聚氨酯彈性體在疏浚吹填工程中的應用前景

摘 要：本文主要從聚氨酯彈性體的發(fā)展與現(xiàn)狀、分類、性能與結構的關系、工程中應用實例的介紹，以及應用前景的展望等幾個方面進行簡述。便于加強對聚氨酯彈性體的認識和理解，進而在疏浚施工中進行推廣和應用。

關鍵詞：聚氨酯彈性體 復合抗磨環(huán) 復合耐磨短管 復合鋼管 離心澆注 聚脲噴涂

中圖分類號：U616.26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0030-02

所謂彈性體是指玻璃化溫度低于室溫，扯斷伸長率＞50%，外力撤除后復原性比較好的高分子材料。而玻璃化溫度高于室溫的高分子材料稱為塑料。在彈性體中，其扯斷伸長率較大（＞200%），100%定伸應力較?。ㄈ纾?0Mpa），彈性較好的可稱為橡膠。所以彈性體是比橡膠更為廣泛的一類高分子材料，當然這種區(qū)別是相對的。

聚氨酯彈性體是彈性體中比較特殊的一大類，其原材料品種繁多，配方多種多樣，可調范圍很大。聚氨酯彈性體硬度范圍很寬，低于邵爾A10以下的低模量橡膠，高至邵爾D85的高抗沖擊彈性材料（彈性模量可高達數(shù)百兆帕，大大超出了其他橡膠彈性模量（約0.2～10Mpa）的范圍）。所以聚氨酯彈性體的性能范圍很寬，是介于橡膠到塑料的一類高分子材料。

聚氨酯彈性體制品的加工方法多種多樣。有的采用普通橡膠加工設備成型，有的采用熱塑性塑料加工設備成型，有的采用液體澆注成型。隨著合成工藝和加工應用技術的不斷改進和發(fā)展，反應注射模塑和水性聚氨酯噴涂等新的加工成型技術也實現(xiàn)了工業(yè)化。

本文從聚氨酯彈性體的發(fā)展與現(xiàn)狀、分類、性能與結構的關系，工程中應用實例的介紹，以及應用前景的展望等幾個方面進行簡述。便于加強對聚氨酯彈性體的認識和理解，進而在疏浚施工中進行推廣和應用。

1 聚氨酯彈性體應用技術的發(fā)展與現(xiàn)狀

聚氨酯彈性體合成技術最早發(fā)展于德國，距今約60年的歷史。其應用開發(fā)發(fā)展于美國。我國聚氨酯彈性體技術的研究應用開發(fā)較晚，距今不到30年的歷史，但聚氨酯的消費量逐年劇增。但是過去很長一段時間由于主要原料主要依靠進口，其材料價格較高，影響了聚氨酯彈性體材料的工業(yè)化應用。隨著我國對主要原料生產(chǎn)能力的提高以及人們對聚氨酯彈性體的認識逐漸加深，聚氨酯彈性體的應用逐漸得到普及，尤其是在礦山機械方面的應用得到較好的推廣。但在疏浚行業(yè)，該材料的應用尚處于嘗試階段。

2 聚氨酯彈性體的分類和相應的加工技術

聚氨酯彈性體按照其制品的加工方法分類，主要分為澆注型（CPU）、熱塑性（TPU）和混煉型（MPU）三大類。

聚氨酯彈性體加工方法多種多樣，其中澆注型的加工方法按生產(chǎn)方式分為手工間歇法和機械連續(xù)法；按澆注方式分為垂直澆注法、傾斜澆注法、底部澆注法、旋轉澆注法和噴涂法；按制品成型方法分為常壓模制法、壓力模制法、離心模制法、真空模制法和傳遞模制法等等。熱塑型的加工方法有熔融法和溶液法。其中熔融加工是塑料工業(yè)常用的工藝：如混煉、壓延、擠出、吹塑和模塑（包括注射、壓縮、傳遞和離心（粉末）等），溶液加工是將粒料溶于溶劑或直接在溶劑中聚合而制成溶液再進行涂覆、紡絲等。一般不需要進行硫化交聯(lián)反應，可縮短生產(chǎn)周期，廢棄物料能夠回收重新加以利用?；鞜捫偷募庸し椒ǎǔ？刹捎孟鹉z的加工辦法進行加工。

