UHMWPE基体材料煤冻粘界面结构、强度及其粗糙度影响因素分析

安 达，王春华，姜红星

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110000)

0 引言

在我国内蒙古、黑龙江、新疆等北方寒冷地区冬季，一些大型露天煤矿煤炭运输设备在进行煤炭运输时，含有水分的煤在寒冷的环境下会发生冻结粘附在所接触的运输设备部件的表面，形成严重的煤冻粘现象。如：在带式输送机的某些改向滚筒表面、输送胶带表面、运煤矿车卡车的厢壁等部位经常存在煤冻粘，严重影响煤炭运输的安全与效率。内蒙古锡林浩特矿业公司的地面皮带输送机改向滚筒表面冬季常发生煤冻粘，2 h就会粘结坚硬的直径约40 mm的锥形块，极易造成皮带跑偏、跳动、扎伤撕裂。胜利一号露天矿就因冻粘导致了几起皮带撕裂事故。当时，输送机皮带以4.5 m/s速度运行，短时间导致了几百米的皮带撕裂，造成严重的经济损失。现场不得不频繁停机，人工用大锤、凿子清除，费时费力，造成生产效率降低。

针对煤矿设备表面煤冻粘问题，目前国内外从理论和防治方面的相关研究仍然较少[1-5]，缺少系统研究。课题组前期也开展了一定的研究，文献[6-7]分析了煤在多种不同类型冻粘基体材料上冻粘强度的特性，发现UHMWPE(超高分子量聚乙烯)基体材料具有很小的冻粘强度，体现出较好的防冻粘潜力。进一步将UHMWPE材料作为锡林浩特矿业公司皮带输送机滚筒防冻粘包胶材料，取得良好的现场防冻粘效果[8-9]。文献[10-11]分析了温度、煤外在水含量、基体仿生结构等因素对UHMWPE基体冻粘强度特性的影响规律，并进行了UHMWPE基体煤冻粘强度的回归预测分析。

煤在冻粘基体上冻粘界面结构形式是其冻粘特性的基础成因，同时煤冻粘形成在基体材料表面，表面几何形貌对冻粘特性会存在影响。进一步分析UHMWPE滚筒防冻粘基体材料上煤冻粘界面结构形式、冻粘强度体现及其表面粗糙度对冻粘强度的影响，为揭示煤冻粘的机理与防治研究提供一定借鉴。

1 试验方案

1.1 试验台及试验条件

提供试验寒冷环境的恒温试验箱如图1所示。搭载PXR-9温控仪，温度范围-65℃～310℃。煤冻粘特性测试装置由课题组自行研制，如图2所示。具体结构参见文献[12]或图3。煤样置于冻粘特性装置内部，在一定因素条件下，使其冻结于冻粘基体材料上。UHMWPE冻粘基体材料制成规格145×80×10 mm矩形薄板，选取粗糙度参数Ra作为粗糙度评价指标，制取8种表面粗糙度RaUHMWPE基体。Ra分别为：0.82 um、0.96 um、1.38 um、1.57 um、2.83 um、3.61 um、8.94 um、11.85 um。粗糙度分析试验时其它试验条件控制为：温度T=-25℃，时间t=2.0 h，压力P=1.0 MPa，煤粒度d=0.5～1.0 mm，煤外在水含量δ外=30 %，煤样质量m=0.04 kg，煤样堆密度ρ=1.061 g/cm3。煤样：内蒙古锡林浩特矿业公司输送机皮带表面落煤。试验需要将已冻粘煤样在基体材料上分离以测试冻粘强度，分析冻粘界面结构形式。选用济南天辰DW-100A型电子式万能试验机(图1)与恒温试验箱及冻粘特性装置配套使用。

图1 恒温试验箱与拉力试验机Fig.1 Calorstat and tensile testing machine

图2 冻粘特性测试装置Fig.2 Test device for freezing adhesive properties

1.2 冻粘强度定义

为对冻粘基体表面煤冻粘程度进行量化，需定义煤的冻粘强度。实际影响冻煤清除和脱落的主要是沿冻粘界面切向方向的冻结强度，因此定义冻粘强度如下：

cτ=Fτ/Scoal

(1)

