专利名称：：一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种改性复合材料，尤其涉及一种用于水轮机过流部件的改性超高分子量聚乙烯耐冲蚀材料。技术背景目前，水轮机的磨蚀问题严重威胁着水电站的安全运行与经济成本，已成为水电生产中急待解决的关键技术与难题。提高水轮机过流部件的抗磨性能，研制新的代用非金属耐冲蚀材料，是解决水轮机沙粒磨损及提高安全运行与降低经济成本的重要途径。我国不同水域水轮机过流部件使用不同的材料，具有代表性的材料有35、45、55号普通碳钢，20SiMn、Cr5Cu低合金钢，0Crl8Ni9Ti、lrl8Ni9Ti普通不锈钢和0Cr13-Ni4Mo、0Crl3Ni5Mo、0Crl3Ni6Mo高强度不锈钢，以及ZG00Crl6Ni5Mo钢等。碳钢的耐冲蚀、抗气蚀性能较低，不适合水轮机的耐冲蚀、抗气蚀使用性能要求，而且合金钢和不锈钢材料的价格昂贵。由此，人们都在研发能替代昂贵金属材料且又符合水轮机过流部件使用性能要求的非金属复合材料。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因其具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、耐低温、自润滑和摩擦系数小等优良特性，作为工程塑料应用日趋广泛。但因其没有克服超高分子量聚乙烯尚存的一些缺陷，如硬度低、耐温性能和流动性能差，使得在一定程度上限制了超高分子量聚乙烯的应用范围。为了克服UHMWPE的这些缺点、弥补其不足，使UHMWPE在条件要求较高的某些场所得到应用，需要对其进行改性。其改性方法包括物理和化学改性，其主要目的是降低加,工粘度，但同时，必须保持UHMWPE的优异性能，其中有代表性的方法是共混改性。如日本专利公开特许62-48747披露的对超高分子量聚乙烯添加无机填充剂来改变或提高某些性能，作为改性超高分子量聚乙烯，分子量在100万左右，但须添加脂肪酸脂。如美国专利USP4281070中在UH丽PE/LDPE共混体系中加入极小量的细小的成核剂，可以较好地补偿机械性能的降低，但配方复杂，没有有效解决UHMWPE长分子链相互缠结的问题。如，韩国专利EP722973Al公开了一种超高分子量聚乙烯改性方法，采用在熔融状态下，使用过氧化物交联超高分子量聚乙烯以增强其耐磨性。又如，披露了添加改性剂以提高超高分子量聚乙烯流动性的专利文献有CN119固A、CN1245179A、USP4487875、特开昭JP60-240748A，但其力学性能均会下降。
发明内容针对上述情况，本发明的目的是提供一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料以及制备该3耐冲蚀材料的步骤，它既保持超高分子量聚乙烯的力学性能又具有很高的耐冲蚀性能的纳米二氧化硅改性超高分子量聚乙烯，且加工容易，制备工艺简单，成本降低，不会破坏超高分子量聚乙烯的优异性能，使用寿命延长，无环境污染，节省贵重金属材料，性价比高。本发明是通过下列技术方案实现的一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，它以超高分子量聚乙烯为主要原料，加入纳米二氧化硅进行改性制得用于水轮机过流部件的复合材料，其中A、复合材料的各组分(重量份)及含量为-超高分子量聚乙烯8791.7wt%纳米二氧化硅812wt%偶联剂0.040.1wt%稀释剂0.160.4wt%抗氧剂0.10.5wt%B、复合材料的制备步骤为(I)纳米二氧化硅颗粒的表面处理把偶联剂用无水乙醇按上述比例稀释，然后边搅拌纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂；(II)配料与混合在多功能混料机中，依次加入上述超高分子量聚乙烯，纳米二氧化硅，抗氧剂，高速搅拌成均匀的混合粉料，备用；(III)将上述混合粉料加入模具；(IV)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为1020MPa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；(V)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为120190°C，保温时间为80120分钟；(VI)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为3060MPa时，冷却至室温，脱模即得到用于水轮机过流部件的复合材料。其进一步的措施是超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150500万。纳米二氧化硅的平均粒径为2060纳米。偶联剂是硅烷KH-560偶联剂或KH-570偶联剂或钛酸酯NDZ-101偶联剂。稀释剂为丙酮或乙醇。抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂264。本发明采用超高分子量聚乙烯为主要原料，加入纳米二氧化硅进行改性制得用于水轮机过流部件的复合材料的技术方案，它克服了传统水轮机过流部件须使用昂贵的金属复合材料的缺陷。本发明的用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料与现有技术相比具有的有益效果1、本发明采用耐磨性能很好的超高分子量聚乙烯为主要原料，经改性后制得的耐冲蚀材料，其耐水机沙粒冲蚀性能提高了25%35%。2、通过对超高分子量聚乙烯的纳米二氧化硅改性，不但提高了超高分子量聚乙烯本身的硬度，同时也获得了很好的冲击强度。3、本发明的用于水轮机的耐冲蚀复合材料，具有加工容易，制备工艺简单，不会破坏超高分子量聚乙烯的优异性能，无环境污染。4、用本发明的纳米二氧化硅改性超高分子量聚乙烯制作的耐磨板，较同样体积的不锈钢板，其重量轻78倍，使用寿命却提高了34倍，节省了大量的贵重金属材料，具有很高的性价比。本发明适合作各电站水轮机过流部件的替代材料，特别适合制作水轮机的抗磨板以替代水轮机的不锈钢0Crl8Ni9Ti抗磨板。下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。