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商品名稱(chēng)：超高分子量聚乙烯高速公路護(hù)欄材料及其制造方法
該護(hù)欄材料基本組成為分子量600萬(wàn)以上的超高分子量聚乙烯，UHMWPE護(hù)欄材料縱向抗拉強(qiáng)度是180-480Mpa，縱向斷裂伸長(zhǎng)率優(yōu)選45-450%；該護(hù)欄材料的連續(xù)生產(chǎn)方法主要包括：預(yù)溶脹處理、平行同向雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)溶解混煉、擠出成型、拉伸強(qiáng)化。與現(xiàn)有碳鋼護(hù)欄相比，在同樣不斷裂的情況下，本護(hù)欄材料在吸收同樣沖擊能的條件下具有更長(zhǎng)的變形馳豫時(shí)間和更大彈塑性變形面積和變形量，對(duì)車(chē)輛和乘員的傷害大大減小，安全性更好。
背景技術(shù)
設(shè)置于高速公路路基兩側(cè)和中央隔離帶的護(hù)欄，具有防止偏離正常行進(jìn)方向的高速車(chē)輛沖出路面、減輕對(duì)車(chē)輛和乘員的撞擊傷害、并對(duì)偏離道路方向的車(chē)輛進(jìn)行該向的保護(hù)作用。
現(xiàn)代的高速道路護(hù)欄有兩個(gè)相對(duì)矛盾的要求，一是要求護(hù)欄材料在縱向或道路方向具有足夠高的拉伸強(qiáng)度，相對(duì)小的變形，以防止車(chē)輛偏離正常軌跡過(guò)多；二是在車(chē)輛和護(hù)欄材料撞擊時(shí)，護(hù)欄材料能夠發(fā)生相對(duì)大一些的碳素變形從而吸收沖擊能量，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行適度的減速，減輕車(chē)輛的變形和損傷。
目前國(guó)內(nèi)外使用的公路護(hù)欄材料主要有三種類(lèi)型，包括1、厚大的剛性混凝土護(hù)欄；2、纜索護(hù)欄；3、碳鋼材料制造的波形梁護(hù)欄板，常采用Q235冷軋成形后熱鍍鋅制成，立柱常采用碳鋼焊接成管后熱鍍鋅制成。
剛性混凝土護(hù)欄具有最佳的防車(chē)輛越出性能，適用窄的中央隔離帶，缺點(diǎn)是撞擊時(shí)對(duì)車(chē)輛的加速度最大，對(duì)車(chē)輛和人員的傷害最為嚴(yán)重，另外剛性混凝土護(hù)欄具有強(qiáng)烈的行駛壓迫感和不安全感，安全性有限。
纜索護(hù)欄屬柔性護(hù)欄，纜索護(hù)欄通常采用鍍鋅鋼絞線制成，車(chē)輛碰撞時(shí)纜索在彈性范圍內(nèi)工作，但纜索護(hù)欄施工復(fù)雜，成本高，視線誘導(dǎo)功能差，僅用于一些要求美觀的風(fēng)景區(qū)等場(chǎng)合。
鋼制波形梁護(hù)欄常用基材為碳鋼材料Q235，其屈服強(qiáng)度為235Mpa，楊氏彈性模量為200Gpa，抗拉強(qiáng)度在370Mpa左右，斷裂伸長(zhǎng)率在22%左右，冷軋強(qiáng)化后局部抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到370-600Mpa左右。采用如此高強(qiáng)度的碳鋼材料制造公路護(hù)欄主要基于以下優(yōu)點(diǎn)：1、高強(qiáng)度、高彈性模量的碳鋼材料在被撞時(shí)發(fā)生相對(duì)小的變形量，因此具有相對(duì)高的防車(chē)輛越出性能；2、相對(duì)其他金屬材料具有成本優(yōu)勢(shì)；3、與厚大的剛性混凝土護(hù)欄相比，波形梁護(hù)欄板具有一定的變形吸能作用和良好的視向誘導(dǎo)，沒(méi)有行駛壓迫感?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，目前的公路護(hù)欄材料90%以上采用鋼制波形梁護(hù)欄板。
