超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景

超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景何继敏薛平何亚东北京休工大学塑料机械及塑料工程研究所,100029摘要介绍了超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出加工技术的现状及应用领域,并对其市场前景进行了分析关键词超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机数仅为010701114冲击能吸收值在所有塑料中最高,消音效果很好5化学稳定性很高,在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质及有机溶剂介质的作用6优良的耐低温性,在液氦温度269下仍具延展性7抗粘附能力极强,仅次于聚四氟乙烯8完全卫生无毒,可用于接触食品和药物方面产品9密度在所有工程塑料中最小,比聚四氟乙烯轻56,比聚碳酸酯轻22由于以上优异的综合性能,UHMW2PE被称为“令人惊异的塑料“,已逐步应用于纺织、造纸、包装、运输、机械、化工、采矿、石油、农业、建筑、电气、食品、医疗、体育及制冷技术等众多领域1。然而由于UHMW2PE粘度极高、摩擦系数和临界剪切速率极低,其成型加工非常困难。长期以来只能采用类似加工聚四氟乙烯的压制烧结和柱塞推压成型方法生产制品,即便在日本、美国、德国等发达国家,这两种方法至今仍占8095以上,我国UHMW2PE制品生产及应用则以压制烧结板材为主,虽已出现柱塞推1前言聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和ABS等塑料管材由于重量轻、耐腐蚀、绝缘性好、内壁不结垢、流动阻力小、施工方便等优点,已广泛应用于住宅建设、市政工程、农业等国民经济各个领域,而超高分子量聚乙烯UHMW2PE管材,则以其耐磨、耐冲击、耐腐蚀、自润滑、吸收冲击能等优异的综合性能,在国民经济诸多领域展露新姿。本文将对UHMW2PE的性能、加工,UHMW2PE管材的应用领域和市场前景进行论述。性能及加工普通聚乙烯的分子量通常在2230万之间,而UHMW2PE由于分子量高达150万以上,因而具有普通聚乙烯和其它工程塑料所无可比拟的优异性能11耐磨性居塑料之冠,比尼龙66和聚四氟乙烯高4倍,比碳钢高5倍2冲击强度列塑料之首,为聚碳酸酯的2倍,ABS的5倍,且能在液氮温度196下保持高韧性3自润滑性与聚四氟乙烯相当,摩擦系2收稿日期199721121852何继敏等超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景压法生产的管材,但由于是间歇往复式,生产效率仍然有限。北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所在国内外有关厂家成果和本所多年专门研究螺杆挤出设备经验的基础上,于1994年底成功地研制出UHMW2PE专用单螺杆挤出机D45,L/D25,进行了系统的实验及理论研究,挤出直径25MM的圆棒,产量可达1118KG/HR,并尝试挤出了小管、片材及丝条。在此基础上,于1995年申请并承担了了中国石化总公司项目“超高分子量聚乙烯单螺杆挤出机及制品开发研究“。与塑料机械制造厂相结合,1996年完成了工业化UHMW2PE管材生产线的制造并初步试车,经反复完善,于1997年5月成功地连续挤出管材制品。该生产线由UHMW2PE专用单螺杆挤出机D65,L/D25,P22KW、成型管机头、冷却定型装置、牵引机、切割机装置及堆放装置组成。在合理的配方和工艺条件下成功地挤出表面光滑、性能优异的UHMW2PE管材外径110MM,壁厚6MMUHMW2PE树脂北京助剂二厂M2,分子量250300万,转速为1630RPM时,产量达到2040KG/HR。整个生产过程在长时间内一直保持稳定,可连续24小时正常运转。