一种提升机用高密度聚乙烯复合衬板及其制备方法与流程

本发明涉及提升机，尤其涉及一种提升机用高密度聚乙烯复合衬板及其制备方法。

背景技术：

1、缠绕式矿井提升机是各类矿山生产的主要设备之一，卷筒是缠绕式提升机的主要承载部件，提升机运转时，钢丝绳相对卷筒表面有拉拽滑移的摩擦动作，卷筒主要受到已缠到卷筒上的钢丝绳拉力对卷筒的外载荷作用力，相当于在卷筒筒壳外有一个均匀的径向压力，筒壳变形、焊缝开裂、安装螺栓孔处等产生裂纹的故障都是在该压力作用下产生的。沿筒壳轴向安装在筒壳上的衬板，钢丝绳缠绕在衬板上，衬板与筒壳一起抵抗弯曲变形，分担筒壳上的外载荷，使筒壳受力均匀，提高了卷筒的承载能力，并减少钢丝绳的磨损，提高钢丝绳的使用寿命，提升机卷筒上衬板的质量好坏及工作情况直接影响着卷筒及钢丝绳的使用寿命，甚至关系到提升系统的运行是否安全。

2、最早提升机衬板采用木质衬板，木质衬板最大的缺点就是不抗腐蚀、不耐磨损。提升机的使用环境大多在矿井的井下或井口，木质衬板在潮湿的环境中很容易腐烂，木质衬板在卷筒上受到钢丝绳张力的作用，尤其是提升机卷筒在缠绕钢丝绳和松放钢丝绳绳时，受到交变应力等的作用，影响着衬板和钢丝绳的使用寿命，影响着提升机的运行安全，频繁更换衬板不仅浪费资源且影响生产。

3、近年来，木质衬板渐渐被塑料衬板所取代，明显降低了钢丝绳与绳槽的接触力，从而大大降低钢丝绳的磨损，有效地延长钢丝绳的使用寿命。目前常用由聚丙烯、uhmw-pe塑料(超高分子量聚乙烯)、mc尼龙等工程塑料做成的衬板，其优点就是耐腐蚀、耐磨损，延长了衬板的使用寿命；缺点就是韧性差，很容易断裂，只要提升机的卷筒平整度稍差，在钢丝绳的巨大压力下，很容易断裂。提升机并非很精密的设备，卷筒平整度稍有差异很常见,再有很多老旧但仍在使用的提升机，卷筒变形更是常见，这就导致聚丙烯类塑料衬板经常在使用中部分断裂，不仅修补麻烦、影响生产，而且存在很大的安全隐患，高速运转的提升机，衬板一旦断裂脱落，甩出后很容易造成设备、人员损伤。

4、高密度聚乙烯(hdpe)是一种广泛应用的热塑性塑料，hdpe具有良好的耐化学稳定性，易成型，优良的耐候性等优点。但是现有普通高密度聚乙烯分子量高、熔体粘度大、挤出速率低，加工性能差，韧性和耐磨性能较差，用于制作提升机的卷筒衬板时，对hdpe的韧性和耐磨性能有较高的要求，普通hdpe材料无法满足要求。为了提高hdpe的耐磨性，一般而言，会加入玻纤、玻璃微珠、以及硅酸盐等无机填料，但填料添加量一般较高，导致材料的韧性、断裂伸长率等大幅降低。

5、为了解决现有塑料衬板的不足，我们研发了用高密度聚乙烯复合材料制作卷筒衬板，工艺简单，制作成本低，具有抗老化、抗腐蚀、耐磨损、韧性好的性能优点，广泛适用于矿井下提升机及其它耐磨保护的场所。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供一种提升机用高密度聚乙烯复合衬板及其制备方法，采用高密度聚乙烯复合衬板，提高衬板的承载能力、耐磨性和韧性，抗压能力强，不易断裂，衬板的内圆弧面与卷筒筒壳紧密接触，衬板紧密排列，应用在高速运转的提升机卷筒上，避免因衬板断裂而造成设备损坏和人员受伤的重大事故，提高衬板和钢丝绳的使用寿命，提高提升机运行效率，降低生产运行成本。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种提升机用高密度聚乙烯复合衬板，包含以下重量份数的各组分：高密度低压聚乙烯70-85份、耐磨填充母料8-15份、碳酸钙晶须7-12份、改性添加剂2-6份。

3、所述改性添加剂包含润滑剂0.3-1.2份、发泡剂0.4-0.6份、助发剂0.05-0.3份、钙锌稳定剂0.05-0.15份、偶联剂0.3-0.6份、阻燃剂0.05-0.15份、脱模剂0.05-0.15份。

