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上海超高分子量聚乙烯应用

上海超高分子量聚乙烯高速公路护栏

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详细说明

上海超高分子量聚乙烯高速公路护栏材料及其制造方法
该护栏材料基本组成为分子量600万以上的超高分子量聚乙烯,UHMWPE护栏材料纵向抗拉强度是180-480Mpa,纵向断裂伸长率优选45-450%;该护栏材料的连续生产方法主要包括:预溶胀处理、平行同向双螺杆挤出机内溶解混炼、挤出成型、拉伸强化。与现有碳钢护栏相比,在同样不断裂的情况下,本护栏材料在吸收同样冲击能的条件下具有更长的变形驰豫时间和更大弹塑性变形面积和变形量,对车辆和乘员的伤害大大减小,安全性更好。
背景技术
设置于高速公路路基两侧和中央隔离带的护栏,具有防止偏离正常行进方向的高速车辆冲出路面、减轻对车辆和乘员的撞击伤害、并对偏离道路方向的车辆进行该向的保护作用。
现代的高速道路护栏有两个相对矛盾的要求,一是要求护栏材料在纵向或道路方向具有足够高的拉伸强度,相对小的变形,以防止车辆偏离正常轨迹过多;二是在车辆和护栏材料撞击时,护栏材料能够发生相对大一些的碳素变形从而吸收冲击能量,对车辆进行适度的减速,减轻车辆的变形和损伤。
目前国内外使用的公路护栏材料主要有三种类型,包括1、厚大的刚性混凝土护栏;2、缆索护栏;3、碳钢材料制造的波形梁护栏板,常采用Q235冷轧成形后热镀锌制成,立柱常采用碳钢焊接成管后热镀锌制成。
刚性混凝土护栏具有最佳的防车辆越出性能,适用窄的中央隔离带,缺点是撞击时对车辆的加速度最大,对车辆和人员的伤害最为严重,另外刚性混凝土护栏具有强烈的行驶压迫感和不安全感,安全性有限。
缆索护栏属柔性护栏,缆索护栏通常采用镀锌钢绞线制成,车辆碰撞时缆索在弹性范围内工作,但缆索护栏施工复杂,成本高,视线诱导功能差,仅用于一些要求美观的风景区等场合。
钢制波形梁护栏常用基材为碳钢材料Q235,其屈服强度为235Mpa,杨氏弹性模量为200Gpa,抗拉强度在370Mpa左右,断裂伸长率在22%左右,冷轧强化后局部抗拉强度可以达到370-600Mpa左右。采用如此高强度的碳钢材料制造公路护栏主要基于以下优点:1、高强度、高弹性模量的碳钢材料在被撞时发生相对小的变形量,因此具有相对高的防车辆越出性能;2、相对其他金属材料具有成本优势;3、与厚大的刚性混凝土护栏相比,波形梁护栏板具有一定的变形吸能作用和良好的视向诱导,没有行驶压迫感。基于这些优点,目前的公路护栏材料90%以上采用钢制波形梁护栏板。
汽车采用的结构材料也主要是碳钢材料,如车身采用冲压成形的钢板,与钢制护栏材料具有接近的力学性能,因此在二者撞击时往往车辆的损毁也比较严重,另外因为护栏钢板的变形驰豫时间较短,对车辆产生较大的加速度,对车辆和乘员的冲击伤害较大。另外经典的4320*310*5*3(mm)的波形梁护栏板一根就具有50公斤的重量,比较笨重,生产、运输、安装均不方便。另外为防止碳钢腐蚀采用的热镀锌工艺还存在环境污染的问题。
因此,需要开发兼具适当高的抗拉强度和高的断裂伸长率、良好的冲击吸收能力和适当高的变形驰豫性能、行驶安全感好、无压迫感、好的防车辆越出性能、好的视线诱导性能、安全性好、综合经济好的新型高速公路护栏材料和新型制造方法。
有文献中提出用玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制造公路护栏,但是该复合材料抗拉强度较低、韧性低,抗拉强度一般小于40Mpa,抗冲击性能较差,简支梁抗冲击强度一般小于40KJ/㎡;在车辆与护栏撞击时,复合材料护栏易断裂,起不到安全防护作用。
有人提出用废旧轮胎加添加剂挤出成型制成护栏体,采用该方法制造的材料抗拉强度和弹性模量较低难以达到护栏材料的要求。