式中，Fτ为煤样冻粘界面切向分离测试拉力(N)；Scoal为煤样冻粘界面面积(mm2)。

1.3 试验流程及误差处理

试验流程简述如下：①如图3：用螺栓组件14、定位销9和压紧部件2固定基体12和套筒基座10，将煤样8装入套筒6内，放入密封垫片4，拧紧端盖3，旋转螺杆5压住密封垫片4和煤样8，取出销9。②装置装入恒温试验箱内，用拉力机下端夹具夹紧装置固定轴13，将套于套筒基座10底部凹槽的钢丝绳7绕过滑轮11，挂于拉力机挂钩，设置恒温箱温度、冷冻时间，开始冷冻。③冷冻结束，轻旋开压紧部件，启动拉力机，通过钢丝绳7水平拉动套筒基座10，直至冻粘界面破坏分离，立即停止拉动，保存力—位移曲线，记录力—位移曲线中的拉力峰值，即为试验切向分离拉力Fτ，根据公式(1)计算煤样冻粘强度cτ。④选取不同试验条件以及不同表面粗糙度UHMWPE基体，依次进行多次冻粘特性测试试验。

误差处理：对于冻粘强度特性测试尤其是强度特性测试不可避免存在误差，这里每组冻粘强度测试实验至少重复15次以上，其中存在人员过错误差的样本点直接剔除补做。取15次成功测试结果取值以减小随机误差。拉力试验机力和位移传感器每次试验均要校正。此外，在冻粘过程中由于装置套筒6底沿可能会与基体表面发生接触冻粘，从而影响煤样的测试冻粘强度，因此将套筒6底沿设计成楔形结构(局部视图I)以减小其与基体表面接触面积，以降低试验误差。经多次测试，套筒6楔形底沿与基体表面形成冻粘强度最大不超过煤样冻粘强度的4%，其影响程度很小。

2 试验结果与分析

2.1 UHMWPE基体材料煤冻粘界面结构及冻粘强度体现分析

应用冻粘特性试验台，通过不同条件下大量的冻粘特性测试试验，观察总结煤在UHMWPE基体上冻结状态下冻粘界面结构，如图4示意。低温下，各因素条件下煤与冻粘基体材料表面接触，在与基体接触界面部分或全部区域，煤样中水分接触基体表面并以一些微小煤颗粒为结冰成核物质形成“煤泥冰”层，煤泥冰层牢牢粘附于基体表面。煤泥冰层与基体表面由于内在的化学键力、分子间力、静电力和机械力等多种因素作用而体现出宏观的结合力[2]。接触界面处煤泥冰层的薄厚、区域大小会取决于各影响因素，如外在水含量、压力等。同时，在接触界面其它区域可能存在未形成煤泥冰的冻煤与基体表面直接接触区域以及空隙区域。在直接接触区域，基体表面轮廓的沟壑起伏会对与之接触的煤颗粒产生一定的物理、化学吸附作用，形成界面间的吸附结合力，但该区域结合力要取决于直接接触区域是否存在，并且即使存在，经测试，该区域结合力也远远小于煤泥冰区域的结合力。

图4 UHMWPE基体上煤冻粘界面结构示意图Fig.4 Schematic diagram of coal freezing adhesion contact boundary on UHMWPE matrix

当UHMWPE基体表面煤冻粘发生分离时，冻粘界面结构也随之发生变化，从而体现出冻粘强度特性。通过试验观察分析可知，UHMWPE基体材料冻粘分离破坏通常发生煤泥冰与基体材料表面的接触界面间，而非煤泥冰层内部破坏如图5示意，试验所得UHMWPE的结果如图6。对于UHMWPE基体材料冻粘基体，因其表面的较强疏水性，使冻粘时煤泥冰与基体表面接触较差，使得煤泥冰层与基体表面间的粘附结合强度较小，通常小于煤泥冰层自身的强度，因此分离发生在煤泥冰层与基体表面间，则煤泥冰区域的冻粘强度也体现为煤泥冰与基体材料表面间的冻结粘附强度。此外，在冻粘界面若存在冻煤与基体表面的直接接触区域，该区域冻煤分离破坏发生在冻煤与基体材料表面的接触界面间，但区域结合力较小，可以忽略，因此，UHMWPE基体材料上煤冻粘强度体现为煤泥冰区域煤泥冰层与基体表面间的粘附结合强度。

