进行了相关研究。我国工厂的生产环境复杂，针对国内市场需求的独特性，以不同生产条件下托棍的适应性为目的，研制多样化工况条件的各类托轮，以发挥国产托棍优势。