聚氨酯弹性体在疏浚吹填工程中的应用前景
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摘 要：本文主要从聚氨酯弹性体的发展与现状、分类、性能与结构的关系、工程中应用实例的介绍，以及应用前景的展望等几个方面进行简述。便于加强对聚氨酯弹性体的认识和理解，进而在疏浚施工中进行推广和应用。
关键词：聚氨酯弹性体 复合抗磨环 复合耐磨短管 复合钢管 离心浇注 聚脲喷涂
中图分类号：U616.26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0030-02
所谓弹性体是指玻璃化温度低于室温，扯断伸长率＞50%，外力撤除后复原性比较好的高分子材料。而玻璃化温度高于室温的高分子材料称为塑料。在弹性体中，其扯断伸长率较大（＞200%），100%定伸应力较小（如＜30Mpa），弹性较好的可称为橡胶。所以弹性体是比橡胶更为广泛的一类高分子材料，当然这种区别是相对的。
聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类，其原材料品种繁多，配方多种多样，可调范围很大。聚氨酯弹性体硬度范围很宽，低于邵尔A10以下的低模量橡胶，高至邵尔D85的高抗冲击弹性材料（弹性模量可高达数百兆帕，大大超出了其他橡胶弹性模量（约0.2～10Mpa）的范围）。所以聚氨酯弹性体的性能范围很宽，是介于橡胶到塑料的一类高分子材料。
聚氨酯弹性体制品的加工方法多种多样。有的采用普通橡胶加工设备成型，有的采用热塑性塑料加工设备成型，有的采用液体浇注成型。随着合成工艺和加工应用技术的不断改进和发展，反应注射模塑和水性聚氨酯喷涂等新的加工成型技术也实现了工业化。
本文从聚氨酯弹性体的发展与现状、分类、性能与结构的关系，工程中应用实例的介绍，以及应用前景的展望等几个方面进行简述。便于加强对聚氨酯弹性体的认识和理解，进而在疏浚施工中进行推广和应用。
1 聚氨酯弹性体应用技术的发展与现状
聚氨酯弹性体合成技术最早发展于德国，距今约60年的历史。其应用开发发展于美国。我国聚氨酯弹性体技术的研究应用开发较晚，距今不到30年的历史，但聚氨酯的消费量逐年剧增。但是过去很长一段时间由于主要原料主要依靠进口，其材料价格较高，影响了聚氨酯弹性体材料的工业化应用。随着我国对主要原料生产能力的提高以及人们对聚氨酯弹性体的认识逐渐加深，聚氨酯弹性体的应用逐渐得到普及，尤其是在矿山机械方面的应用得到较好的推广。但在疏浚行业，该材料的应用尚处于尝试阶段。
2 聚氨酯弹性体的分类和相应的加工技术
聚氨酯弹性体按照其制品的加工方法分类，主要分为浇注型（CPU）、热塑性（TPU）和混炼型（MPU）三大类。
聚氨酯弹性体加工方法多种多样，其中浇注型的加工方法按生产方式分为手工间歇法和机械连续法；按浇注方式分为垂直浇注法、倾斜浇注法、底部浇注法、旋转浇注法和喷涂法；按制品成型方法分为常压模制法、压力模制法、离心模制法、真空模制法和传递模制法等等。热塑型的加工方法有熔融法和溶液法。其中熔融加工是塑料工业常用的工艺：如混炼、压延、挤出、吹塑和模塑（包括注射、压缩、传递和离心（粉末）等），溶液加工是将粒料溶于溶剂或直接在溶剂中聚合而制成溶液再进行涂覆、纺丝等。一般不需要进行硫化交联反应，可缩短生产周期，废弃物料能够回收重新加以利用。混炼型的加工方法，通常可采用橡胶的加工办法进行加工。
3 聚氨酯弹性体的性能与结构的关系
聚氨酯弹性体大分子中存在柔性大的软链段和刚性强的硬链段、氢键和苯环等特征结构。在软链段、硬链段、氢键和苯环等共同作用下，聚氨酯弹性体的综合性能出众。主要表现在该类弹性体具备了从橡胶到塑料的许多宝贵特性。
（1）硬度范围宽。而且在高硬度下仍具有良好的橡胶弹性和伸长率。
（2）强度高。在橡胶硬度下它们的拉伸强度和撕裂强度比通用橡胶高得多；在塑料硬度下它们的冲击强度和弯曲强度又比塑料高很多。
（3）耐磨。享有“耐磨橡胶”的佳称，其阿克隆磨耗可以达到0.01cm3/1.61km是耐磨橡胶（0.1cm3/1.61km）的10倍以上。
