UHMWPE基體材料煤凍粘界面結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及其粗糙度影響因素分析

安 達(dá)，王春華，姜紅星

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000)

0 引言

在我國(guó)內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆等北方寒冷地區(qū)冬季，一些大型露天煤礦煤炭運(yùn)輸設(shè)備在進(jìn)行煤炭運(yùn)輸時(shí)，含有水分的煤在寒冷的環(huán)境下會(huì)發(fā)生凍結(jié)粘附在所接觸的運(yùn)輸設(shè)備部件的表面，形成嚴(yán)重的煤凍粘現(xiàn)象。如：在帶式輸送機(jī)的某些改向滾筒表面、輸送膠帶表面、運(yùn)煤礦車卡車的廂壁等部位經(jīng)常存在煤凍粘，嚴(yán)重影響煤炭運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。內(nèi)蒙古錫林浩特礦業(yè)公司的地面皮帶輸送機(jī)改向滾筒表面冬季常發(fā)生煤凍粘，2 h就會(huì)粘結(jié)堅(jiān)硬的直徑約40 mm的錐形塊，極易造成皮帶跑偏、跳動(dòng)、扎傷撕裂。勝利一號(hào)露天礦就因凍粘導(dǎo)致了幾起皮帶撕裂事故。當(dāng)時(shí)，輸送機(jī)皮帶以4.5 m/s速度運(yùn)行，短時(shí)間導(dǎo)致了幾百米的皮帶撕裂，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)場(chǎng)不得不頻繁停機(jī)，人工用大錘、鑿子清除，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成生產(chǎn)效率降低。

針對(duì)煤礦設(shè)備表面煤凍粘問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外從理論和防治方面的相關(guān)研究仍然較少[1-5]，缺少系統(tǒng)研究。課題組前期也開(kāi)展了一定的研究，文獻(xiàn)[6-7]分析了煤在多種不同類型凍粘基體材料上凍粘強(qiáng)度的特性，發(fā)現(xiàn)UHMWPE(超高分子量聚乙烯)基體材料具有很小的凍粘強(qiáng)度，體現(xiàn)出較好的防凍粘潛力。進(jìn)一步將UHMWPE材料作為錫林浩特礦業(yè)公司皮帶輸送機(jī)滾筒防凍粘包膠材料，取得良好的現(xiàn)場(chǎng)防凍粘效果[8-9]。文獻(xiàn)[10-11]分析了溫度、煤外在水含量、基體仿生結(jié)構(gòu)等因素對(duì)UHMWPE基體凍粘強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，并進(jìn)行了UHMWPE基體煤凍粘強(qiáng)度的回歸預(yù)測(cè)分析。

煤在凍粘基體上凍粘界面結(jié)構(gòu)形式是其凍粘特性的基礎(chǔ)成因，同時(shí)煤凍粘形成在基體材料表面，表面幾何形貌對(duì)凍粘特性會(huì)存在影響。進(jìn)一步分析UHMWPE滾筒防凍粘基體材料上煤凍粘界面結(jié)構(gòu)形式、凍粘強(qiáng)度體現(xiàn)及其表面粗糙度對(duì)凍粘強(qiáng)度的影響，為揭示煤凍粘的機(jī)理與防治研究提供一定借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)條件

