淺談聚氨酯彈性體在礦業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

史旭晨 宮明明

(諾瑪克新材料(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000)

聚氨酯彈性體亦稱(chēng)聚氨酯橡膠，是一種新型合成材料，介于一般橡膠與塑料之間，在其主鍵上含有比較多的氨基甲酸酯基。由于聚氨酯彈性體結(jié)構(gòu)具有軟和硬兩個(gè)鏈段，所以能夠?qū)ζ溥M(jìn)行不同的設(shè)計(jì)而賦予材料一些優(yōu)異的性能。聚氨酯彈性體不僅具有橡膠的高彈性的特點(diǎn)、還具有塑料的剛性特點(diǎn)，故其又被稱(chēng)為“耐磨橡膠”。聚氨酯彈性體在較高的硬度下仍具備較高的彈性，優(yōu)異的耐磨性能(表1為聚氨酯彈性體與其它材料的Taber磨耗對(duì)比表[1])、優(yōu)異的耐臭氧、耐低溫、耐油、高承載、高撕裂強(qiáng)度等特性。

中國(guó)是世界上少有的以煤炭(占70%以上)為主要能源的國(guó)家，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)煤炭仍將占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)能源的需求量也與日俱增。因此，煤礦的開(kāi)采力度日益增大，隨之帶來(lái)的生產(chǎn)安全相關(guān)問(wèn)題變得十分嚴(yán)峻。聚氨酯與天然橡膠相比，其耐磨性高2～10倍，且硬度變化范圍較寬。此外，還具有較高的撕裂強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度，具有良好的緩沖減震性能等優(yōu)勢(shì)[3]，在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

表1 聚氨酯彈性體與其他材料的Taber磨耗對(duì)比Tab. 1 Comparison of wear of polyurethane elastomer and Taber of other materials

近幾年中國(guó)國(guó)際聚氨酯技術(shù)與產(chǎn)品展覽會(huì)吸引了眾多國(guó)內(nèi)外大型聚氨酯企業(yè)，每年都會(huì)推出新型礦用聚氨酯產(chǎn)品，充分體現(xiàn)了聚氨酯材料在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。諾瑪克公司的產(chǎn)品在礦業(yè)領(lǐng)域方面已經(jīng)積累了40余年的生產(chǎn)制造及施工經(jīng)驗(yàn)，特別是在漿體運(yùn)輸或生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面，可以代替幾乎所有類(lèi)型的橡膠板，同時(shí)在防腐耐磨保護(hù)全過(guò)程方面尤為突出，具有高于傳統(tǒng)橡膠板數(shù)倍的特性，目前已經(jīng)為諸多世界礦業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)提供防腐耐磨全鏈條解決方案。如METSO(美卓礦業(yè))、WS Tyler(WS泰勒)、 Krupp-Thyssen(蒂森·克虜伯)、Derrick(德瑞克)、SANDVIK(山特維克)、ERIEZ(美國(guó)藝?yán)盆F)、 Schenck(德國(guó)申克)等 。

1 聚氨酯彈性體在礦業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 篩板與篩網(wǎng)

篩分設(shè)備是將各種原料和各種初級(jí)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)篩板(網(wǎng))選別的設(shè)備，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、震動(dòng)、往復(fù)、搖動(dòng)等一系列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，并且按照物料粒度大小的不同分成若干不同等級(jí)。此外還可以將原料中的水分及雜質(zhì)去除，再進(jìn)行下一步的加工，可提高產(chǎn)品品質(zhì)。篩板(網(wǎng))是各類(lèi)篩分機(jī)的工作部件，其對(duì)強(qiáng)度和耐腐蝕性有很高的要求，傳統(tǒng)篩板(網(wǎng))是由沖孔、焊接、編織的各種碳鋼或不銹鋼材料制造，在一些礦山的實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想，缺點(diǎn)是耐沖擊性差、篩網(wǎng)剛性小、堵孔，且備件占用較大的流動(dòng)資金。各種不同形式的聚氨酯彈性體篩板(網(wǎng))在礦業(yè)領(lǐng)域中逐漸推廣，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)金屬和橡膠篩板，用于煤礦和礦石的篩分或篩選[4]。一般的金屬編織篩網(wǎng)使用壽命10～15天，縫條篩1～2個(gè)月，脫水篩板2～3個(gè)月，橡膠篩網(wǎng) 3～4個(gè)月，聚氨酯篩板一般是金屬篩板的3～20倍。

