聚氨酯耐磨复合材料的研究与应用 李建权 葛曷一 柳华实 李国忠 颜世涛 一些建材产品生产过程中粉磨作业效率低，能耗高。为了提高效率，降低能耗，广大科技人员做了大量的研究工作，粉磨装备的研究取得了重大进展。就使用最广泛的球磨机和振动磨而言，内装衬板材料材质的好坏，一直被认为是提高粉磨效率的关键之一。目前应用到实际生产中的衬板有多种档次和材质的金属衬板、陶瓷衬板和橡胶衬板。但由于材质本身的限制，这些衬板在使用中同时也存在一些缺陷，比如金属衬板重量大，设备负荷高，更换复杂，且只能用于粉磨不怕铁质污染的物料；陶瓷衬板受生产工艺限制，一般价格偏高，在使用中一旦出现破裂，就必须全部更换，材质有效利用率很低，寿命短；橡胶衬板则易老化，抗撕裂性差，尤其在高速硬质物料的冲击下，作业温度升高，磨损速度大大加快。因此，运用当代复合材料技术，研制开发一种新型的高性能耐磨复合材料衬板，对提高粉磨作业的效率、降低粉磨作业的能耗具有非常重要的意义。聚氨酯弹性体是一种介于橡胶与塑料之间的高分子材料。在具备一定弹性的同时，它还具有很好的耐磨、耐温和抗撕裂等性能，如将聚氨酯树脂与无机非金属硬质填料结合制成复合材料磨机衬板，既可以增加材料的耐磨强度．又可理解研磨体对衬板的冲击力，从而提高衬板的使用寿命。硬质填料的掺入可大大降低衬板的成本，提高衬板的市场竞争能力。依据复合材料的特点，在生产中可根据实际使用要求，掺加不同的硬质填料，以满足不同的使用要求。
实验中所选用的石英砂粒径控制在0.1—1.0mm之间。石英砂经水洗去除胶泥后，用两种表面处理剂γ—氨丙基三乙氧基硅烷（A）和γ—氨丙基三甲基硅烷(B)进行表面处理。通过定性剥离强度实验比较，石英砂与聚氨酯粘接效果．结果见表1。依据实验结果，本着工业生产节省约成本的原则。本实验选用γ—氨丙基三乙氧基硅烷作为石英砂的表面处理剂。
图2 衬板及钢球的{jd1}磨耗量 图3 衬板及钢球的相对磨耗量
由于聚氨酯耐磨复合材料磨机衬板含有硬质物料，所以它既具有橡胶类物质的弹性，又具有刚性衬板的特点。加上其本身耐磨度高，抗腐蚀性能好，因此这种复合材料村板有独特的磨损性质。通常来说，普通磨机衬板的磨损形式有疲劳磨损。研磨磨损、化学磨蚀及流体磨损。对于橡胶等软性衬板材料，还存在滚压磨损、热裂磨损等。由于聚氨酯复合材料衬板本身具有较高的耐温性能、很好的耐腐蚀性以及较高的硬度，一般不存在热裂磨损、化学磨损及滚压磨损，只存在疲劳磨损、研磨磨损、流体磨损，从而显示出良好的耐磨性能。
为了探索聚氨酯耐磨复合材料磨机衬板耐磨度高的原因，对衬板进行了磨前与磨后的SEM扫描电镜分析，如图4、5。图4中聚氨酯复合材料磨机衬板的表面虽有不平的凹面，但总体上趋于光滑，组成一个密实、坚固的整体；但经过635h石英砂及钢球的冲击粉磨之后，见图5，其表面已变成非常凹凸不平。并且呈现褶皱、蜂窝似的絮凝状，絮凝状的聚氨酯与石英砂微粒彼此互相粘合在一起。由于聚氨酯复合材料磨机衬板既具有聚氨酯的弹性，又具有石英砂的刚性，因此没有象磨损的钢球那样呈粉状脱落，这是聚氨酯复合材料磨机衬板的耐磨度很高的原因之一。
 图4 聚氨酯复合材料磨机衬板磨前的表面  不同物质组成的材料，各相之间必定存在着界面。这种界面尾是增强相与基体相之间的中间相，也就是它们相连的桥梁，又是应力及其它信息的传递之熔。界面的作用在很大程度上决定厂复合材料的宏观性能。因此，硬质填料与聚氨酯树脂复合的关键在于二者的界面结合。一般来说，无机填料很难直接与聚氨酯紧密复合。对于石英砂而言，将不经任何表面处理的砂粒加入到聚氨酯树脂中，砂粒与聚氨酯的结合只存在简单的机结合，而无其他更强的键合。若作为耐磨材料使用．其剥离强度明显达不到要求。制备聚氨酯耐磨复合材料时，首先要考虑二者的界面结合。由于化学键是所有各种键合中键能{zd0}的一种，因此砂粒表面处理使之与聚氨酯之间能生成牢固的化学键，，这样砂粒与聚氨酯之间能够同时存在化学键结合和机械结合、从而使聚氨酯耐磨复合材料宏观上表现出良好的耐磨性。γ—氨丙基三乙氧基硅烷是一种效果显著的表面化学处理剂，其分子式为：
(1)一OC2H3 (乙氧基)基团与砂粒表面的作用。有机硅烷遇水水解，水解后的硅醇基与砂粒表面的羟基发生反应，同时分子间脱水，聚合成膜。在上述反应中，γ—氨丙基三乙氧基硅烷水解后生成硅烷三醇的中间产物。硅烷三醇的三个活性基中，一个与砂粒表面的羟基作用，脱去一分子水而形成强的硅一氧一硅键(≡Si—O—Si≡)。同时，硅烷三醇分子间脱水，也形成硅一氧一硅键，在砂粒表面聚合成连续薄膜。这样，硅烷表面处理剂通过化学键与砂粒表面牢固结合，并在砂粒表面上形成了乙氧基向外的有机硅单分子层，改变了砂粒表面原来的性质，使其能够憎水而亲有机溶剂。
(2)H2N一(CH2)3，一（氨丙基）与聚氨酯的作甩。就与聚氨酯反应而言，采用含有胺基的硅烷处理剂较好。硅烷中的胺基与聚氨酯树脂能顺利地进行反应，反应速度与聚氨酯树脂内部的反应速度基本相同，由此达到最紧密的结合。因为硅烷处理剂与聚氨酯反应的同时，聚氨酯树脂内部也在进行反应，如果两个反应的速度偏差较大，特别是前者速度小于后者速度时，砂粒表面的氨丙基基团就可能来不及与聚氨酯xx键合，达不到理想的复合效果。本文选用带有胺基的硅烷处理剂可以避免上述问题的产生。表面带有胺基硅烷处理剂的砂粒会作为聚氨酯树脂自身反应的一个组分，与正在生成聚氨酯的其它组分共同反应，生成一个牢固的复合材料整体。
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