提供試驗(yàn)寒冷環(huán)境的恒溫試驗(yàn)箱如圖1所示。搭載PXR-9溫控儀，溫度范圍-65℃～310℃。煤凍粘特性測(cè)試裝置由課題組自行研制，如圖2所示。具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]或圖3。煤樣置于凍粘特性裝置內(nèi)部，在一定因素條件下，使其凍結(jié)于凍粘基體材料上。UHMWPE凍粘基體材料制成規(guī)格145×80×10 mm矩形薄板，選取粗糙度參數(shù)Ra作為粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)，制取8種表面粗糙度RaUHMWPE基體。Ra分別為：0.82 um、0.96 um、1.38 um、1.57 um、2.83 um、3.61 um、8.94 um、11.85 um。粗糙度分析試驗(yàn)時(shí)其它試驗(yàn)條件控制為：溫度T=-25℃，時(shí)間t=2.0 h，壓力P=1.0 MPa，煤粒度d=0.5～1.0 mm，煤外在水含量δ外=30 %，煤樣質(zhì)量m=0.04 kg，煤樣堆密度ρ=1.061 g/cm3。煤樣：內(nèi)蒙古錫林浩特礦業(yè)公司輸送機(jī)皮帶表面落煤。試驗(yàn)需要將已凍粘煤樣在基體材料上分離以測(cè)試凍粘強(qiáng)度，分析凍粘界面結(jié)構(gòu)形式。選用濟(jì)南天辰DW-100A型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖1)與恒溫試驗(yàn)箱及凍粘特性裝置配套使用。

圖1 恒溫試驗(yàn)箱與拉力試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Calorstat and tensile testing machine

圖2 凍粘特性測(cè)試裝置Fig.2 Test device for freezing adhesive properties

1.2 凍粘強(qiáng)度定義

為對(duì)凍粘基體表面煤凍粘程度進(jìn)行量化，需定義煤的凍粘強(qiáng)度。實(shí)際影響凍煤清除和脫落的主要是沿凍粘界面切向方向的凍結(jié)強(qiáng)度，因此定義凍粘強(qiáng)度如下：

cτ=Fτ/Scoal

(1)

式中，F(xiàn)τ為煤樣凍粘界面切向分離測(cè)試?yán)?N)；Scoal為煤樣凍粘界面面積(mm2)。

1.3 試驗(yàn)流程及誤差處理

試驗(yàn)流程簡(jiǎn)述如下：①如圖3：用螺栓組件14、定位銷9和壓緊部件2固定基體12和套筒基座10，將煤樣8裝入套筒6內(nèi)，放入密封墊片4，擰緊端蓋3，旋轉(zhuǎn)螺桿5壓住密封墊片4和煤樣8，取出銷9。②裝置裝入恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)，用拉力機(jī)下端夾具夾緊裝置固定軸13，將套于套筒基座10底部凹槽的鋼絲繩7繞過(guò)滑輪11，掛于拉力機(jī)掛鉤，設(shè)置恒溫箱溫度、冷凍時(shí)間，開(kāi)始冷凍。③冷凍結(jié)束，輕旋開(kāi)壓緊部件，啟動(dòng)拉力機(jī)，通過(guò)鋼絲繩7水平拉動(dòng)套筒基座10，直至凍粘界面破壞分離，立即停止拉動(dòng)，保存力—位移曲線，記錄力—位移曲線中的拉力峰值，即為試驗(yàn)切向分離拉力Fτ，根據(jù)公式(1)計(jì)算煤樣凍粘強(qiáng)度cτ。④選取不同試驗(yàn)條件以及不同表面粗糙度UHMWPE基體，依次進(jìn)行多次凍粘特性測(cè)試試驗(yàn)。

誤差處理：對(duì)于凍粘強(qiáng)度特性測(cè)試尤其是強(qiáng)度特性測(cè)試不可避免存在誤差，這里每組凍粘強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)15次以上，其中存在人員過(guò)錯(cuò)誤差的樣本點(diǎn)直接剔除補(bǔ)做。取15次成功測(cè)試結(jié)果取值以減小隨機(jī)誤差。拉力試驗(yàn)機(jī)力和位移傳感器每次試驗(yàn)均要校正。此外，在凍粘過(guò)程中由于裝置套筒6底沿可能會(huì)與基體表面發(fā)生接觸凍粘，從而影響煤樣的測(cè)試凍粘強(qiáng)度，因此將套筒6底沿設(shè)計(jì)成楔形結(jié)構(gòu)(局部視圖I)以減小其與基體表面接觸面積，以降低試驗(yàn)誤差。經(jīng)多次測(cè)試，套筒6楔形底沿與基體表面形成凍粘強(qiáng)度最大不超過(guò)煤樣凍粘強(qiáng)度的4%，其影響程度很小。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 UHMWPE基體材料煤凍粘界面結(jié)構(gòu)及凍粘強(qiáng)度體現(xiàn)分析

