聚氨酯改性尼龙球磨机内衬的设计及制造

沈国春，朱海霞，高静萍，张玉蓉

（扬州赛尔达尼龙制造有限公司，江苏 扬州225800）



聚氨酯改性尼龙球磨机内衬的设计及制造

沈国春，朱海霞，高静萍，张玉蓉

（扬州赛尔达尼龙制造有限公司，江苏 扬州225800）

摘要：聚氨酯是一种重要的合成材料，在世界范围内得到了长足发展，广泛应用于社会的多个产业领域中如建筑领域、汽车工业及新能源等产业，聚氨酯产品需求日益增多，成为了一种清洁新型能源。聚氨酯改性尼龙球磨机内衬就是聚氨酯材料的一种实际应用，其设计与制造是一个化学实验过程，技术含量高，制备出来的物质材料具有较高实用性，本文将重点分析聚氨酯改性尼龙球磨机内衬的设计及制造。

关键词：聚氨酯；改性尼龙；球磨机；内衬

球磨机是一种粉碎设备，广泛应用于冶金、化工及电子等行业中，其内衬是设备使用过程中主要消耗的部件，以往高锰钢材料制造的球磨机噪音、能耗及磨损都较大，使用聚氨酯高分子材料生产的球磨机内衬则具有噪音小、能耗低及耐磨度高及使用周期长特点，但是其耐温性能较差，不适合在80℃以上长期使用。铸型尼龙在具备上述优点同时，耐热性能好，但是脆性较大，因此使用聚氨酯对其进行改进，增加其韧度。本文将充分使用新型材料聚氨酯改进铸型尼龙，增加其韧度、提高其耐温性能，使其更好地促进汽车工业、能源业建设发展。

1　聚氨酯材料及产品发展应用分析

聚氨酯是六大合成材料之一，在全球范围内取得了长足发展，西欧、北美及亚太地区聚氨酯销量占全球总量的85%以上，聚氨酯未来发展主要关注点是亚太地区，这些国家综合实力增强的同时，对聚氨酯需求也逐渐增加［1］。聚氨酯产品广泛地应用于建筑领域、电子设备及新能源等产业中，其中聚氨酯重要的下游市场是建筑领域，这种材料能够为新建住宅建筑提供保温作用，也能用于老建筑的翻新改造。聚氨酯产品应用于汽车生产中，能有效减轻汽车重量，提高其产品生命周期，聚氨酯未来几年内在全球范围内需求量将会迅猛增长。

2　聚氨酯改性尼龙球磨机内衬设计及制造实验

2.1主要原料

实验制备过程中所需主要原料主要是聚四亚甲基醚二醇（PTMG），其由日本三菱化学工业生产；甲苯二异氰酸酯（TDI—100），由日本三井化学生产；选用南京东方帝斯曼生产的己内酰胺；选用天津市科密欧化学试剂有限公司生产的氢氧化钠［1］。前三种原料都是工业级的，最后一种是分析纯。

2.2仪器设备

选用承德市金建仪器有限公司生产的XJU—5.5型悬臂梁冲击试验机；选用英国Instron公司生产的4465型电子万能材料试验机；选用上海西马伟力橡塑机械有限公司生产的YX-50型平板硫化机；使用自制的卧式离心成型机。

2.3制备工艺及方法

2.3.1制备聚氨酯预聚体

首先要制备聚氨酯预聚体，将PTMG加入到三口瓶内，瓶内装有搅拌器、温度计，对其加温直到100℃，然后进行30 min的真空脱水，接下来降温到70℃，并将计量好的TDI加入瓶内，让其在80℃下进行2 h保温反应，取样本对预聚体NCO质量分数进行分析，然后备用。

2.3.2制备聚氨酯改性尼龙共聚物

将己内酰胺称取好放入三口烧瓶中，在120℃下进行加热脱气直到产生明显气泡后备用；然后将聚氨酯预聚体加入到部分脱气后的己内酰胺中，使其在100℃下反应1 h后备用；将一定量氢氧化钠加入到另一部分脱气后己内酰胺中，设置温度在120℃～130℃，10～15 mmHg柱下进行10～15 min的减压蒸馏，将反应生成的水除去然后备用；将上述两步产物充分混合在130～140℃左右，然后将其迅速地浇铸在事先预热的140℃模具中，在此温度下维持40 min后进行冷却脱模，这样就得到了聚氨酯改性尼龙共聚物制品［2］。

