面向免伴热灰斗的CNTs/UHMW-PE复合材料的开发及其防尘拱与荷电输运机理研究

Development of CNTs/UHMW-PE Composites for Heaterless Hoppers and Study on Mechanism of Anti-arching and Charge Transport

摘要

研究采用球磨-热压法制备一系列碳纳米管（CNTs）增强的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）复合材料，并系统表征其导电性、摩擦性能及防尘拱性能。结果表明：当CNTs质量分数为5%时，复合材料形成完善的导电网络，体积电阻率由UHMW-PE材料的10¹⁶ Ω·cm以上降至4.7×10⁵ Ω·cm。该复合材料与粉煤灰的界面附着强度比UHMW-PE材料降低65%，在模拟灰斗实验中表现出优异的防尘拱性能。机理分析表明，CNTs构建的三维导电网络实现了电荷的快速输运与耗散，显著削弱了粉尘颗粒间的静电吸引力，这是灰斗防尘拱效能提升的核心物理本质。研究结果为工业粉尘处理领域提供性能优异的新材料与创新的解决方案。

Abstract

A series of carbon nanotubes (CNTs)-reinforced ultra-high molecular weight polyethylene (UHMW-PE) composites were prepared by the ball milling-hot pressing method, and their electrical conductivity, tribological properties, and dust arch prevention performance were systematically characterized. The results showed that when the CNT mass fraction reached 5%, a well-developed conductive network was formed in the composite, and the volume resistivity decreased from greater than 10¹⁶ Ω·cm for UHMW-PE to 4.7×10⁵ Ω·cm. The interfacial adhesion strength between the composite and fly ash was reduced by 65% compared with that of UHMW-PE, and the composite exhibited excellent dust arch prevention performance in the simulated hopper experiment. Mechanism analysis revealed that the three-dimensional conductive network constructed by CNTs enabled rapid charge transport and dissipation, significantly weakening the electrostatic attraction between dust particles, which constituted the core physical essence underlying the enhanced dust arch prevention efficiency in the hopper. The research findings provided high-performance new materials and innovative solutions for the field of industrial dust treatment.

Graphical abstract

关键词

超高分子量聚乙烯 / 碳纳米管 / 抗静电 / 粉尘结拱 / 电荷输运 / 免伴热灰斗

Key words

UHMW-PE / CNTs / Antistatic / Dust arching / Charge transport / Heaterless hopper

电除尘器作为工业烟气净化的关键设备，其灰斗能否稳定排灰，直接关系电除尘器的整体运行安全。然而，受湿度、静电力及颗粒间机械互锁等因素的共同影响，灰斗下部常发生粉尘结拱(或称“架桥”)现象，导致排灰不畅甚至堵塞，严重威胁生产安全^[1-2]。当前主流的机械处理方案存在能耗高、维护频繁等不足^[3]，难以适应现代工业的科学发展需求。从材料科学角度出发，若采用低表面能、高自润滑性的材料作为灰斗内衬^[4-5]，如聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)^[6-7]，可有效降低粉尘在灰斗表面的附着力，是解决粉尘黏附问题的有效途径之一。UHMW-PE因其极低的摩擦系数和优异的耐磨性能而受到广泛关注，被视为易清洁管壁内层的理想涂料^[8-9]。然而，此类传统高分子材料通常为绝缘体，无法有效消除粉尘在输送过程中因剧烈摩擦产生的静电荷^[10-11]。静电荷的积累会显著增强粉尘颗粒间的吸引力，成为诱发尘拱的关键因素，致使仅具备低表面能的内衬材料在应对静电致尘拱方面存在不足。若能在聚合物基体中引入导电材料，形成导电通路以消除静电荷，将有效削弱因电荷引起的颗粒间吸引力，从而缓解尘拱问题^[12-13]。碳纳米管(CNTs)因其极高的长径比、优异的导电性和力学性能，被视为制备高性能功能复合材料的理想填料^[14-15]。在聚合物基体中添加少量CNTs即可构建三维导电网络，使材料在保持基体优良特性的同时获得良好的抗静电性能^[16-17]。然而，复合体系导电性能的内在机理仍有待深入探究，主要难点在于CNTs在大分子UHMW-PE中难以均匀分散，制约相关分析的开展。