應(yīng)用凍粘特性試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)不同條件下大量的凍粘特性測(cè)試試驗(yàn)，觀察總結(jié)煤在UHMWPE基體上凍結(jié)狀態(tài)下凍粘界面結(jié)構(gòu)，如圖4示意。低溫下，各因素條件下煤與凍粘基體材料表面接觸，在與基體接觸界面部分或全部區(qū)域，煤樣中水分接觸基體表面并以一些微小煤顆粒為結(jié)冰成核物質(zhì)形成“煤泥冰”層，煤泥冰層牢牢粘附于基體表面。煤泥冰層與基體表面由于內(nèi)在的化學(xué)鍵力、分子間力、靜電力和機(jī)械力等多種因素作用而體現(xiàn)出宏觀的結(jié)合力[2]。接觸界面處煤泥冰層的薄厚、區(qū)域大小會(huì)取決于各影響因素，如外在水含量、壓力等。同時(shí)，在接觸界面其它區(qū)域可能存在未形成煤泥冰的凍煤與基體表面直接接觸區(qū)域以及空隙區(qū)域。在直接接觸區(qū)域，基體表面輪廓的溝壑起伏會(huì)對(duì)與之接觸的煤顆粒產(chǎn)生一定的物理、化學(xué)吸附作用，形成界面間的吸附結(jié)合力，但該區(qū)域結(jié)合力要取決于直接接觸區(qū)域是否存在，并且即使存在，經(jīng)測(cè)試，該區(qū)域結(jié)合力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤泥冰區(qū)域的結(jié)合力。

圖4 UHMWPE基體上煤凍粘界面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of coal freezing adhesion contact boundary on UHMWPE matrix

當(dāng)UHMWPE基體表面煤凍粘發(fā)生分離時(shí)，凍粘界面結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，從而體現(xiàn)出凍粘強(qiáng)度特性。通過(guò)試驗(yàn)觀察分析可知，UHMWPE基體材料凍粘分離破壞通常發(fā)生煤泥冰與基體材料表面的接觸界面間，而非煤泥冰層內(nèi)部破壞如圖5示意，試驗(yàn)所得UHMWPE的結(jié)果如圖6。對(duì)于UHMWPE基體材料凍粘基體，因其表面的較強(qiáng)疏水性，使凍粘時(shí)煤泥冰與基體表面接觸較差，使得煤泥冰層與基體表面間的粘附結(jié)合強(qiáng)度較小，通常小于煤泥冰層自身的強(qiáng)度，因此分離發(fā)生在煤泥冰層與基體表面間，則煤泥冰區(qū)域的凍粘強(qiáng)度也體現(xiàn)為煤泥冰與基體材料表面間的凍結(jié)粘附強(qiáng)度。此外，在凍粘界面若存在凍煤與基體表面的直接接觸區(qū)域，該區(qū)域凍煤分離破壞發(fā)生在凍煤與基體材料表面的接觸界面間，但區(qū)域結(jié)合力較小，可以忽略，因此，UHMWPE基體材料上煤凍粘強(qiáng)度體現(xiàn)為煤泥冰區(qū)域煤泥冰層與基體表面間的粘附結(jié)合強(qiáng)度。

圖5 凍粘煤在塑料類基體上的凍粘分離破壞形式示意圖Fig.5 Schematic diagram of separation of freezing adhesion boundary coal on plastic matrix

圖6 凍粘煤在UHMWPE基體材料的分離破壞形式Fig.6 Separation of freezing adhesion boundary coal on UHMWPE matrix material