目前已开始进行软硬件全套技术的转让。211粮食加工行业UHMW2PE管材由于极高的耐磨性、自润滑性和优良的卫生性,在粮食加工行业,可广泛用于小麦、而粉、大米、谷物等粉状或颗粒状固体输送。过去,粮食加工厂采用钢管风送粮食,带来钢管磨损,每年要消耗大量钢材,而且粉尘污染环境,并有粉尘爆炸的危险。在UHMW2PE管材挤出技术出现之前,北京面粉二厂曾采用UHMW2PE片材卷成管做钢管内衬,耐磨性提高了710倍,改善了环境,减少了噪音,而且由于UHMW2PE具有不产生静电火花等特点,从而避免了爆炸危险,深受粮食加工行业的欢迎1。同样,UHMW2PE管材也适合于采盐业食盐的输送及制糖业砂糖的输送。212煤炭、采矿业UHMW2PE管可应用于煤炭采选业,铁矿、锰矿等黑色金属矿和铜矿、金矿、铅矿、钨矿、钼矿等有色金属矿采选及石墨矿、石灰石矿、铝土矿、石膏矿等非金属采选。目前UHMW2PE管材已在个别金矿的输送中得到初步应用,并取得良好效果。以煤矿行业为例,笔者认为,UHMW2PE管材可望在下列领域发挥重要作用。21211输送煤粉、矿粉UHMW2PE由于极高的面磨性和自润滑性,适于输送煤粉和各种矿粉。输送高密度介质存在易磨损的问题。例如宁夏石嘴山矿务局第2管材应用领域UHMW2PE管材由于具有极其优良的耐二煤矿选煤厂采用钢管输送重介质磁铁粉磨性、耐冲击性、自润滑性、耐腐蚀性、抗粘附性、耐低温性等综合性能,因此特别适合于要求耐磨、耐腐蚀的场合,根据笔者的初步分析,可广泛应用于粮食加工、煤炭、矿山、冶金、热电,甚至石油、天然气等行业取代金属管道或其它塑料管道以输送各种固体粉粒、液体、固液混合物等。200目的占70以上,密度为117118G/CM3,使用两年,钢管更换了6次,平均每4个月更换一次2。如果采用UHMW2PE管,则不仅现场安装方便其密度只是钢管的1/8,大大减轻工人的劳动强度,而且由于耐磨性提高6倍,可减少更换次数及安装时间。53何继敏等超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景剂也可以避免使用钢管时出现的结壳现象3。21214除尘管道UHMW2PE管作矿山除尘管道可以充分利用管壁优良的自润滑性和抗粘附性。用其代替钢管,可以克服煤尘粘附管壁而造成管道腐蚀等困难。由于钢管导热性能良好,内壁会形成一层冷凝水膜,从而引起结壳和煤尘缓慢沉积的现象3。21215水煤浆与管道输煤水煤浆CWS是70年代发展起来的可代油的新型燃料,是一咱新型洁净煤技术。它是把灰分较低而挥发分高的煤研磨成250300M的微细煤粉,按煤70、水30比例,加入0151的分散剂保证浆的流动和0102011的稳定剂配制而成,保持长时间的油状物质,可通过管道输送供给用户5。目前全国已有北京京西水煤浆厂、山东衮日水煤浆厂等7个水煤浆厂,总生产能力89万T/A6。煤泥是煤炭入洗加工后的劣质副产品,是一种灰分高、水分多、粒度细、粘度大和商品价值差的低热值尾矿。我国现有洗煤厂190余座,每年生产近1000万吨煤泥7。长期以来煤泥的综合治理与利用已成为煤炭行业亟待解决的重大课题之一,利用矿区煤泥制水煤浆,是我国的宝贵经验。如徐州矿务局庞庄煤矿,煤泥浆储存于采用带有搅拌功能的储浆罐,经两条管径106MM,长350MM的输浆管,直接将煤泥水煤浆送至锅炉燃烧车间待用8。又如我国煤炭系统第一条首例采用离心式小流量多级煤泥泵,进行有压排送浓度为500G/L,粒度1MM以下水采煤浆运输管道试验,由南票小凌河矿至矿区中央选煤厂,全长11KM。它为“经济型“水力采煤工艺上排浓缩煤浆,经地面较长距离有压管道泵送至矿区中央及邻矿选煤厂,提供了实践先例9。发展高浓度水煤浆技术为管道输煤提供了有利条件。美国1971年建成长460KM的黑迈21212输送洗选固液混合物UHMW2PE管材由于极高的耐磨性、耐腐蚀性、不吸水性,适合用作化工矿、铁矿、有色金属矿、金矿、煤矿等采矿及选矿的矿浆输送管道,如尾矿管、精矿管。UHMW2PE特别适合于选煤厂输送煤炭洗选所产生的浮选入料、浮选精矿和重介质悬浮液等固液混合物,例如介质泵立轮分选机和介质泵沉淀池的管道系统,用来输送磁铁矿悬浮液泵与煤泥水漏斗之间的管道,用来输送煤泥水和絮凝剂由浮选机至耙式浓缩机间的管道用来输送浮选尾煤。