因此，本研究提出核心科学假设，通过在UHMW-PE基体中引入CNTs构建连续的导电网络，可主动、高效地耗散因摩擦产生的静电荷，从根本上削弱导致尘拱的主要作用力——静电力，从而在无外部伴热的条件下实现灰斗的高效防尘拱。围绕这一假设，本文系统开展CNTs/UHMW-PE复合材料的设计制备与多尺度性能表征，探究在均匀分散条件下材料荷电输运行为与防尘之间的内在关联机制。

1 实验部分

1.1 主要原料

UHMW-PE粉末，平均粒径约50 μm，密度0.94 g/cm³，北京东方石油化工有限公司；多壁碳纳米管(MWCNTs)，质量分数>95%，外径10~20 nm，长度10~30 μm，深圳市纳米港有限公司；粉煤灰，粒径分布为0.5~200.0 μm，取自电厂电除尘器灰斗；乙醇、氢氧化钠，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司；蒸馏水，实验室自制；浓硝酸，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司；浓硫酸，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司。

1.2 仪器与设备

扫描电子显微镜(SEM)，SU8010，日本Hitachi公司；四探针电阻率测试仪，ST2742B，广州四探针科技有限公司；摩擦磨损试验机，M-2000，美国Falex公司；粉体综合特性测试仪，FT-104A，瑞势科学仪器有限公司；真空热压机，LYV-40T，上海凌誉仪器有限公司；行星球磨机，QM-3SP4，南京南大仪器有限公司。

1.3 样品制备

首先，将CNTs加入68%浓硝酸与98%浓硫酸体积比为1∶3配成的溶液中，在75 ℃左右进行酸化纯化处理1 h，以改善其分散性，用蒸馏水反复洗涤至接近中性，去除残留酸液和杂质。加入氢氧化钠溶液至中性，得到中性混合溶液，对中性混合溶液进行抽滤和洗涤，除去钠盐，最终得到在中性溶液中分散较好的CNTs，干燥后获得纯化产物。随后，将预定质量比例的UHMW-PE粉末与CNTs(0、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%)置于球磨罐中，加入适量的乙醇，以此为介质进行球磨混合4 h。将混合均匀的浆料于干燥箱中在80 ℃条件下干燥12 h，获得不同CNTs含量的UHMW-PE粉末混合物。最后，将干燥后的混合物装入模具，在真空热压机中于200 ℃、15 MPa条件下热压成型30 min，随后缓慢冷却至室温，得到不同CNTs含量的UHMW-PE复合材料。复合材料制备过程中通过调整CNTs的添加质量分数(0、1%、3%、5%、7%)，制备系列样品，分别标记为CU-0、CU-1、CU-3、CU-5、CU-7。

1.4 性能测试与表征

SEM表征：采用扫描电子显微镜观察复合材料断面的形貌及CNTs的分散情况。所有样品均进行喷金处理。工作电压为20 kV，放大倍数为1 000倍。

导电性能测试：采用四探针电阻率测试仪测量材料的体积电阻率。

摩擦学性能测试：按GB/T 3960—2016在摩擦磨损试验机上进行环块式滑动摩擦测试，对偶件为GCr15钢环，载荷196 N，滑动速度0.42 m/s，时间30 min。通过质量损失计算磨损率。

防尘拱性能测试：使用粉体综合特性测试仪测量粉煤灰在不同材料样品表面的附着强度及粉煤灰自身的内聚强度。自主搭建透明亚克力小型灰斗模型(锥角60°)，在相对湿度80%的环境中，定性观察并记录粉尘在不同材料衬里上的流动行为与架桥倾向。

2 结果与讨论

2.1 微观结构分析

图1为CNTs/UHMW-PE复合材料断面SEM照片。从图1可以看出，CU-1的断面中CNTs孤立地分散在基体中，未形成有效连接。CU-3的断面也存在类似的情况，未形成有效连接。当CNTs质量分数增至5%时(CU-5)，CNTs相互搭接，在UHMW-PE基体内形成连续的三维网络结构，这种结果与文献[18-20]类似。这种网络结构是复合材料导电性能发生跃变的前提^[14]。