3 聚氨酯彈性體的性能與結構的關系

聚氨酯彈性體大分子中存在柔性大的軟鏈段和剛性強的硬鏈段、氫鍵和苯環(huán)等特征結構。在軟鏈段、硬鏈段、氫鍵和苯環(huán)等共同作用下，聚氨酯彈性體的綜合性能出眾。主要表現(xiàn)在該類彈性體具備了從橡膠到塑料的許多寶貴特性。

（1）硬度范圍寬。而且在高硬度下仍具有良好的橡膠彈性和伸長率。

（2）強度高。在橡膠硬度下它們的拉伸強度和撕裂強度比通用橡膠高得多；在塑料硬度下它們的沖擊強度和彎曲強度又比塑料高很多。

（3）耐磨。享有“耐磨橡膠”的佳稱，其阿克隆磨耗可以達到0.01cm3/1.61km是耐磨橡膠（0.1cm3/1.61km）的10倍以上。

（4）耐油。聚酯型聚氨酯彈性體的耐油性能不低于丁腈橡膠，與聚硫橡膠相當。

（5）耐臭氧性能優(yōu)良。

（6）吸振、抗輻射和耐透氣性好。

4 工程應用實例

4.1 聚氨酯彈性體復合抗磨環(huán)、復合耐磨短管的應用

泥泵是絞吸式挖泥船的核心部件，抗磨環(huán)和耐磨短管是泥泵中的主要配件。由于氣蝕的原因，傳統(tǒng)鋼質產(chǎn)品的磨損嚴重，影響到泥泵的工作效率，也制約了疏浚效率。我們于2000年研制成功聚氨酯彈性體復合抗磨環(huán)和復合耐磨短管，并應用于榮成綠島湖疏浚吹填造地工程中。該工程所使用的挖泥船為海貍600型，輸送管線內(nèi)徑414mm，排距3km左右，工作壓力為0.4Mpa，輸送的介質為中粗砂，水質為海水。由于輸送介質為硬度較高的中粗海砂，對泥泵配件磨損嚴重。材質為16Mn的抗磨環(huán)和耐磨短管氣蝕嚴重，平均壽命為400h左右。而我們研制的聚氨酯彈性體復合抗磨環(huán)和復合耐磨短管使用壽命達到2000多個小時。其使用壽命約為16Mn抗磨環(huán)的5倍左右。

4.2 聚氨酯彈性體泥泵端蓋密封圈的應用

泥泵端蓋密封圈是泥泵重要零件之一。密封圈一旦損壞，不僅僅因停機更換造成設備運轉效率的降低。更重要的是由于密封圈的磨損，造成端蓋磨損，給端蓋修復造成很大的困難。更嚴重的會造成端蓋報廢。我們結合工程工況設計并制作了彈性體密封圈，該產(chǎn)品應用于浙江潤欽疏浚工程有限公司潤欽6號挖泥船。該挖泥船現(xiàn)在天津北塘疏浚吹填工程中施工。該挖泥船為3500m3，管線直徑為850mm，工作壓力1Mpa左右，排距5km，疏浚土質為粗粉砂。該船原來使用的為耐磨橡膠制作的密封圈，使用壽命最多1個月，更換彈性體的密封圈后，已經(jīng)使用3個多月，依然完好，沒有明顯磨損。

4.3 內(nèi)襯聚氨酯彈性體復合鋼管的應用

內(nèi)襯聚氨酯彈性體復合鋼管，就是在鋼管內(nèi)壁經(jīng)離心澆注形成一定厚度的聚氨酯彈性體，然后經(jīng)固化成型達到材料應有的物理性能指標。內(nèi)襯聚氨酯彈性體根據(jù)輸送介質的不同進行配方調整，以滿足不同工況的使用要求。該產(chǎn)品主要具有以下特點。

4.3.1 耐磨性能優(yōu)異

由于內(nèi)襯聚氨酯有較好的彈性，當受到介質沖擊時，聚氨酯在外力作用下被迫壓縮，外力消失后，聚氨酯又恢復原狀

4.3.2 防結垢

內(nèi)襯聚氨酯彈性體具有對稱的分子結構，是對外呈無極性狀態(tài)，形成不了對漿液中無機離子的吸附作用，形不成垢層。且其內(nèi)表面光滑，彈性好，能防止垢層的附著，因此具有較好的防垢緩垢性能。