4、其中，以重量份数计，填充母料的组分配比为：无机填料70-80份，低密度聚乙烯20-30份，偶联剂 1-2份，硬脂酸1-2份，石蜡2-4份，钛白粉2-4份。

5、其中，填充母料中的无机填料为二氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳化钼、三氧化二铝、碳酸钙中的至少一种。

6、其中，碳酸钙晶须的长度为10-40μm，直径≤2.0μm。

7、其中，偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的至少一种。

8、其中，发泡剂为偶氮二甲酰胺、碳酸氢钠中的至少一种；助发剂为氧化锌、硼砂、硬脂酸、草酸、水杨酸、苯二甲酸中的至少一种。

9、其中，润滑剂为聚乙烯蜡、羟基硬脂酸、硬脂酸正丁酯、硬脂酸单甘油酯的至少一种。

10、其中，脱模剂采用塑料脱模剂，其是采用高粘度聚硅氧烷、环保型表面活性剂及高效乳化剂反应而成的水性乳液。

11、其中，阻燃剂为添加型无机阻燃剂氢氧化镁。

12、其制备方法包括以下步骤：

13、步骤一、制备填充母料，将填充母料的原料按照重量份数称量好，加入到高速混合机中，于90-100℃下混合2-3分钟，混合均匀，再将所得混合物加入同向旋转双螺杆挤出机中，控制双螺杆挤出机的料筒温度为180-190℃，混合物挤出热切造粒制得填充母料颗粒。

14、步骤二、将高密度低压聚乙烯、填充母料、碳酸钙晶须、改性添加剂按重量份数配比称量好，加入到高速搅拌机中高速混合3-10分钟，混合均匀，制成均匀的预混料，混合温度为80-90℃；

15、步骤三、将预混料投入到双螺杆挤塑机内，经高温塑化再挤压到定型模具中，其中塑化的温度为170-180℃；

16、步骤四、定型模具内喷涂脱模剂，在磨具内水冷定型为条状型材，再将型材切割成需要的衬板尺寸；

17、步骤五、每块衬板经过雕刻机雕刻绳槽，制成带有绳槽及安装孔的高密度聚乙烯复合衬板。

18、本发明以高密度聚乙烯为主材的改性复合材料，加入以低密度聚乙烯为基料，添加耐磨的无机填料、偶联剂等制成耐磨填充母料，再将填充母料与高密度聚乙烯、碳酸钙晶须进行匹配，加入复合偶联剂等改性添加剂，制备出高密度聚乙烯复合衬板材料，混杂增强体与聚乙烯基体之间的粘合效果以及相容性均明显较优，聚乙烯基体材料呈现网络结构，进一步提升高密度聚乙烯的硬度及耐磨性能和韧性，改善其流动加工性能和抗冲击性能。

19、低密度聚乙烯与高密度聚乙烯共聚改性以增强复合衬板的耐磨性，低密度聚乙烯较柔软，强度低；高密度聚乙烯强度大，韧性较差，两者共混，可取长补短。高密度聚乙烯、碳酸钙晶须的共混体系中加入经改性的低密度聚乙烯填充母料，则由于低密度聚乙烯与高密度聚乙烯部分共晶，而达到改善其性能的目的。用低密度聚乙烯改善高密度聚乙烯的流动性，再用改性剂进一步改善其流动性，使其具有硬度适中，韧性适中，耐磨性优等特点，既适合提升机卷筒衬板的制备使用，也适用于其它耐磨保护的场所。

20、本发明的制备方法易于操作，且分步混合，有效减弱各种混合料之间的排斥作用，使得混合更加充分均匀，所得的衬板制品性能稳定；通过原位熔融、共挤工艺，将挤出成型和烘箱加热模具压制成型等多种成型工艺相结合，形成高分子材料大量高温挤出及模具压制一次成型加工技术，合理控制温度或时间，保证原料特别是碳酸钙晶须在基体内的均匀分布，使聚乙烯长链与无机填料发生物理/化学相互作用，并通过毛细管效应使两者充分融合。既能有效克服原有工艺的成本贵、且机械性能差、韧性差的不足，同时还能有效提高制品的机械性能，具有卷筒衬板长期在恶劣条件下使用所需的强度高、变形小、耐腐蚀、韧性好等特性。

21、钙锌稳定剂是一种环保高效多功能液体钙锌复合热稳定剂，具有优异的初期白度和热稳定性，耐硫化污染；具有良好的润滑性和独特偶联作用，赋予填充剂良好的分散性，增进与聚乙烯的包裹，提高聚乙烯复合衬板制品性能，减少机械磨损，延长使用寿命；兼具增韧和促进熔融作用，塑化流动性好；相溶性好、挥发性低、迁移性小、抗光性佳，不仅具有很好的相容性和对粘度的控制性，可赋予混合料良好的均匀塑化及高速熔融流动性，使制品表面光滑，而且能提供很好的初期着色性和保色性，用于高密度聚乙烯衬板制品时不会产生表面析出及迁移现象。