在现有塑料中超高分子量聚乙烯(以下简称UHMWPE)的抗冲击强度、冲击功吸收能力都居于首位,UHMWPE原料是一种白色粉末状材料,其密度仅0.93-0.94g/cm2,500万以上相对高的分子量以及毛线团状的分子链相互密集缠结结构赋予了它突出的性能,与众多的热塑性聚合物材料相比,超高分子量聚乙烯制成品具有极低的摩擦系数、良好的抗磨粒磨损性能、耐腐蚀、耐低温、耐冲击、耐应力开裂、卫生无毒等诸多优点,无缺口冲击试样甚至利用现有的冲击实验测试手段冲不断,即使在液氮温度(-196℃)下也能保持优异的冲击强度和一定的延展性,而普通碳钢则呈现低温脆性。虽然UHMWPE制品具有如此优异的综合性能,但是其加工难度非常大,主要表现在:1、极高的熔融粘度,流动性极差;2、UHMWPE摩擦系数小,高粘弹态的熔体用普通的单螺杆挤出机难以连续输送加工;3、熔体挤出时临界剪切速率低,易出现熔体破裂。难以实现高效率、低成本加工。
为改进UHMWPE的加工难题和生产效率,清华大学、中科院化学所在UHMWPE材料共混改性配方方面也做过不少显著的改进工作,采用添加液晶高分子与UHMWPE共混改性,改善了单独采用UHMWPE熔体流动性差的缺点;但是液晶高分子材料成本太高,在经济上有压力。
基于现有的材料和技术生产制造的公路护栏产品存在安全性不高、笨重安装不便、生产成本高等缺点,而UHMWPE用于制造公路护栏结构材料尚未见报道。经南通扬巴公司深入研究和试验,发现可以借鉴利用UHMWPE纤维制造的科学原理,并以UHMWPE为基础配方材料,具有适当的高抗拉强度(为现有Q235碳钢的4/5)、兼具高的断裂伸长率(为现有Q235碳钢的2倍以上)、良好冲击功吸收性能、经济的公路护栏材料及制品生产工艺,制造出波形梁板状、圆管、方管、线材状、棒材状等形状的UHMWPE公路护栏材料。
内容
目的是提供一种超高分子量聚乙烯公路护栏材料及其经济制造方法,性价比高于目前广泛设计和应用的钢制波形梁护栏板、护栏管、立柱等,其特征在于该护栏材料基本组成为分子量600万以上的超高分子量聚乙烯,采用本方法的超高分子量聚乙烯公路护栏材料制品的纵向抗拉强度180-480Mpa,断裂伸长率45-450%;横向抗拉强度120-350Mpa,断裂伸长率60-800%,缺口试样简支梁抗冲击强度大于150KJ/㎡;该UHMWPE护栏材料及其制品优选的纵向抗拉强度是Q235碳钢的4/5,纵向断裂伸长率是Q235碳钢的2.5倍以上。超高分子量聚乙烯公路护栏材料是采取以下所述原料及方法制造而成,通过适当调整工艺参数和原料配方,按照本方法很容易做出上述力学性能的超高分子量聚乙烯公路护栏材料。
作为超高分子量聚乙烯公路护栏材料的主要承力基本元素材料,采用的UHMWPE原料的分子量为500-1000万,优选600万,考虑到力学性能、工艺性和经济性的平衡更优选550万±50万。
为了长期尺寸稳定性,在纵向热拉伸后可以对UHMWPE制品在张紧状态下于100-120℃进行热定型处理10-360秒,然后冷却。
本方法制造超高分子量聚乙烯为基材的公路护栏材料,性价比远高于现有方法制造的UHMWPE常规烧结、挤出制品,连续挤出、拉伸强化的超高分子量聚乙烯护栏产品可以做成圆管、方管、线材,代替钢制波形梁护栏板的立柱、护栏管、镀锌钢缆索;双向拉伸强化的超高分子量聚乙烯可以做成波形梁护栏板,代替热镀锌碳钢护栏板。基于同样的冲击载荷,与现有碳钢护栏相比,在同样不断裂的情况下,采用本方法的超高分子量聚乙烯公路护栏材料可以在吸收同样冲击功的条件下具有更长的变形驰豫时间和更大的弹塑性变形面积和变形量,对车辆和乘员的伤害大大减小,安全性更好。针对不同的允许车辆越出位移大小及使用场合,可以设计选择不同力学性能指标和设计不同的截面积(宽度、厚度适当加大)的超高分子量聚乙烯公路护栏材料。按本文的制造方法还可以制造出超高分子量聚乙烯为基材的路灯灯杆,代替热镀锌碳钢灯杆。

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