UHMW2PE管可输送的固液混合特包括1过滤煤泥水2粗粒煤泥水3细粒煤泥水4浮选尾矿水5掺杂颗粒煤泥水6选煤用喷洒水7冲洗液8磁铁矿悬浮液9磁铁矿悬浮液和粒度01510MM的颗粒。煤泥过滤机的金属滤液管,使用16个月就磨损,而且拆卸相当困难,更换一根管道得花一个班的时间,如果采用UHMW2PE管可使这种状况大大改善3。目前,我国已有选煤厂300多座,年入洗量约3亿吨,入洗比例为20左右,煤矿每年排出煤泥水2800万吨。作为洁净煤技术,煤炭洗选是提高商品煤总体质量的关键所在,从“九五“开始,国家将加大对洗选煤业的投入,到2000年力争使全国洗选煤比率提高到30,洗选煤总量将达到413亿吨4。21313矿井排水据统计,我国煤矿每年排出矿井水1715亿吨4。成分不同和含有各种杂质的水汇流在一个作业点上,研究表明,用来输送这些水的内径为100MM的排水钢管,通常一年半后即因为内壁结壳严重而发生堵塞,因此每隔1618个月就要更换一次。如果使用UHMW2PE管来代替钢管,则不产生或很少产生结壳,即使结壳,也比钢管容易清理,这是因为管壁光滑、抗粘附能力极强,物质不容易粘附滞留。同样,输送絮凝54何继敏等超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景莎输煤管道,年运煤500万T,从煤矿加工成水煤浆,通过管道运到莫哈夫电厂,脱水后供给锅炉发电。其后,美国公司筹划修建8条输煤管道,总长达12000KM,总运量115亿吨。这表明管道输煤是发展铁道等运煤以外的最为重要的新型运煤手段5。我国长期存在北煤南运、西煤东调的格局。煤炭的管道运输,具有投资少、建设周期短、营运费低的优点,又是全密闭输送,不污染环境,是当前解决我国煤炭运力不足的重要运输方式。多数专家认为,我国已有管道输送金属尾矿、电厂灰渣、非金属矿砂、水力采煤中煤浆运输等经验,现在也初具建设管道输煤的条件。自八十年代初开始规划了10条不同长度的输煤管道。孟潍管道是过去研究和目前进行预可行性研究的管道,起自山西孟县经河北到山东,供潍坊电厂和地方用户用煤,年输送量500万吨,管道长度为600KM。北京造纸厂、抚顺水泥厂、桂林钢厂等处,都建成水煤浆输送和利用的商业性示范工程10。1988年我国制定的能源工业中长期发展计划钢要中明确指出“要研究水煤浆制备,输送和燃烧技术,逐步实现水煤浆代替石油燃烧“,并指出“要发展管道输煤,输送水煤浆“11。此外,为充分发挥水力采煤工艺的整体优势,在主采层厚且储量丰富的矿局,正积极组织实现“高产型“水系以及创造条件谋划集管道输送、洗选脱水、水煤浆制备与燃烧和水采技术结合为一体,使煤炭从开采、运输到加工给用户,构成采、运、用一条龙的“综合型“大水采基地9。UHMW2PE管材可望在上述水煤浆固液混合物的输送中大显身手。21216注浆充填管为缓解因地下煤炭开采而造成的地表下沉速度,矿山将煤粉作原料进行地面钻孔高压注浆加固,我国除采用电厂粉煤灰作注浆材料外,又开发了尾矿水注浆充填技术,用高压泵将灰浆沿高压管、钻孔连续不断地注入覆岩离层带,充填离层空间,从而有效控制地表下沉和斑裂。在一定条件下,UHMW2PE管材也有可能作注浆用的充填管12。213热电行业UHMW2PE管材由于极高的耐磨性和自润滑性,适用于火力发电厂的烟道管。在煤炭灰分占10时,金属烟道管如果经四次转折每次的转角是90度,其使用寿命仅为两年3。而UHMW2PE管材寿命可以提高到10年以上。UHMW2PE管也适合于作电厂排灰管。粉煤灰是以煤炭为原料的火力发电厂的废渣,其发生量大致为燃煤量的1525,占电厂排渣量的758513。我国粉煤灰的排放量1993年已达9400万吨14,据了解,“九五“期间我国电力工业每年将新增装机15001700KW,与此相应,粉煤灰年新增排放量约为12001360万吨,照此估算,到2000年我国粉煤灰的年排放量将达116亿吨13,这就面临解决耐磨输送管道的问题。