2.3.3制备聚氨酯改性尼龙球磨机内衬

在球磨机内壁上喷砂、将其上甲苯清洗后涂上底胶，保持在140℃下进行充分预热，参考2.3.2相关步骤，进行聚氨酯改性尼龙内衬浇铸的制备，制备好后将其浇铸在充分预热的球磨机衬板模具内，并使其在卧式离心成型机上维持140℃，进行40 min的离心成型，然后使其缓慢冷却到室温就可以了。

2.3.4测试性能

制备好之后，要对其性能进行测试，首先是拉伸性能，其根据GB/T1040.2-2006塑料中的模塑及挤塑塑料试验条件测定，悬臂梁冲击性能根据GB/T 1843—2008塑料的悬臂梁冲击强度测定方法测定。

3　结果及讨论

为了使得尼龙具有更好的韧度，可以选用聚醚型聚氨酯预聚体作增韧剂，这种物质具有优良的低温性能、柔顺的分子链，本次设计制造选用的聚四亚甲基醚二醇的相对分子质量为2000，其合成的聚氨酯预聚体具有不同的NCO质量分数，根据这些事实基础，可以分析研究预聚体NCO质量分数、其不同用量对改性尼龙共聚物产生的力学性能影响情况。

3.1聚氨酯预聚体与MC尼龙共聚物拉伸强度关系

聚氨酯预聚体与MC尼龙共聚物拉伸强度关系可以用图表示出来，具体如图1所示，由图1能够分析出：预聚体用量变化时，不同NCO质量分数预聚体改性尼龙共聚物对共聚物拉伸强度产生不同影响，预聚体用量增加，共聚物的拉伸强度也呈现出下降趋势，这种趋势出现原因主要是两方面的：第一是引入的聚氨酯软段比浇铸尼龙的拉伸强度低得多，这会造成共聚物拉伸强度的降低［3］；第二是预聚体作为增韧剂，合成共聚物过程中也是尼龙长链分子的引发中心，通常预聚体用量增加，共聚物的分子量会出现下降，这种物质分子量的极度下降造成了共聚物拉伸强度的降低。

图1　聚氨酯预聚体与改性MC尼龙共聚物拉伸强度关系

3.2聚氨酯预聚体与MC尼龙共聚物冲击强度关系

聚氨酯预聚体与MC尼龙共聚物冲击强度关系具体如图2所示，由图能够分析出：加入预聚体能显著提升共聚物的冲击强度，其最大值能达到纯尼龙的3～4倍，这表明聚氨酯预聚体能够作为浇铸尼龙的良好增韧改性剂，而且预聚体用量增加，共聚物冲击强度先增后降，这进一步说明了增韧剂预聚体在共聚物合成过程中处于尼龙长链分子的引发中心，因此预聚体用量不断增加，共聚物的分子量将会逐渐下降，并且当其下降到一定程度后，共聚物的各种机械性能将会开始降低，一直降到不能作为材料使用性能要求。

图2　聚氨酯预聚体与MC尼龙共聚物冲击强度关系

3.3球磨机内衬材料配方制定

分析3.1及3.2的实验结果，能够发现：加入预聚体时，不仅能明显提高共聚物的冲击强度，同时其拉伸强度也会不断下降，并且当预聚体用量是共聚物质量分数15%时，共聚物将具有最大冲击强度，这种用量状况下，共聚物拉伸强度也不会下降过多，由此可以将预聚体用量设定为共聚物质量分数的15%，设置聚氨酯预聚体的NCO分数为4.0%，以此来增韧浇注尼龙，这种含量的预聚体具有适中黏度，使用非常方便［4］。