2.2 凍粘基體表面粗糙度對(duì)凍粘強(qiáng)度影響分析

由圖7可知，在UHMWPE基體上，煤樣凍粘強(qiáng)度均隨著基體表面粗糙度Ra值的增大而逐漸減小。分析不同基體表面粗糙度對(duì)其上煤凍粘強(qiáng)度的影響，仍應(yīng)從基體凍粘界面的結(jié)構(gòu)形式入手。由前分析可知，首先對(duì)于UHMWPE基體，凍粘強(qiáng)度主要為煤泥冰與基體表面間的凍結(jié)粘附強(qiáng)度。UHMWPE基體煤凍粘煤泥冰與基體表面間的凍結(jié)粘附強(qiáng)度主要受到基體表面潤(rùn)濕性的影響。固體表面潤(rùn)濕性主要由表面能和微觀表面形貌共同支配[13-14]。對(duì)于同一種基體不同表面形貌，表面粗糙度會(huì)影響固體表面潤(rùn)濕性。著名的Young方程描述了理想平整的表面在熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)下液滴在其表面的潤(rùn)濕狀態(tài)中表面張力與接觸角之間的函數(shù)[15-16]，如公式(2)所示，示意圖如圖8所示。

圖7 不同表面粗糙度下UHMWPE基體上煤的凍粘強(qiáng)度Fig.7 Freezing adhesive strength of coal samples on UHMWPE matrix with different roughness

圖8 Young模型液滴達(dá)到平衡時(shí)受力示意圖Fig.8 Schematic of Young model water droplet on flat surface

(2)

式中，θ為固體理想平整表面接觸角，γLV為液氣界面的表面張力，γSL為是固液界面的表面張力，γSV是固氣界面的表面張力。

實(shí)際上，絕對(duì)的理想表面不存在。固體表面都具有一定粗糙結(jié)構(gòu)，對(duì)于粗糙表面，Young方程會(huì)發(fā)生較大偏差，為此Wenzel對(duì)固體粗糙表面對(duì)Young方程進(jìn)行修正，得到Wenzel方程，如方程(3)所示[14-15]。

cosθr=rcosθ

(3)

式中，θr為固體粗糙表面實(shí)際的接觸角，r為實(shí)際浸潤(rùn)面積與垂直投影面積的比率，固體表面越粗糙，則r值越大。

對(duì)于具有疏水性的UHMWPE基體材料，其θ>90°，cosθ<0。根據(jù)公式(3)，若其表面越粗糙，即r值越大，則其表面實(shí)際接觸角θr越大，則其固體表面潤(rùn)濕性越差，則疏水性的UHMWPE基體材料上煤凍粘強(qiáng)度越小，因此體現(xiàn)出UHMWPE材料表面煤凍粘強(qiáng)度隨粗糙度參數(shù)Ra的增大而減小的規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)凍粘狀態(tài)下，煤在UHMWPE滾筒防凍粘材料基體表面界面會(huì)形成“煤泥冰”區(qū)域，同時(shí)可能存在凍煤與基體表面直接接觸區(qū)域以及空隙區(qū)域。在凍粘分離時(shí)，因UHMWPE材料表面疏水性，凍粘時(shí)煤泥冰與基體表面接觸較差，使凍粘分離破壞發(fā)生在“煤泥冰”層與基體表面間的結(jié)合界面，則煤在UHMWPE基體上凍粘強(qiáng)度主要體現(xiàn)為該結(jié)合界面間的粘附結(jié)合強(qiáng)度。

(2)煤在UHMWPE材料基體表面凍粘強(qiáng)度均隨基體表面粗糙度增大而減小。UHMWPE基體表面粗糙度較大，其表面潤(rùn)濕性較差，凍粘時(shí)煤泥冰與基體表面間接觸較差，界面間粘附結(jié)合較差，則凍粘強(qiáng)度較小。因此，可通過(guò)適當(dāng)增加UHMWPE基體表面粗糙度來(lái)降低其上煤凍粘強(qiáng)度。