汽車(chē)采用的結(jié)構(gòu)材料也主要是碳鋼材料，如車(chē)身采用沖壓成形的鋼板，與鋼制護(hù)欄材料具有接近的力學(xué)性能，因此在二者撞擊時(shí)往往車(chē)輛的損毀也比較嚴(yán)重，另外因?yàn)樽o(hù)欄鋼板的變形馳豫時(shí)間較短，對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生較大的加速度，對(duì)車(chē)輛和乘員的沖擊傷害較大。另外經(jīng)典的4320*310*5*3（mm）的波形梁護(hù)欄板一根就具有50公斤的重量，比較笨重，生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝均不方便。另外為防止碳鋼腐蝕采用的熱鍍鋅工藝還存在環(huán)境污染的問(wèn)題。
因此，需要開(kāi)發(fā)兼具適當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度和高的斷裂伸長(zhǎng)率、良好的沖擊吸收能力和適當(dāng)高的變形馳豫性能、行駛安全感好、無(wú)壓迫感、好的防車(chē)輛越出性能、好的視線誘導(dǎo)性能、安全性好、綜合經(jīng)濟(jì)好的新型高速公路護(hù)欄材料和新型制造方法。
有文獻(xiàn)中提出用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料制造公路護(hù)欄，但是該復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度較低、韌性低，抗拉強(qiáng)度一般小于40Mpa，抗沖擊性能較差，簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度一般小于40KJ/㎡；在車(chē)輛與護(hù)欄撞擊時(shí)，復(fù)合材料護(hù)欄易斷裂，起不到安全防護(hù)作用。
有人提出用廢舊輪胎加添加劑擠出成型制成護(hù)欄體，采用該方法制造的材料抗拉強(qiáng)度和彈性模量較低難以達(dá)到護(hù)欄材料的要求。
在現(xiàn)有塑料中超高分子量聚乙烯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)UHMWPE）的抗沖擊強(qiáng)度、沖擊功吸收能力都居于首位，UHMWPE原料是一種白色粉末狀材料，其密度僅0.93-0.94g/cm2,500萬(wàn)以上相對(duì)高的分子量以及毛線團(tuán)狀的分子鏈相互密集纏結(jié)結(jié)構(gòu)賦予了它突出的性能，與眾多的熱塑性聚合物材料相比，超高分子量聚乙烯制成品具有極低的摩擦系數(shù)、良好的抗磨粒磨損性能、耐腐蝕、耐低溫、耐沖擊、耐應(yīng)力開(kāi)裂、衛(wèi)生無(wú)毒等諸多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)缺口沖擊試樣甚至利用現(xiàn)有的沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段沖不斷，即使在液氮溫度（-196℃）下也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度和一定的延展性，而普通碳鋼則呈現(xiàn)低溫脆性。雖然UHMWPE制品具有如此優(yōu)異的綜合性能，但是其加工難度非常大，主要表現(xiàn)在：1、極高的熔融粘度，流動(dòng)性極差；2、UHMWPE摩擦系數(shù)小，高粘彈態(tài)的熔體用普通的單螺桿擠出機(jī)難以連續(xù)輸送加工；3、熔體擠出時(shí)臨界剪切速率低，易出現(xiàn)熔體破裂。難以實(shí)現(xiàn)高效率、低成本加工。
為改進(jìn)UHMWPE的加工難題和生產(chǎn)效率，清華大學(xué)、中科院化學(xué)所在UHMWPE材料共混改性配方方面也做過(guò)不少顯著的改進(jìn)工作，采用添加液晶高分子與UHMWPE共混改性，改善了單獨(dú)采用UHMWPE熔體流動(dòng)性差的缺點(diǎn)；但是液晶高分子材料成本太高，在經(jīng)濟(jì)上有壓力。