2.2 导电渗流行为

图2为CNTs/UHMW-PE复合材料的体积电阻率。从图2可以看出，复合材料的体积电阻率随CNTs含量的增加呈现典型的渗流行为。当CNTs质量分数低于1%时，体积电阻率下降缓慢；质量分数达到3%~5%时，体积电阻率发生急剧下降，渗流阈值约为质量分数4%；当质量分数为5%时，体积电阻率降至4.7×10⁵ Ω·cm，满足了抗静电材料的要求(通常<10⁹ Ω·cm)。这表明随着CNTs含量的增加，复合材料已从绝缘体转变为高效的静电耗散体^[14,19]。

2.3 摩擦磨损性能演变

图3为CNTs/UHMW-PE复合材料的摩擦系数和磨损量。从图3a可以看出，UHMW-PE(CU-0)具有较低的摩擦系数(0.18)。随着CNTs的加入，摩擦系数先略有升高(CU-1、CU-3)。这可能是由于硬质CNTs没有形成连续导通状态而具有微凸体效应^[21]。但当CNTs含量继续增加时(CU-5、CU-7)，形成的连续网络起到有效的润滑与承载作用，摩擦系数回落并稳定在0.22左右。从图3b可以看出，在耐磨性方面，所有复合材料的磨损率均低于UHMW-PE，其中CU-5的磨损率比CU-0降低约40%。这表明CNTs的引入在赋予材料导电性的同时，还起到增强耐磨性的积极作用^[22-24]。

2.4 防尘拱性能与界面作用机理

图4为CNTs/UHMW-PE复合材料的附着强度以及作用机制拟合曲线。从图4a可以看出，随着CNTs含量的增加，粉煤灰在材料表面的附着强度显著降低。CU-0的附着强度为1.85 kPa，而CU-5和CU-7分别降至0.65 kPa和0.58 kPa，降幅达65%以上。为探究性能提升的主因，将附着强度与材料的导电性和摩擦系数进行关联分析。从图4b可以看出，附着强度与体积电阻率对数呈现强烈的正相关性(R²=0.91)，而与摩擦系数的相关性较弱(R²=0.55)。这有力地证明防尘拱性能的显著提升主要归因于CNTs导电网络对静电力的削弱，而非材料表面光滑度(摩擦系数)的微小改变。

图5为CNTs/UHMW-PE复合材料的灰斗模拟实验结果。从图5可以看出，CU-0样品表面在湿度环境下很快形成稳定的尘拱，而所有CNTs质量分数不低于5%的样品表面粉尘均能顺畅滑落，无任何架桥现象。这也从实验中验证了防尘拱性能的显著提升主要是因为CNTs导电网络对静电力的削弱。

2.5 荷电输运与防尘拱机理模型

基于以上结果，提出“导电网络-电荷耗散-静电力削弱-防尘拱”机理模型。(1)导电网络形成：当CNTs含量超过渗流阈值，在基体内形成三维导电通路。(2)电荷输运与耗散：粉尘与材料表面摩擦产生的静电荷可通过CNTs网络被迅速传导并耗散，避免电荷在局部积累。(3)静电力削弱：电荷的快速耗散直接导致粉尘颗粒之间、粉尘与材料表面之间的静电吸引力被大幅削弱。防尘拱实现：颗粒间作用力因静电力的移除而显著降低，使粉尘的内聚强度和附着强度下降，从根本上抑制尘拱的形成。本研究的实验数据有力地支撑这一机理链。

3 结论

本研究成功通过球磨-热压法制备CNTs/UHMW-PE复合材料。当CNTs质量分数为5%时，材料形成完善导电网络，体积电阻率降至10⁵ Ω·cm量级，兼具优异的抗静电性和耐磨性。该材料能够显著降低粉尘附着强度(降幅>65%)，在模拟灰斗实验中有效防止尘拱形成，验证其作为免伴热灰斗内衬材料的可行性与巨大潜力。材料的防尘拱效能主要源于CNTs网络对摩擦电荷的快速输运与耗散，从而削弱粉尘颗粒间的静电吸引力。本研究从电荷管理角度阐明防尘拱的物理本质，为理解和设计高性能防尘拱材料提供参考。

参考文献

[1] 许志鹏, 陆从相, 苏雯. 电除尘技术研究进展[J]. 科技与创新, 2023(22): 159-161.