4.3.3 運行阻力小

聚氨酯彈性體具有在較高的硬度時仍保持良好的彈性的特性，于是可以在保持彈性的基礎上提高硬度，于是其流阻明顯低于內(nèi)襯橡膠復合鋼管。另外其內(nèi)襯表面光滑，復合管內(nèi)壁的絕對粗糙和相對粗糙比鋼管小一個數(shù)量級以上，能減少20%以上的阻力，特別是高濃度漿液輸送系統(tǒng)，運行阻力小。

4.3.4 粘接力強

內(nèi)襯聚氨酯與鋼管粘接力強，采用離心澆注的工藝，聚氨酯彈性體同鋼管達到100%的結合。采取獨特的整體翻邊工藝，不會出現(xiàn)脫落、脫空和局部撕裂的現(xiàn)象。

4.3.5 重量輕、安裝方便

由于基體管采用薄壁管，重量相對較輕。安裝時其連接方法通常采用法蘭連接，安裝方便（如表1）。

由于內(nèi)襯聚氨酯彈性體復合鋼管具有優(yōu)異的耐磨、耐酸、耐堿、防結垢、耐輻射、高彈性、抗機械沖擊等綜合性能。已應用于電力、礦山、建材、化工等行業(yè)輸送煤粉、灰渣、礦粉、鋁液、泥漿等磨削性顆粒物料和腐蝕性介質。

電力行業(yè)：火力發(fā)電廠的除灰管道、灰渣管道、灰水回收管道，對于電廠淡水、海水除灰及酸性介質輸送系統(tǒng)使用聚氨酯復合鋼管更體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

礦山行業(yè)：鐵礦礦漿、礦山精礦、尾礦輸送系統(tǒng)，礦石浮選系統(tǒng)閉式循環(huán)管道，采金礦的水沙輸送。

建材、化工行業(yè)：鋼鐵廠焦粉的輸送，鋁廠赤泥的輸送、水泥廠煤粉的輸送，輸送腐蝕的酸、堿、鹽及磨蝕兼有的固體、液體管道。如石油開采中的管道輸送，排淤工程，城市供水系統(tǒng)，鋁液輸送管，均具有明顯的效果。

4.4 聚脲噴涂聚氨酯復合鋼管

聚脲噴涂聚氨酯彈性體具有硬度高，反應固化速度快，施工方便等優(yōu)點。廣泛應用于建筑、船舶、水利、交通、機械、化工、礦山、環(huán)保和娛樂等領域，顯示了強大的生命力。與澆注型聚氨酯相比造價相對較高。

5 聚氨酯彈性體技術在疏浚行業(yè)應用前景展望

在疏浚行業(yè)，隨著疏浚目的由河道和湖泊的疏導疏浚向沿海地區(qū)的吹填造地的變化；土質由淤泥類向中粗砂轉變；排距由近距離（3～4km左右）向遠距離（6～7km之外）變化，從而引起工作壓力急劇提高。對挖泥船泥泵、葉輪、抗磨板等挖泥設備的磨損加劇，造成設備壽命嚴重縮短。同時還造成膠管、鋼管等輸送管線磨損嚴重，使用壽命縮短，損壞頻率提高等問題。嚴重影響到疏浚效率，造成疏浚成本提高。而聚氨酯彈性體俗有“耐磨橡膠”的美譽，其自身具有的高彈性，高強度等特性，有利于克服氣蝕和沖刷造成的危害。通過其在泥泵中的應用以及在礦山、建材、化工等行業(yè)輸送煤粉、灰渣、礦粉、鋁液、泥漿等磨削性顆粒物料和腐蝕性介質中的應用實例分析。認為聚氨酯彈性體材料在疏浚行業(yè)應用前景廣闊。

5.1 澆注型聚氨酯彈性體的應用前景

澆注型聚氨酯彈性體采用靜態(tài)澆注的方法適合于泥泵配件和鋼管內(nèi)襯，用于制作復合抗磨環(huán)、復合耐磨短管、密封圈等泥泵配件，還可應用泥泵泵殼內(nèi)表面的涂覆，泥泵葉輪的復合等。