應(yīng)用諾瑪克聚氨酯噴涂篩板(網(wǎng))有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)施工快捷，比傳統(tǒng)粘貼防腐耐磨膠板工藝施工迅速數(shù)十倍；(2)無(wú)接縫，避免潛在的“破損點(diǎn)”；(3)局部可修補(bǔ)——局部破損時(shí)，可以使用小型噴涂設(shè)備進(jìn)行局部快速修補(bǔ)；(4)超強(qiáng)的防腐耐磨性能——是傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)膠板防腐耐磨的幾倍，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)極高；(5)不同厚度組合，可以在磨損面和沖擊面“加”大厚度，而在非磨損面或非沖擊面適當(dāng)減少?lài)娡亢穸?，大大降低了其噴涂保護(hù)費(fèi)用；(6)在設(shè)備組裝前、組裝后、甚至在設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)均可噴涂施工，改變了使用膠板只能在設(shè)備廠家內(nèi)及設(shè)備組裝前進(jìn)行施工的“窘境”；(7)對(duì)狹小部位及無(wú)法“下手”的粘貼膠板部位，可方便快捷的施工；(8)對(duì)于振動(dòng)篩外部非磨損區(qū)域的涂裝保護(hù)，可以達(dá)到“一勞永逸”的保護(hù)效果；(9)振動(dòng)篩局部過(guò)去無(wú)法使用膠板粘貼保護(hù)的部位，例如虎克螺釘，振動(dòng)篩角鋼等等部位，依然可以使用噴涂方式進(jìn)行很好的涂裝保護(hù)。適用部位有振動(dòng)篩梁、振動(dòng)篩角鋼、振動(dòng)篩各類(lèi)螺釘及鏈接部位、振動(dòng)篩擋板、振動(dòng)篩表面其他任何過(guò)流部位及需要防腐耐磨部位。目前應(yīng)用案例有使用NR-80LVHS對(duì)美卓礦業(yè)、山特維克的10X20振動(dòng)篩進(jìn)行防腐耐磨保護(hù)；使用BR-3S對(duì)納米比亞鋅礦振動(dòng)、WS泰勒公司振動(dòng)篩進(jìn)行防腐耐磨保護(hù)。

1.2 旋流器襯里

旋流器是工業(yè)中常用的一種分離設(shè)備，一般用于液-固、氣-固的分離，其廣泛應(yīng)用于選礦、選煤、采油等礦山作業(yè)中。由于聚氨酯彈性體具有耐磨、良好的綜合機(jī)械性能，不但可以用作旋流器的襯里，同時(shí)也可以將其單獨(dú)用作結(jié)構(gòu)材料。聚氨酯旋流器耐磨性好，不發(fā)生銹蝕，重量輕，并且不需要單獨(dú)配置動(dòng)力設(shè)備，這樣可以大大增加旋流器的使用壽命。應(yīng)用聚氨酯旋流器對(duì)煤泥水進(jìn)行濃縮分級(jí)，煤泥水的體積濃度會(huì)顯著降低，并可以保證浮選機(jī)入料的最佳濃度，相對(duì)減少了浮選機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)時(shí)間[5]。

應(yīng)用諾瑪克聚氨酯噴涂的優(yōu)勢(shì)：(1)內(nèi)壁任意成型，無(wú)需預(yù)先定制，無(wú)任何接縫(2)解決了特殊位置及狹小位置的無(wú)法進(jìn)行耐磨防腐的窘境(3)施工的可行性和快捷性(4)優(yōu)異的防腐耐磨效果，大幅提高了使用壽命(5)過(guò)流面表面光滑，大幅提高了分級(jí)，脫水等工作效率(6)減少內(nèi)壁物料粘接，改善分級(jí)，脫水效果(7)實(shí)現(xiàn)了防腐耐磨面的局部可修補(bǔ)性。適用方面有(1)各類(lèi)水力旋流器，包括脫水旋流器，分級(jí)旋流器，脫泥旋流器等；(2)各類(lèi)離心式分流，分級(jí)設(shè)備(3)葉輪除渣器(4)潷水器外殼(5)各類(lèi)螺旋分級(jí)機(jī)。

1.3 聚氨酯內(nèi)襯管道

管道內(nèi)襯腐蝕可以理解為材料在其所處的環(huán)境中發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)，而該反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致管道本身的材料被腐蝕，從而導(dǎo)致管道中的部件甚至整個(gè)管道系統(tǒng)失效。除了磨損作用導(dǎo)致材料直接損壞外，由腐蝕產(chǎn)物間接引起的管道破壞也可被視為腐蝕破壞。每年由于腐蝕導(dǎo)致材料的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致的損失不言而喻。腐蝕問(wèn)題的解決往往會(huì)直接導(dǎo)致新工藝、新新工藝的實(shí)現(xiàn)。尤其是在現(xiàn)代工業(yè)的復(fù)雜腐蝕介質(zhì)、高溫高壓等環(huán)境下，腐蝕問(wèn)題若無(wú)法得到解決，生產(chǎn)將舉步維艱。將涂料均勻致密地涂敷在經(jīng)過(guò)基面處理后的管道、溜槽內(nèi)壁及表面上，從而隔絕各種腐蝕性介質(zhì)，是解決集輸系統(tǒng)等管道內(nèi)腐蝕問(wèn)題的一種非常有效的措施。