图5 冻粘煤在塑料类基体上的冻粘分离破坏形式示意图Fig.5 Schematic diagram of separation of freezing adhesion boundary coal on plastic matrix

图6 冻粘煤在UHMWPE基体材料的分离破坏形式Fig.6 Separation of freezing adhesion boundary coal on UHMWPE matrix material

2.2 冻粘基体表面粗糙度对冻粘强度影响分析

由图7可知，在UHMWPE基体上，煤样冻粘强度均随着基体表面粗糙度Ra值的增大而逐渐减小。分析不同基体表面粗糙度对其上煤冻粘强度的影响，仍应从基体冻粘界面的结构形式入手。由前分析可知，首先对于UHMWPE基体，冻粘强度主要为煤泥冰与基体表面间的冻结粘附强度。UHMWPE基体煤冻粘煤泥冰与基体表面间的冻结粘附强度主要受到基体表面润湿性的影响。固体表面润湿性主要由表面能和微观表面形貌共同支配[13-14]。对于同一种基体不同表面形貌，表面粗糙度会影响固体表面润湿性。著名的Young方程描述了理想平整的表面在热力学稳定状态下液滴在其表面的润湿状态中表面张力与接触角之间的函数[15-16]，如公式(2)所示，示意图如图8所示。

图7 不同表面粗糙度下UHMWPE基体上煤的冻粘强度Fig.7 Freezing adhesive strength of coal samples on UHMWPE matrix with different roughness

图8 Young模型液滴达到平衡时受力示意图Fig.8 Schematic of Young model water droplet on flat surface

(2)

式中，θ为固体理想平整表面接触角，γLV为液气界面的表面张力，γSL为是固液界面的表面张力，γSV是固气界面的表面张力。

实际上，绝对的理想表面不存在。固体表面都具有一定粗糙结构，对于粗糙表面，Young方程会发生较大偏差，为此Wenzel对固体粗糙表面对Young方程进行修正，得到Wenzel方程，如方程(3)所示[14-15]。

cosθr=rcosθ

(3)

式中，θr为固体粗糙表面实际的接触角，r为实际浸润面积与垂直投影面积的比率，固体表面越粗糙，则r值越大。

对于具有疏水性的UHMWPE基体材料，其θ>90°，cosθ<0。根据公式(3)，若其表面越粗糙，即r值越大，则其表面实际接触角θr越大，则其固体表面润湿性越差，则疏水性的UHMWPE基体材料上煤冻粘强度越小，因此体现出UHMWPE材料表面煤冻粘强度随粗糙度参数Ra的增大而减小的规律。

3 结论

(1)冻粘状态下，煤在UHMWPE滚筒防冻粘材料基体表面界面会形成“煤泥冰”区域，同时可能存在冻煤与基体表面直接接触区域以及空隙区域。在冻粘分离时，因UHMWPE材料表面疏水性，冻粘时煤泥冰与基体表面接触较差，使冻粘分离破坏发生在“煤泥冰”层与基体表面间的结合界面，则煤在UHMWPE基体上冻粘强度主要体现为该结合界面间的粘附结合强度。

(2)煤在UHMWPE材料基体表面冻粘强度均随基体表面粗糙度增大而减小。UHMWPE基体表面粗糙度较大，其表面润湿性较差，冻粘时煤泥冰与基体表面间接触较差，界面间粘附结合较差，则冻粘强度较小。因此，可通过适当增加UHMWPE基体表面粗糙度来降低其上煤冻粘强度。