具体实施方式实施例1复合材料按以下组份(重量份)和含量配制超高分子量聚乙烯(粘均分子量250万)91.7wt%纳米二氧化硅(平均粒径20纳米)硅烷KH-560偶联剂稀释剂乙醇抗氧剂2648wt%0.04wt%0.16wt%0.1wt%1)选用平均粒径为20纳米的二氧化硅颗粒作填料并进行表面处理先将0.04wt。/。的硅垸KH-560偶联剂用0.16wa乙醇稀释后，然后边搅拌8wtW的纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂，混合均匀、烘干，备用；2)配料与混合在多功能混料机中，加入91.7wty。的超高分子量为250万的聚乙烯和步骤1)处理过的纳米二氧化硅混合1小时，然后再加入0.1wt9i抗氧剂264混合5分钟，备用；3)将上述混合粉料加入模具；4)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为10Mpa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；5)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为12(TC，保温时间为120分钟；6)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为30MPa时，冷却至室温，脱模即得到本发明的复合材料。复合材料的性能见表l。实施例2复合材料按以下组份(重量份)和含量配制超高分子量聚乙烯(粘均分子量300万)90.5wt%纳米二氧化硅(平均粒径30纳米)9wt%KH-570偶联剂0.05wt%稀释剂丙酮0.2wt%抗氧剂2640.25wt%1)选用平均粒径为30纳米的二氧化硅颗粒作填料并进行表面处理先将0.05wty。的硅垸KH-570偶联剂用0.2wt"/。丙酮稀释后，然后边搅拌9wtX的纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂，混合均匀、烘干，备用；2)配料与混合在多功能混料机中，加入90.5wt。/。的超高分子量为300万的聚乙烯和步骤1)处理过的纳米二氧化硅混合1小时，然后再加入0.25wt。/。抗氧剂264混合5分钟，备用；3)将上述混合粉料加入模具；4)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为12MPa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；5)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为14(TC，保温时间为110分钟；6)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为40MPa时，冷却至室温，脱模即得到本发明的复合材料。复合材料的性能见表l。实施例3复合材料按以下组份(重量份)和含量配制超高分子量聚乙烯(粘均分子量150万)89.4wt%纳米二氧化硅(平均粒径40纳米)10wt%钛酸酯NDZ-101偶联剂0.06wt%稀释剂乙醇0.24wt%抗氧剂10100.3wt%1)选用平均粒径为40纳米的二氧化硅颗粒作填料并进行表面处理先将0.06wtM的钛酸酯NDZ-101偶联剂用0.24wt。/。乙醇稀释后，然后边搅拌10wt。/。的纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂，混合均匀、烘干，备用；2)配料与混合在多功能混料机中，加入89.4wty。的超高分子量为150万的聚乙烯和步骤l)处理过的纳米二氧化硅混合1小时，然后再加入0.3wt。/。抗氧剂1010混合5分钟，备用；3)将上述混合粉料加入模具；4)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为20MPa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；5)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为190°C，保温时间为80分钟；6)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为60MPa时，冷却至室温，脱模即得到本发明的复合材料。复合材料的性能见表l。实施例4复合材料按以下组份(重量份)和含量配制超高分子量聚乙烯(粘均分子量350万)88.2wt%纳米二氧化硅(平均粒径50纳米)11wt%硅烷KH-560偶联剂0.08wt%稀释剂乙醇0.32wt%抗氧剂10100.4wt%1)选用平均粒径为50纳米的二氧化硅颗粒作填料并进行表面处理先将0.08wt呢的硅烷KH-560偶联剂用0.32wt呢乙醇稀释后，然后边搅拌11wt。/。的纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂，混合均匀、烘干，备用；2)配料与混合在多功能混料机中，加入88.2wt。/。的超高分子量为350万的聚乙烯和步骤1)处理过的纳米二氧化硅混合1小时，然后再加入0.4w惱抗氧剂1010混合5分钟，备用；3)将上述混合粉料加入模具；4)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为16MPa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；5)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为170°C，保温时间为90分钟6)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为50MPa时，冷却至室温，脱模即得到本发明的复合材料。复合材料的性能见表l。实施例5复合材料按以下组份(重量份)和含量配制超高分子量聚乙烯(粘均分子量500万)87wt%纳米二氧化硅(平均粒径60纳米)12wt%钛酸酯NDZ-101偶联剂0.1wt%稀释剂乙醇0.4wt%抗氧剂10100.5wt%1)选用平均粒径为60纳米的二氧化硅颗粒作填料并进行表面处理先将O.lwt《的钛酸酯NDZ-101偶联剂用0.4wt。