（4）耐油。聚酯型聚氨酯弹性体的耐油性能不低于丁腈橡胶，与聚硫橡胶相当。
（5）耐臭氧性能优良。
（6）吸振、抗辐射和耐透气性好。
4 工程应用实例
4.1 聚氨酯弹性体复合抗磨环、复合耐磨短管的应用
泥泵是绞吸式挖泥船的核心部件，抗磨环和耐磨短管是泥泵中的主要配件。由于气蚀的原因，传统钢质产品的磨损严重，影响到泥泵的工作效率，也制约了疏浚效率。我们于2000年研制成功聚氨酯弹性体复合抗磨环和复合耐磨短管，并应用于荣成绿岛湖疏浚吹填造地工程中。该工程所使用的挖泥船为海狸600型，输送管线内径414mm，排距3km左右，工作压力为0.4Mpa，输送的介质为中粗砂，水质为海水。由于输送介质为硬度较高的中粗海砂，对泥泵配件磨损严重。材质为16Mn的抗磨环和耐磨短管气蚀严重，平均寿命为400h左右。而我们研制的聚氨酯弹性体复合抗磨环和复合耐磨短管使用寿命达到2000多个小时。其使用寿命约为16Mn抗磨环的5倍左右。
4.2 聚氨酯弹性体泥泵端盖密封圈的应用
泥泵端盖密封圈是泥泵重要零件之一。密封圈一旦损坏，不仅仅因停机更换造成设备运转效率的降低。更重要的是由于密封圈的磨损，造成端盖磨损，给端盖修复造成很大的困难。更严重的会造成端盖报废。我们结合工程工况设计并制作了弹性体密封圈，该产品应用于浙江润钦疏浚工程有限公司润钦6号挖泥船。该挖泥船现在天津北塘疏浚吹填工程中施工。该挖泥船为3500m3，管线直径为850mm，工作压力1Mpa左右，排距5km，疏浚土质为粗粉砂。该船原来使用的为耐磨橡胶制作的密封圈，使用寿命最多1个月，更换弹性体的密封圈后，已经使用3个多月，依然完好，没有明显磨损。
4.3 内衬聚氨酯弹性体复合钢管的应用
内衬聚氨酯弹性体复合钢管，就是在钢管内壁经离心浇注形成一定厚度的聚氨酯弹性体，然后经固化成型达到材料应有的物理性能指标。内衬聚氨酯弹性体根据输送介质的不同进行配方调整，以满足不同工况的使用要求。该产品主要具有以下特点。
4.3.1 耐磨性能优异
由于内衬聚氨酯有较好的弹性，当受到介质冲击时，聚氨酯在外力作用下被迫压缩，外力消失后，聚氨酯又恢复原状
4.3.2 防结垢
内衬聚氨酯弹性体具有对称的分子结构，是对外呈无极性状态，形成不了对浆液中无机离子的吸附作用，形不成垢层。且其内表面光滑，弹性好，能防止垢层的附着，因此具有较好的防垢缓垢性能。
4.3.3 运行阻力小
聚氨酯弹性体具有在较高的硬度时仍保持良好的弹性的特性，于是可以在保持弹性的基础上提高硬度，于是其流阻明显低于内衬橡胶复合钢管。另外其内衬表面光滑，复合管内壁的绝对粗糙和相对粗糙比钢管小一个数量级以上，能减少20%以上的阻力，特别是高浓度浆液输送系统，运行阻力小。
4.3.4 粘接力强
内衬聚氨酯与钢管粘接力强，采用离心浇注的工艺，聚氨酯弹性体同钢管达到100%的结合。采取独特的整体翻边工艺，不会出现脱落、脱空和局部撕裂的现象。
4.3.5 重量轻、安装方便
由于基体管采用薄壁管，重量相对较轻。安装时其连接方法通常采用法兰连接，安装方便（如表1）。
由于内衬聚氨酯弹性体复合钢管具有优异的耐磨、耐酸、耐碱、防结垢、耐辐射、高弹性、抗机械冲击等综合性能。已应用于电力、矿山、建材、化工等行业输送煤粉、灰渣、矿粉、铝液、泥浆等磨削性颗粒物料和腐蚀性介质。
电力行业：火力发电厂的除灰管道、灰渣管道、灰水回收管道，对于电厂淡水、海水除灰及酸性介质输送系统使用聚氨酯复合钢管更体现出其优越性。
矿山行业：铁矿矿浆、矿山精矿、尾矿输送系统，矿石浮选系统闭式循环管道，采金矿的水沙输送。
建材、化工行业：钢铁厂焦粉的输送，铝厂赤泥的输送、水泥厂煤粉的输送，输送腐蚀的酸、碱、盐及磨蚀兼有的固体、液体管道。如石油开采中的管道输送，排淤工程，城市供水系统，铝液输送管，均具有明显的效果。
4.4 聚脲喷涂聚氨酯复合钢管
聚脲喷涂聚氨酯弹性体具有硬度高，反应固化速度快，施工方便等优点。广泛应用于建筑、船舶、水利、交通、机械、化工、矿山、环保和娱乐等领域，显示了强大的生命力。与浇注型聚氨酯相比造价相对较高。
5 聚氨酯弹性体技术在疏浚行业应用前景展望