采用離心成型工藝制作內(nèi)襯聚氨酯彈性體復合鋼管、噴頭、彎管等產(chǎn)品應用于排泥管線。

5.2 聚脲噴涂技術的應用前景

噴涂聚脲彈性體是近5年來發(fā)展起來的一種新型噴涂技術。它一出世就以其優(yōu)異的理化性能，優(yōu)良的工藝性和環(huán)保性，充分顯示出比傳統(tǒng)涂裝技術無與倫比的優(yōu)越性，得到迅猛發(fā)展。

5.2.1 噴射成型的優(yōu)點

（1）反應活性高，固化速度快。垂直面、頂面及任意曲面可連續(xù)噴涂不流掛，3～5s鐘凝膠，30min達步行強度。一次施工可達2mm以上厚度，施工周期短、效率高。

（2）100%固含量，無有機物揮發(fā)，系無毒無污染的綠色噴涂技術。

（3）對金屬、非金屬底材均有極強附著力。如鋼、鋁、鋼筋混凝土、木材、玻璃鋼、聚氨酯泡沫等。

（4）對溫度、濕度不敏感。施工時受環(huán)境溫度、濕度影響小。噴涂聚脲彈性體時，基材在-40℃的低溫、高環(huán)境濕度時均可施工，甚至可在水面固化。

（5）耐低溫及高溫穩(wěn)定性好。聚脲彈性體涂層，可在-45～120℃下長期使用，并能承受250℃的短時熱沖擊。

（6）耐候性、耐老化性好。脂肪族聚脲不受紫外線侵蝕，不易變黃。芳香族聚脲雖泛黃，但無粉化和開裂問題，可長期使用。耐冷熱沖擊及風雨霜雪的交變沖擊。

（7）彈性體涂層有優(yōu)異的物理性能。如抗拉強度、撕裂強度、沖擊強度、延伸率、耐磨性等。優(yōu)異的低溫柔韌性。通過調節(jié)配方，硬度可從軟橡皮到硬彈性體之間任意變化。彈性體是一種介于橡膠和塑料之間的高分子合成材料，它既有塑料的高強度，又有橡膠的高彈性。

（8）優(yōu)異的防腐、防水、防濕滑功能?？稍谒?、堿、鹽及海水等腐蝕介質中長期浸泡，是優(yōu)異的重防腐材料。

（9）使用成套設備進行噴涂，可現(xiàn)場施工，快速固化，生產(chǎn)效率高。用Gusmer公司的H35設備，每分鐘最高可噴涂厚2mm的涂層10m2。涂層表面光滑、連續(xù)無接縫。

（10）可根據(jù)使用要求，加入各種顏料、填料，制成不同顏色和功能的涂層。

5.2.2 應用展望

根據(jù)該噴涂工藝的反應速度快，適應性強等特點。以及該材料的耐磨損和抗腐蝕等優(yōu)異性能。該材料可應用于泥泵泵殼、葉輪、抗磨環(huán)、短管等抗磨表面的噴涂。相對于澆注工藝，盡管材料費用較高，但該工藝不需要模具，不需要加熱可常溫下施工，施工方便快捷，具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5.3 混煉型和熱塑型聚氨酯彈性體的應用前景展望

混煉型聚氨酯彈性體與橡膠的加工工藝非常近似，而其優(yōu)異的耐磨性能，適合替代耐磨橡膠應用于膠管的制作過程中。熱塑性聚氨酯彈性體加工工藝同塑料加工技術相似，可嘗試應用于樹脂型塑料軟管的加工，最終實現(xiàn)橡膠管的替代。

6 結語

通過聚氨酯彈性體在挖泥船泥泵中的應用效果和聚氨酯彈性體復合鋼管在電力、礦山、建材、化工等行業(yè)的應用實例分析，認為該材料適合于泥漿，尤其是中粗砂的輸送。復合鋼管替代普通鋼管潛力巨大。另外通過對其與橡膠進行物理性能指標的比較，以及通過對該材料加工方法的分析認為該材料有望應用于膠管的生產(chǎn)，用以替代排泥膠管。綜合分析認為：聚氨酯彈性體具有優(yōu)異的耐磨損、抗腐蝕、高強度、粘接力強、加工方法多樣等優(yōu)點，其相關制品在疏浚行業(yè)應用前景廣闊。

參考文獻

[1]山西省化工研究所主編.聚氨酯彈性體手冊[M].化學工業(yè)出版社.