粉煤灰组分中,几乎全部为有用材料部分,可用物理和化学方法进行分选。粉煤灰的分选也涉及管道输送问题,即原状粉煤灰通过电厂风力管道输送至贮灰库,首先经磁力分选机,分选出铁精粉,剩余物再被送至电分选机进行碳分选,分选出富碳粉,剩余粉煤灰送至风选分离机,分选出空心玻璃质微珠14。214冶金业UHMW2PE管道由于极高的耐磨性、自润滑性,适合于冶金行业各种矿粉及冶炼废渣的输送。1995年我国钢产量达到8713万吨15,有色金属总产量约418万吨,“八五“期间平均递增1212,每年产生的冶炼废渣约7000多万吨16。我国不仅是钢铁生产大国,而且是焦炭生产大国,据不完全统计,到1993年末,我国公有炼焦企业不包括土焦和改良焦生产厂160余55何继敏等超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景家,形成焦炭生产能力约6300万吨/年17。了1600多KM的煤气输送管道1。我国已积累了聚乙烯燃气管输送人工煤气如上海市煤气公司的尝试、干煤气哈尔滨煤敢公司敷设的200KM管材现在运行中和液化厂油气的第一手资料和经验。中国现有HDPE然气管生产企业20多家,燃气管的生产约1015千吨20。1995年全国城市液化气供应量达45516万吨,天然气5214亿M3,煤气12716亿M315,管道需要量更大。从八十年代初开始至九十年代初,发展中国家和发达国家每年以3000KM和5000KM的速度进行石油成品运输管道的建设,目前世界上共有管道运输干线约145万KM。我国已有几条长距离成品油管道在运行,如青海格尔木至拉萨1080KM的成品油管道21。中国石油天然气工业是重要的能源生产行业,已建成320多个石油天然气生产基地以及扁及全国13个省市自治区的油气长输管道22,已有近115万KM输油管道的建设经验10。1995年我国天然气工业年产气174亿M3原油产量达到14945万吨,居世界第5位23。215建材业UHMW2PE管道由于极高的耐磨性、自润滑性、极低的摩擦系数,适合于建筑材料如沙砂石、水泥、石灰等的输送。UHMW2PE管道用于流砂等的固体输送管道,与钢管相比,寿命提高18倍,总成本降低24倍与尼龙管相比,寿命提高3倍,总成本降低近7倍并且由于自润滑性好,摩擦系数低,是钢材摩擦系数的1/31/4,输送时管内阻力比金属管小25,可大大提高输送效率1。我国大约有6000家水泥厂,1995年生产了414亿吨水泥,产量居世界第一,据估计,10年后,我国水泥年产量将达到6亿吨18。我国也是当今世界上石灰生产大国,产量居世界首位,据1989年对建材行业5000余家石灰企业调查,石灰总产量达到11000万吨19。216石油和天然气UHMW2PE管道具有优良的耐化学药品性,除强氧化性酸液外,在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质酸、碱、盐及有机介质萘溶剂除外,其在20和80的80种有机溶剂中浸滞30天,外表无任何反常现象,其它物理性能也几乎没有变化1。因此,UHMW2PE管道也可望用于石油、天然气等的输送。油田的周围环境对管道十分不利管道外部受酸性土壤、海水和天然盐水的腐蚀管道内部受含硫石油和盐水的腐蚀,结果管道腐蚀得特别快,钢管的使用寿命常常只有几个月。如果采用UHMW2PE管道,这种现象将得到大力改观3。标准ASTMD2513将管材表观拉伸屈服强度1714MPA作为燃气管强度的指标20,而UHMW2PE的拉伸强度可达1915MPA以上。因此,UHMW2PE管材有可能在燃气输送方面发挥作用。美国菲利浦石油公司已用牌号为DRISCOPIPE7000生产的UHMW2PE管材铺设217其它UHMW2PE管材由于优良的耐腐蚀性,也可用于化工原料、废气、废水、废渣的输送。我国目前城市污水日排放量350360亿M3。随着我国城市化率的不断提高,全国的污水排放量仍以每年615左右的速度增长,预计到2000年,城市污水年排放量将达700亿M3以上24。如果提高耐热性,UHMW2PE材也可用于集中供热管道。1994年全国已有197个城市建有热电厂和集中供热设施,三北地区热化率达2014。