3.4评价聚氨酯改性尼龙内衬耐热性及应用

评价时需要使用聚氨酯及聚氨酯改性尼龙材料借助相同模具制作两个小球磨罐，两个模型的形状及尺寸完全相同，将实际工况在实验室内进行模仿，将相同质量浆体加入到球磨罐内，浆体材料质量配比是石英砂与水1：1，石英砂粒度在150～250 um之间，采取相同搅拌速度进行24 h连续搅拌，考察其在不同使用温度下的磨损情况，使用磨损率评定其磨损情况，磨损率计算公式如下：

其中：W是磨损率；△w是磨损前后质量差；w是磨损前球磨罐质量，100是指扩大100倍系数，根据计算能得出两种不同材料磨损情况如图3所示。

图3　聚氨酯及聚氨酯改性尼龙球磨罐磨损率比较

从图3能够看出：聚氨酯材料制作的球磨罐磨损实验中，当温度大于60℃之后，磨损率快速上升，聚氨酯改性尼龙材料所制作的球磨罐在60℃内时磨损率与聚氨酯制作球磨罐基本上一样，即使在60℃以上时，磨损率虽然有升高，但是没有聚氨酯材料的上升明显，当温度在100℃以下时，其磨损率仅仅是聚氨酯材料的30%左右，由此能够得出：聚氨酯改性尼龙高温下耐磨性能显著好于聚氨酯［5］。按照3.3配方制备好的聚氨酯改性尼龙球磨机内衬经过实际使用后，得出这样一个结果：当温度在80℃以上使用环境中时，聚氨酯改性尼龙球磨机内衬与原来的聚氨酯内衬比较，其使用寿命得到了明显延长，设备连续生产能力及生产效率也有显著提高，具有非常好的实际使用效果。

4　结束语

从上述实验操作及结果中，能够得出一些结论，使用这些结论能够为实际生产更好地服务，得出的具体结论内容如下：第一是将聚氨酯应用于改性铸型尼龙中增韧，具有非常明显的增韧效果，增韧后尼龙产品冲击强度提高了3～4倍；第二：铸型尼龙进行增韧时，使用了分子量2000的PTMG合成，并且将预聚体NCO百分含量设定成4.0%，这种预聚体下增韧的铸型尼龙冲击强度有了显著增加，但是其拉伸强度并没有显著降低，预聚体黏度也比较适中，方便使用，而且预聚体用量在15%时，改性后产品显示出最大的冲击强度；第三：对制备好产品经过耐温性实验，并结合有关用户使用经验得出：聚氨酯改性铸型尼龙球磨机内衬能够在80℃以上严苛环境中长期使用，与原本的聚氨酯内衬比较，其具有更长的使用寿命，这有效提升了设备的连续生产能力及生产效率，具有良好的实际使用效果，对其进行研究制备是非常必要的，设计及制造聚氨酯改性尼龙球磨机内衬过程中，注意控制好温度的设置及预聚体的添加量，注意观察制备过程中各种物质间的化学反应及产物，借助数学坐标系将相关物质间反应关系记录展示出来。

参考文献：

［1］赵伟，杨洁，赵彩荣，等.聚氨酯改性尼龙球磨机内衬的研制［J］.河南科学，2013，（8）：30-33.

［2］夏令涛.高性能轮胎内衬层叠层复合工艺研究［D］.北京：北京化工大学，2013.

［3］赵勐.聚氨酯泡沫塑料/纳米SiO2复合材料的制备与研究［D］.燕山：燕山大学，2008.

［4］孙德文.聚氨酯纳米复合泡沫材料的制备及表征研究［D］.兰州：兰州大学，2011.

［5］吴皎皎.三维打印快速成型石膏聚氨酯基粉末材料及后处理研究［D］.广州：华南理工大学，2015.

［6］叶超贤.聚丙烯酸酯/纳米二氧化钛复合乳液的原位制备及结构与性能研究［D］.广州：华南理工大学，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

中图分类号：TQ317.9

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0128-03

收稿日期：2015-12-10

作者简介：沈国春（1967-），男，江苏省宝应县人，本科，高级职业经理人，高级经济师、工程师职称，研究方向：化工机械。