22、无机填料在低密度聚乙烯基体中的分散情况对改性聚乙烯的机械强度影响较大，如果无机填料分散不均匀，则性能就会很差，很难得到理想的结果。采用耐磨性强的无机填料能得到较好的机械强度，稳定性也很好。为避免其因尺寸太小，自身容易发生凝聚而造成分散不均匀的问题，先用偶联剂处理后先制备填充母料，无机填料与树脂的混合工艺采用母料法，比乳液混合法或悬浮混合法处理，成本较低且能连续生产，分散的也很均匀。通过调整填充母料配方，以达到聚乙烯制品加工增加硬度、比重，降低收缩比例等成型需求，填充相容性好，能够降低生产成本，可大大降低制品的收缩比例，提高其物理性能。

23、碳酸钙晶须作为晶体纤维材料，原料来源丰富，白色度高，为塑料改性的绿色新型添加剂，具有强度高、模量高、热稳定性好等优点。改性后的碳酸钙晶须与hdpe基体均匀混合在一起，便形成了无机相-有机相界面，有更好的界面性能，当复合材料的缺口受到冲击时，需要消耗一定的能量将无机填料从基体中拔出以及破坏无机相-有机相界面，提升改性聚乙烯复合材料的冲击性能。碳酸钙晶须能有效阻止裂纹扩展和加速能量耗散，碳酸钙晶须对hdpe材料具有较好的增强增韧效果，改善了聚乙烯复合材料的力学性能和耐热性能，提高材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度。碳酸钙晶须填充聚乙烯，明显改善体系的加工性能；碳酸钙晶须中碳酸根离子与hdpe分子有更好的相容性，从而减少了分子间空隙，提高了材料的耐水性能。

24、复合型偶联剂比单一的表面改性剂具有更优越的性能，具有良好的协同作用。硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂的加入使高密度聚乙烯基体与填充母料之间形成“桥接”形式的过渡层，可有效传递和转移应力，增强了填充母料与高密度聚乙烯基体之间的结合作用，更好地吸收与分散外界冲击能，从而提高体系韧性。碳酸钙晶须在hdpe中仍然保持晶须结构，而经表面处理后的碳酸钙晶须在聚乙烯基体中两相界面边缘更为模糊，相容性更好，碳酸钙晶须可以较均匀地分散在高密度聚乙烯基体中，与基体材料的结合较紧密因此添加改性聚乙烯的复合材料力学性能也得到提高。

25、填充母料中，采用偶联剂处理无机填料，使无机填料与聚乙烯基体“粘结”在一起，大大增加了两者之间的作用力，无机填料与聚乙烯基体或与无机填料之间以化学力结合，增加无机填料与聚乙烯基体的结合力。

26、钛酸酯偶联剂能与带有质子的碳酸盐进行反应形成化学键，从而使填料表面覆盖着钛偶联剂分子层，另外它带有的各种官能团与聚乙烯高聚物分子产生化学交联或物理缠结现象。碳酸钙表面经过预处理，提高其表面活性，再用钛酸酯偶联剂水相乳浊液处理，提高偶联效果。

27、本发明使用能产生均匀泡孔的复合发泡剂，使复合材料轻量化，比重轻，对提升机设备的转动惯量和无功功率增加不大。硬脂酸有效改善了熔体的流动性和复合材料的表面光滑度。

28、选用双螺杆挤出机混炼效果比单螺杆挤出机效果更好，且能大量生产，塑化均匀。

29、本发明的有益效果：本发明通过原位熔融、共挤模压成型工艺制得了一种高密度聚乙烯复合材料，以高密度聚乙烯为基体，添加碳酸钙晶须及耐磨填充母料和改性添加剂，改善了高密度聚乙烯的性能，该高密度聚乙烯复合衬板具有耐环境应力开裂性能，还具有更高的力学强度、耐磨性和韧性等综合性能，大大提高衬板本身的韧性和耐磨性能，尤其适应井下恶劣环境下使用。复合衬板经模压成型后，再通过雕刻加工绳槽，绳槽表面光滑，且衬板与卷筒有相同半径的圆弧面，尺寸精确，带有绳槽及安装孔，使用安装方便．钢丝绳排列整齐，应用在高速运转的提升机卷筒上，避免因衬板断裂而造成设备损坏和人员受伤的重大事故，提高衬板和钢丝绳的使用寿命，提高提升机运行效率，降低生产运行成本。