1995年全国集中供热面积为615亿315M,比1990年增长了3倍。市场前景近年来我国塑料管材企业越来越多,有一356何继敏等超高分子量聚乙烯管材的应用与市场前景定规模的PVCU管生产厂,全国估计就有150200家,总能力约为65万吨,能力远大于实际生产量25。19941995年受国际市场影响,PVC树指价格从原来6000元/吨涨到900010000元/吨,1995年下半年很多塑料管材加工企业成本大幅度增加,不少企业被迫停产,某些企业每生产每一吨塑料管材要亏损5001000元18。比较而言,UHMW2PE制品的附加值极高,树脂售价为115万元,在工程塑料中价格最低,而制品如压制烧结板材售价可达315415万元/吨管材可参考此售价。据了解,我国现有的UHMW2PE压制烧结板材企业都取得良好经济效益。UHMW2PE塑料管材作为一种综合性能优异的新型塑料管材,在代替钢管、铸铁管应用于上述行业,进行各种粉粒体、浆体、液体、气体的耐磨、耐腐蚀输送方面具有其它管材无可比拟的优越性,在国内外都还只是刚刚起步甚至空白目前UHMW2PE管已在国内某些面粉厂、金矿得到初步应用,却倍受人们的青睐。据了解,象北京面粉二厂这样的大型厂,全国便有2500多家,而象青岛面粉二厂那样的中小型厂,全国便有上万家,它们都需要UHMW2PE管材以解决原钢管用46个月、镀锌铁皮管用23个月便需更换的磨损问题。每个粮食加工厂都有上千米管路,规格在100280MM范围,若按1104管径算,每米UHMW2PE管材重1125KG,以保守计算,每个大中型厂按1000米计,则用1125吨,全国2500家大中型厂共需3125吨。可见UHMW2PE管材仅在面粉行业就有巨大的要求量。而煤炭、矿山等行业的应用则更为广阔,我国煤矿多达9万余个,一千多个县有煤矿1994年全国煤炭产量达到1213亿吨,继续保持世界第一,预计2000年将达到1415亿吨26。不言而喻,UHMW2PE管材有着极其巨大的市场潜力。4结束语UHMW2PE具有其它塑料无可比拟的综合性能,用单螺杆挤出成型和柱塞推压成型加工的UHMW2PE管材可望在粮食加工、煤炭、矿山、冶金、热电、石油、天然气等行业得到广泛应用,一旦开辟市场,其消费需求将不可估量。当然在实际应用过程中也会遇到许多具体问题,有待于人们去进行大量的研究和开发工作。可以预见,随着加工技术水平的不断提高,UHMW2PE将在国民经济的更多领域作出巨大贡献。参考文献何继敏、薛平、何亚东,工程塑料应用,1996555石嘴山矿务局第二煤矿,煤炭加工与综合利用,1996654W西默尔,塑料管在矿业中的应用,煤炭工业出版社,1980张同全,中国能源,1995543吴京,煤炭科学技术,199512刘玉章,中国能源,19961018王润清,煤炭加工与综合利用,1995239顾则仁,煤炭科学技术,1996121阎鹏、张茂林,煤炭科学技术,199681顾伯康,煤炭科学技术,1995155张荣曾,煤炭加工与综合利用,199635毛仲玉、王学民,煤炭科学技术,1995426翁如敏,能源工程,199618刘汉兴,污染防治技术,1996691冯向华,中国能源,1996923傅世业,中国能源,1996942王剑峰、张孝天,燃料与化工,19954174吴兆正,中国建材,1997113国这建材局综合计划司,中国能源,1992242王欣、魏若奇、张志刚,化学建材,1997255贺易田,中国能源,1995516李虞庚、王泰富、汪武敏,中国能源,1997138赵建华,中国能源,1997317【下转第44页】123456789101112131415161718192021222344潘炯玺等铝塑复合管的现状与发展粘接性表观拉伸强度爆破压力PEX与AL之间无分层2500N410MPA该生产线设备的价格为进口设备的1/5,即为400万元。硅烷交联聚乙烯专用料价格只有进口料的3/5,即为217万元/吨。可以大大降低生产成本,提高产品的市场况争力,节省大量外汇。持久耐压时间93,2MPA条件下500HRPEX交联度65铝塑复合管生产线的挤出速度可达810米/分铝