[2] 庄选斌. 烧结机机头电除尘灰斗积灰治理[J]. 河北冶金, 2012(6): 30-31.

[3] 贺金森, 郭泰山. 空气炮清灰技术在50 m²低温电除尘器中的应用[J]. 铜业工程, 2017(2): 92-95.

[4] 胡松喜, 陈新度, 何俭恒, 等. UHMWPE动态成型研究进展[J]. 塑料科技, 2024, 52(9): 148-152.

[5] 刘苹. 超高分子量聚乙烯生产工艺进展[J]. 精细石油化工进展, 2024, 25(6): 41-45.

[6] 王文东, 黄江楠. 聚四氟乙烯改性超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究进展[J]. 有机氟工业, 2025(2): 36-43.

[7] 刘睿喆. 超高分子量聚乙烯链调控技术研究进展[J]. 石油化工, 2025, 54(9): 1363-1371.

[8] 徐国永, 陈晋阳, 章于川, 等. 超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料的研究进展[J]. 广州化工, 2009, 37(6): 5-6.

[9] 韩亚刚, 赵国樑. UHMWPE/CNTs复合体系及其纤维的研究进展[J]. 合成纤维工业, 2013, 36(1): 54-57.

[10] 杨松伟. UHMWPE/CB复合材料的耐磨性能和导电性能研究[J]. 塑料科技, 2022, 50(8): 6-9.

[11] 赵文静, 李志, 夏晋程. 超高分子量聚乙烯抗静电片材的制备及性能[J]. 工程塑料应用, 2022, 50(10): 36-40.

[12] 鄢定祥, 高杰峰, 彭舜, 等. UHMWPE/CNTs导电复合体系的电性能[J]. 高分子材料科学与工程, 2009, 25(7): 73-75.

[13] 高凡梅, 任鹏刚, 孙振锋, 等. 低逾渗MWCNTs-CB/UHMWPE导电复合材料的制备及性能[J]. 高分子材料科学与工程, 2016, 32(7): 116-120.

[14] 李阳, 任鹏刚, 许勐璠. 隔离结构石墨烯-多壁碳纳米管/超高分子量聚乙烯导电复合材料阻温特性[J]. 化工新型材料, 2015, 43(3): 58-60.

[15] 杨剑, 王泽鹏, 薛风先, 等. 用分子动力学模拟研究碳纳米管对顺丁橡胶摩擦性能的影响[J]. 橡胶工业, 2024, 71(5): 323-329.

[16] 夏晋程, 李志, 叶纯麟, 等. UHMWPE纳米复合材料的制备及力学性能[J]. 上海塑料, 2020, 48(2): 29-35.

[17] 曹翔禹, 贾丹, 詹胜鹏, 等. 多壁碳纳米管改性UHMWPE的热膨胀和摩擦学性能研究[J]. 润滑与密封, 2022, 47(4): 76-83.

[18] 刘晓晓. 碳纳米管/超高分子量聚乙烯纤维的表面改性及性能研究[D]. 杭州: 浙江理工大学, 2013.

[19] 吴昌豪, 林振兴, 王康博, 等. 导电型超高分子量聚乙烯复合材料研究进展[J]. 塑料科技, 2025, 53(9): 203-208.

[20] 谢小庆. 基于碳纤维粉末改性聚乙烯复合材料的研究[J]. 山西化工, 2025, 45(8): 128-129.

[21] 刘蜀宁, 郑庭, 程启昊. 石墨烯添加剂对UHMWPE摩擦学特性影响的分子模拟研究[J]. 润滑与密封, 2025, 50(8): 70-80.

[22] 郑庭, 谷靖萱, 程启昊, 等. 界面水分子扩散对超高分子量聚乙烯摩擦学性能影响的反应分子动力学模拟研究[J]. 高分子学报, 2024, 55(2): 222-234.

[23] 孙玮浩, 周琴, 张凯, 等. 磨粒环境下超高分子量聚乙烯的摩擦学行为研究[J]. 摩擦学学报(中英文), 2024, 44(7): 925-936.

[24] 郑兴博, 李佳汶, 李子辉, 等. 氮化硼改性超高分子量聚乙烯的摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(5): 28-33.

基金资助

国家能源集团科技创新项目(E316300075)