在疏浚行业，随着疏浚目的由河道和湖泊的疏导疏浚向沿海地区的吹填造地的变化；土质由淤泥类向中粗砂转变；排距由近距离（3～4km左右）向远距离（6～7km之外）变化，从而引起工作压力急剧提高。对挖泥船泥泵、叶轮、抗磨板等挖泥设备的磨损加剧，造成设备寿命严重缩短。同时还造成胶管、钢管等输送管线磨损严重，使用寿命缩短，损坏频率提高等问题。严重影响到疏浚效率，造成疏浚成本提高。而聚氨酯弹性体俗有“耐磨橡胶”的美誉，其自身具有的高弹性，高强度等特性，有利于克服气蚀和冲刷造成的危害。通过其在泥泵中的应用以及在矿山、建材、化工等行业输送煤粉、灰渣、矿粉、铝液、泥浆等磨削性颗粒物料和腐蚀性介质中的应用实例分析。认为聚氨酯弹性体材料在疏浚行业应用前景广阔。
5.1 浇注型聚氨酯弹性体的应用前景
浇注型聚氨酯弹性体采用静态浇注的方法适合于泥泵配件和钢管内衬，用于制作复合抗磨环、复合耐磨短管、密封圈等泥泵配件，还可应用泥泵泵壳内表面的涂覆，泥泵叶轮的复合等。
采用离心成型工艺制作内衬聚氨酯弹性体复合钢管、喷头、弯管等产品应用于排泥管线。
5.2 聚脲喷涂技术的应用前景
喷涂聚脲弹性体是近5年来发展起来的一种新型喷涂技术。它一出世就以其优异的理化性能，优良的工艺性和环保性，充分显示出比传统涂装技术无与伦比的优越性，得到迅猛发展。
5.2.1 喷射成型的优点
（1）反应活性高，固化速度快。垂直面、顶面及任意曲面可连续喷涂不流挂，3～5s钟凝胶，30min达步行强度。一次施工可达2mm以上厚度，施工周期短、效率高。
（2）100%固含量，无有机物挥发，系无毒无污染的绿色喷涂技术。
（3）对金属、非金属底材均有极强附着力。如钢、铝、钢筋混凝土、木材、玻璃钢、聚氨酯泡沫等。
（4）对温度、湿度不敏感。施工时受环境温度、湿度影响小。喷涂聚脲弹性体时，基材在-40℃的低温、高环境湿度时均可施工，甚至可在水面固化。
（5）耐低温及高温稳定性好。聚脲弹性体涂层，可在-45～120℃下长期使用，并能承受250℃的短时热冲击。
（6）耐候性、耐老化性好。脂肪族聚脲不受紫外线侵蚀，不易变黄。芳香族聚脲虽泛黄，但无粉化和开裂问题，可长期使用。耐冷热冲击及风雨霜雪的交变冲击。
（7）弹性体涂层有优异的物理性能。如抗拉强度、撕裂强度、冲击强度、延伸率、耐磨性等。优异的低温柔韧性。通过调节配方，硬度可从软橡皮到硬弹性体之间任意变化。弹性体是一种介于橡胶和塑料之间的高分子合成材料，它既有塑料的高强度，又有橡胶的高弹性。
（8）优异的防腐、防水、防湿滑功能。可在酸、碱、盐及海水等腐蚀介质中长期浸泡，是优异的重防腐材料。
（9）使用成套设备进行喷涂，可现场施工，快速固化，生产效率高。用Gusmer公司的H35设备，每分钟最高可喷涂厚2mm的涂层10m2。涂层表面光滑、连续无接缝。
（10）可根据使用要求，加入各种颜料、填料，制成不同颜色和功能的涂层。
5.2.2 应用展望
根据该喷涂工艺的反应速度快，适应性强等特点。以及该材料的耐磨损和抗腐蚀等优异性能。该材料可应用于泥泵泵壳、叶轮、抗磨环、短管等抗磨表面的喷涂。相对于浇注工艺，尽管材料费用较高，但该工艺不需要模具，不需要加热可常温下施工，施工方便快捷，具有更大的发展潜力。
5.3 混炼型和热塑型聚氨酯弹性体的应用前景展望
混炼型聚氨酯弹性体与橡胶的加工工艺非常近似，而其优异的耐磨性能，适合替代耐磨橡胶应用于胶管的制作过程中。热塑性聚氨酯弹性体加工工艺同塑料加工技术相似，可尝试应用于树脂型塑料软管的加工，最终实现橡胶管的替代。
6 结语
通过聚氨酯弹性体在挖泥船泥泵中的应用效果和聚氨酯弹性体复合钢管在电力、矿山、建材、化工等行业的应用实例分析，认为该材料适合于泥浆，尤其是中粗砂的输送。复合钢管替代普通钢管潜力巨大。另外通过对其与橡胶进行物理性能指标的比较，以及通过对该材料加工方法的分析认为该材料有望应用于胶管的生产，用以替代排泥胶管。综合分析认为：聚氨酯弹性体具有优异的耐磨损、抗腐蚀、高强度、粘接力强、加工方法多样等优点，其相关制品在疏浚行业应用前景广阔。
参考文献
[1] 山西省化工研究所主编.聚氨酯弹性体手册[M].化学工业出版社.