/。乙醇稀释后，然后边搅拌12wt。/。的纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂，混合均匀、烘干，备用；2)配料与混合在多功能混料机中，加入87wty。的超高分子量为500万的聚乙烯和步骤1)处理过的纳米二氧化硅混合1小时，然后再加入0.5wt。/。抗氧剂1010混合5分钟，备用；3)将上述混合粉料加入模具；4)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为18MPa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；5)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为16(TC，保温时间为100分钟；6)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为55MPa时，冷却至室温，脱模即得到本发明的复合材料。复合材料的性能见表l。对比实例按照以下组份和含量进行配制超高分子量聚乙烯(粘均分子量250万)99.8wt%抗氧剂10100.2wt%将99.8wty。的超高分子量聚乙烯和0.2wt。/。抗氧剂1010在多功混料机中混合5分钟。将混合均匀的物料装入模具，在压力为16MPa的压力下预压2分钟后，卸压30秒，排除空气。然后，将物料随同模具在电阻炉中加热，温度为125'C，保温时间为85分钟。取出模具，加压自然冷却到室温。压力为40MPa，脱模，即得到本发明的超高分子量聚乙烯。超高分子量聚乙烯的性能见表1应用实例8本发明所得的纳米二氧化硅改性超高分子量聚乙烯，用于青海省海南都海拉峡水电站，替代不锈钢0Crl8Ni9Ti制作水轮机的抗磨板。水电站的水头为96米，含沙量为20%，沙粒粒度小于0.01mm。不锈钢0Crl8Ni9Ti的使用寿命不到三个月，而本发明复合材料的使用寿命为12个月，使用寿命提高了34倍；其使用成本为不锈钢0Crl8Ni9Ti抗磨板的成本是20003000元，本发明复合材料抗磨板的成本是300400元，两者比较，后者降低了1/7，即本发明复合材料在水电站实际使用的性价比为不锈钢OGrl8Ni9Ti的20倍。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注本发明复合材料的耐冲蚀性能采用耐冲蚀磨损率来衡量。即单位时间单位面积的质量损失，简称冲蚀率e(m.h—》按下式计算f=-式中Am—冲蚀前后试样损失的重量(g);S—试样的有效冲蚀面积(m2);t—冲蚀时间(h)。权利要求1、一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，它以超高分子量聚乙烯为主要原料，加入纳米二氧化硅进行改性制得用于水轮机过流部件的复合材料，其中A、复合材料的各组分(重量份)及含量为超高分子量聚乙烯87～91.7wt％纳米二氧化硅8～12wt％偶联剂0.04～0.1wt％稀释剂0.16～0.4wt％抗氧剂0.1～0.5wt％B、复合材料的制备步骤为(I)纳米二氧化硅颗粒的表面处理把偶联剂用无水乙醇按上述比例稀释，然后边搅拌纳米二氧化硅填料边喷洒稀释后的偶联剂；(II)配料与混合在多功能混料机中，依次加入上述超高分子量聚乙烯，纳米二氧化硅，抗氧剂，高速搅拌成均匀的混合粉料，备用；(III)将上述混合粉料加入模具；(IV)对加入混合粉料的模具进行预压与排空在预压压力为10～20MPa时，对模具预压2分钟后卸压30秒，排除空气；(V)保温将混合粉料随模具一同放入电阻炉内加热，温度为120～190℃，保温时间为80～120分钟；(VI)加压、冷却、成型保持上述混合粉料与模具在压力为30～60MPa时，冷却至室温，脱模即得到用于水轮机过流部件的复合材料。2、根据权利要求1所述的一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，其特征在于超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150500万。3、根据权利要求1所述的一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，其特征在于纳米二氧化硅的平均粒径为2060纳米。4、根据权利要求l所述的一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，其特征在于偶联剂是硅烷KH-560偶联剂或KH-570偶联剂或钛酸酯NDZ-101偶联剂。5、根据权利要求1所述的一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，其特征在于稀释剂为丙酮或乙醇。6、根据权利要求l所述的一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，其特征在于抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂264。全文摘要一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，它以超高分子量聚乙烯为主要原料，加入纳米二氧化硅改性制得用于水轮机过流部件的复合材料，其中，A.组分及含量超高分子量聚乙烯87～91.7wt％，纳米二氧化硅8～12wt％，偶联剂0.04～0.1wt％，稀释剂0.16～0.4wt％，抗氧剂0.1～0.5wt％；B.制备步骤(I)纳米二氧化硅颗粒处理；(II)配料与混合；(III)混合粉料加入模具；(IV)模具预压与排空；(V)保温；(VI)加压、冷却、成型、脱模。它采用超高分子量聚乙烯为主加入纳米二氧化硅进行改性的技术方案，克服了传统水轮机过流部件须使用昂贵的金属复合材料的缺陷；它适合作各水轮机过流部件的替代材料，特别适合制作水轮机的抗磨板以替代水轮机的不锈钢0Cr18Ni9Ti抗磨板。文档编号C08L23/06GK101260208SQ200810031088公开日2008年9月10日申请日期2008年4月17日优先权日2008年4月17日发明者肖华林,辉胡,郭源君,高永毅申请人:湖南科技大学