諾瑪克產(chǎn)品可以解決該領(lǐng)域出現(xiàn)的各類(lèi)問(wèn)題，做好防腐耐磨工作對(duì)促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展、節(jié)約材料、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命、確保安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染起到重大意義。諾瑪克的聚氨酯產(chǎn)品具有出色的耐磨、耐油、耐腐蝕、耐臭氧、耐老化、耐低溫、耐撕裂、耐沖擊、高彈性、吸振力強(qiáng)，負(fù)載支撐容量大等性能，廣泛適用于各類(lèi)管道行業(yè)的應(yīng)用。應(yīng)用諾瑪克聚氨酯噴涂的優(yōu)勢(shì)：(1)改變和解決了以傳統(tǒng)方式無(wú)法滿(mǎn)足的防腐耐磨方案(2)對(duì)于特殊基材表面實(shí)現(xiàn)了防腐耐磨保護(hù)(3)施工的快捷性和可行性大幅提高(4)無(wú)需對(duì)特殊部位的保護(hù)進(jìn)行防腐耐磨材料的定制(5)實(shí)現(xiàn)了防腐耐磨面的局部可修補(bǔ)性(6)實(shí)現(xiàn)了任意調(diào)節(jié)耐磨保護(hù)層厚度，大幅提高防腐耐磨效率。適用方面：(1)各類(lèi)礦漿輸送管道(2)管道連接件(3)各類(lèi)礦漿管理閥門(mén)，彎頭(4)礦漿緩存槽(5)礦漿溜槽(6)各類(lèi)相關(guān)礦漿連接部件。

1.4 礦井密閉堵漏

礦井漏風(fēng)是煤礦通風(fēng)工作的一大隱患，礦井漏風(fēng)的問(wèn)題會(huì)使采區(qū)和工作面送達(dá)用風(fēng)所在位置的風(fēng)量減少，久而久之，導(dǎo)致氣溫升高、瓦斯積聚等相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)瓦斯爆炸。礦井漏風(fēng)的問(wèn)題嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。因此必須要采取行之有效的手段控制礦井漏風(fēng)問(wèn)題，提前預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生[6]。傳統(tǒng)堵漏風(fēng)材料(黃泥灌漿材料、凝膠堵漏材料、水泥砂漿噴涂材料等)經(jīng)過(guò)前人的實(shí)踐，效果不是十分理想，而且隨著礦井開(kāi)采深度的逐步增加，地壓也會(huì)不斷的增大，對(duì)于密閉墻內(nèi)部或是巖層裂隙很難做到封閉嚴(yán)實(shí)，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)了極大的安全隱患。傳統(tǒng)的防水材料經(jīng)過(guò)日光照射后會(huì)出現(xiàn)老化開(kāi)裂的情況；即使防水材料自身不開(kāi)裂，也會(huì)因混凝土的開(kāi)裂(有振動(dòng)、應(yīng)力、風(fēng)化等因素引起)而斷裂。諾瑪克聚氨酯彈性體經(jīng)過(guò)抗靜電處理和阻燃處理后作為密閉堵漏材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)黏度、反應(yīng)固化速度、強(qiáng)度、硬度等可調(diào)節(jié)范圍大；(2)耐磨性能優(yōu)越、耐油、耐臭氧、耐老化、耐輻射、透聲性好；(3)涂層具有良好的致密性，不易產(chǎn)生漏點(diǎn)；(4)材料施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用少，施工簡(jiǎn)單快捷；(5)使用溫度范圍寬；(6)粘結(jié)力強(qiáng)，對(duì)多種物面均有優(yōu)良的附著力。除了以上普遍的優(yōu)點(diǎn)、諾馬克噴涂產(chǎn)品因自身優(yōu)異的柔韌性、耐老化性和力學(xué)強(qiáng)度，即使在混凝土開(kāi)裂的情況下，也不會(huì)自身斷裂，還能降混凝土緊緊“抓住”，起到防水和保護(hù)作用。煤礦用聚氨酯彈性體制品在達(dá)到其安全性能的要求下，在礦井堵漏風(fēng)方面具有十分廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)[7]。

2 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)的需求提升，聚氨酯彈性體因其優(yōu)越的性能，將會(huì)更廣泛的應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中。但目前還存在如下4個(gè)問(wèn)題：(1)聚氨酯內(nèi)生熱大，耐高溫性能一般。如需在高頻振蕩條件或高溫條件下長(zhǎng)期作用，則必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或配方上采取相應(yīng)改性措施。(2)諾馬克產(chǎn)品雖已在國(guó)際礦業(yè)上廣泛應(yīng)用，但對(duì)于中國(guó)礦業(yè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)尚未完全展開(kāi)，還需加大在國(guó)內(nèi)的宣傳力度。(3)諾馬克產(chǎn)品目前完全靠進(jìn)口，現(xiàn)需國(guó)產(chǎn)化以降低其成本，進(jìn)而更易進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。(4)諾馬克產(chǎn)品由于其優(yōu)異的性能，可以適用于代替橡膠的所有領(lǐng)域。但由于其成本高于橡膠制品，目前只能適用于高端特殊領(lǐng)域。所以目前急需開(kāi)發(fā)諾馬克中低端產(chǎn)品，以適應(yīng)替換橡膠的所有領(lǐng)域。相信不久的將來(lái)，諾馬克產(chǎn)品必將在中國(guó)市場(chǎng)大展宏圖。