基于現(xiàn)有的材料和技術(shù)生產(chǎn)制造的公路護(hù)欄產(chǎn)品存在安全性不高、笨重安裝不便、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，而UHMWPE用于制造公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)材料尚未見(jiàn)報(bào)道。經(jīng)南通揚(yáng)巴公司深入研究和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以借鑒利用UHMWPE纖維制造的科學(xué)原理，并以UHMWPE為基礎(chǔ)配方材料，具有適當(dāng)?shù)母呖估瓘?qiáng)度（為現(xiàn)有Q235碳鋼的4/5）、兼具高的斷裂伸長(zhǎng)率（為現(xiàn)有Q235碳鋼的2倍以上）、良好沖擊功吸收性能、經(jīng)濟(jì)的公路護(hù)欄材料及制品生產(chǎn)工藝，制造出波形梁板狀、圓管、方管、線材狀、棒材狀等形狀的UHMWPE公路護(hù)欄材料。
內(nèi)容
目的是提供一種超高分子量聚乙烯公路護(hù)欄材料及其經(jīng)濟(jì)制造方法，性?xún)r(jià)比高于目前廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用的鋼制波形梁護(hù)欄板、護(hù)欄管、立柱等，其特征在于該護(hù)欄材料基本組成為分子量600萬(wàn)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護(hù)欄材料制品的縱向抗拉強(qiáng)度180-480Mpa，斷裂伸長(zhǎng)率45-450%；橫向抗拉強(qiáng)度120-350Mpa，斷裂伸長(zhǎng)率60-800%，缺口試樣簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度大于150KJ/㎡；該UHMWPE護(hù)欄材料及其制品優(yōu)選的縱向抗拉強(qiáng)度是Q235碳鋼的4/5，縱向斷裂伸長(zhǎng)率是Q235碳鋼的2.5倍以上。超高分子量聚乙烯公路護(hù)欄材料是采取以下所述原料及方法制造而成，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)和原料配方，按照本方法很容易做出上述力學(xué)性能的超高分子量聚乙烯公路護(hù)欄材料。
作為超高分子量聚乙烯公路護(hù)欄材料的主要承力基本元素材料，采用的UHMWPE原料的分子量為500-1000萬(wàn)，優(yōu)選600萬(wàn)，考慮到力學(xué)性能、工藝性和經(jīng)濟(jì)性的平衡更優(yōu)選550萬(wàn)±50萬(wàn)。
為了長(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性，在縱向熱拉伸后可以對(duì)UHMWPE制品在張緊狀態(tài)下于100-120℃進(jìn)行熱定型處理10-360秒，然后冷卻。
本方法制造超高分子量聚乙烯為基材的公路護(hù)欄材料，性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法制造的UHMWPE常規(guī)燒結(jié)、擠出制品，連續(xù)擠出、拉伸強(qiáng)化的超高分子量聚乙烯護(hù)欄產(chǎn)品可以做成圓管、方管、線材，代替鋼制波形梁護(hù)欄板的立柱、護(hù)欄管、鍍鋅鋼纜索；雙向拉伸強(qiáng)化的超高分子量聚乙烯可以做成波形梁護(hù)欄板，代替熱鍍鋅碳鋼護(hù)欄板?；谕瑯拥臎_擊載荷，與現(xiàn)有碳鋼護(hù)欄相比，在同樣不斷裂的情況下，采用本方法的超高分子量聚乙烯公路護(hù)欄材料可以在吸收同樣沖擊功的條件下具有更長(zhǎng)的變形馳豫時(shí)間和更大的彈塑性變形面積和變形量，對(duì)車(chē)輛和乘員的傷害大大減小，安全性更好。針對(duì)不同的允許車(chē)輛越出位移大小及使用場(chǎng)合，可以設(shè)計(jì)選擇不同力學(xué)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)不同的截面積（寬度、厚度適當(dāng)加大）的超高分子量聚乙烯公路護(hù)欄材料。按本文的制造方法還可以制造出超高分子量聚乙烯為基材的路燈燈桿，代替熱鍍鋅碳鋼燈桿。
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