超高分子量聚乙烯板

超高分子量聚乙烯板

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超高分子量聚乙烯的英文是:Ultra High Molecular Weight Polyethylene，这是现有的最优质的可应用于恶劣工作环境及多种用途的聚乙烯。在许多高难度的应用条件下适用性非常好。

超高分子量是这种聚合物与众不同的特质，其具有300至600万的分子量，而高密度聚乙烯树脂只有30万至50万。

这种差别是保证超高分子量聚乙烯具备足够的强度，以达到其他低等聚合产品所不可能具备的耐磨损和抗冲击能力。超高分子量聚乙烯的超高分子量的含义是它不会融化并向液体一样流动，因而加工方法由粉末金属技术衍生。

传统的塑料加工技术，比如注塑成型、吹塑和热定型，无法应用于超高分子量聚乙烯。挤压成型是应用于这种树脂最常见的加工工艺，这样生产出来的产品韧性更强。

目录

基本信息

中文名; 超高分子量聚乙烯板

外文名; Ultra High Molecular Weight Polyethylene

分子量; 150万以上

优点; 足够的强度

原料; 根据美国菲利普石油公司的划分方法，分子量在150万以上的聚乙烯称为"超高分子量聚乙烯(UHMWPE)"。

德国赫斯特(Hoechst)公司、美国赫尔克乐斯(Hercules)公司和日本三井石油化学公司是世界上生产UHMWPE的三大公司，中国主要生产厂家是北京助剂二厂、上海高桥石化公司化工厂。超高分子量聚乙烯板的原料,就是分子量在150万以上的超高分子量聚乙烯.

特点

UHMWPE极高的分子量赋予其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料，它几乎集中了各种塑料的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲击能、耐低温、卫生无毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合性能。事实上，目前还没有一种单纯的高分子材料兼有如此众多的优异性能。

耐磨性

UHMWPE的耐磨性居塑料之冠，并超过某些金属，图1为UHMWPE与其它材料耐磨性比较。从图1可以看出，与其它工程塑料相比，UHMWPE的沙浆磨耗指数仅是PA66的1/5，HEPE和PVC的1/10;与金属相比，是碳钢的1/7，黄铜的1/27。这样高的耐磨性，以致于用一般塑料磨耗实验法难以测试其耐磨程度，因而专门设计了一种沙浆磨耗测试装置。UHMWPE耐磨性与分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。

耐冲击性

UHMWPE的冲击强度，在所有工程塑料中名列前茅，图2为UHMWPE与其他工程塑料冲击强度比较，从图2中可以看出，UHMWPE的冲击强度约为耐冲击PC的2倍，ABS的5倍，POM和PBTP的10余倍。耐冲击性如此之高，以致于采用通常冲击试验方法难以使其断裂破坏。

其冲击强度随分子量的增大而提高，在分子量为150万时达到最大值，然后随分子量的继续升高而逐渐下降。值得指出的是，它在液氮中(-195℃)也能保持优异的冲击强度，这一特性是其它塑料所没有的。此外，它在反复冲击表面硬度更高。

自润滑性

UHMWPE有极低的摩擦因数(0.05~0.11)，故自润滑性优异。表1为UHMWPE与其他工程塑料摩擦因数比较。从表1可以看出，UHMWPE的动吗擦因数在水润滑条件下是PA66和POM的1/2，在无润滑条件下仅次于塑料中自润滑性最好的聚四氟乙烯(PTFE);当它以滑动或转动形式工作时，比钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好。因此，在摩擦学领域UHMWPE被誉为成本/性能非常理想的摩擦材料。

耐化学药品性

UHMWPE具有优良的耐化学药品性，除强氧化性酸液外，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机介质(荼溶剂除外)。其在20℃和80℃的80种有机溶剂中浸渍30d，外表无任何反常现象，其它物理性能也几乎没有变化。

冲击能吸收性

UHMWPE具有优异的冲击能吸收性，冲击能吸收值在所有塑料中最高，因而噪声阻尼性能很好，具有优良的削音效果。

耐低温性

UHMWPE具有优异的耐低温性，在液氦温度(-269℃)下仍具有延展性，因而能够用作核工业的耐低温部件。

卫生无毒性

UHMWPE卫生无毒，可用于接触食品和药物。

不粘性

UHMWPE表面吸附能力非常微弱，其抗粘符能力仅次于塑料中不粘性最好的PTFE，因而制品表面与其它材料不易粘符。

吸水性小

UHMWPE吸水率很低;一般小于0.01%，仅为PA66的1%，因而在成型加工前一般不必干燥处理。

密度

UHMWPE与其它工程塑料密度比较相对来说低。

拉伸强度

由于UHMWPE具有朝拉伸取向必备的结构特征，所以有无可匹敌的超高拉伸强度，因此可通过凝胶纺丝法制得超高弹性模量和强度的纤维，其拉伸强度高达3~3.5GPa,拉伸弹性模量高达100~125GPa;纤维比强度是迄今已商品化的所有纤维中最高的，比碳纤维大4倍，比钢丝大10倍，比芳纶纤维大50%。

耐老化性

超高分子量聚乙稀(UHMW-PE)具有很好的耐老化性能，使用时间更长，节约成本。

吸能

利用超高分子量聚乙稀(UHMW-PE)的吸能特点，可广泛应用在机械设备行业中，用于钢铁材质表面，减少摩擦，提高效益。

阻燃

通过加入阻燃剂，使超高分子量聚乙稀(UHMW-PE)具有阻燃性。

缺点

虽然超高分子量聚乙烯板有很多优点，但是世界上没有完美的事物，它也有它的缺陷，与其它工程塑料相比，高分子量聚乙烯具有表面硬度和热变形温度低、弯曲强度以及蠕变性能较差等缺点。这是由于高分子量聚乙烯得分子结构和分子聚集形态造成得，可通过填充和交联得方法加以改善。

应用领域

超高分子量聚乙烯UHMW-PE产品的行业应用:

由于UHMW-PE具有很好的耐磨性、环保、防静电、缓冲、高耐磨 、防潮、耐腐蚀、易加工 、吸震、无噪音、 经济、不变形、抗冲击性、自润滑性，所以很适合制作各种耐磨机械零件，如托轮、轴套、喷嘴、搅拌叶，应用范围极为广泛。

垫块用途

造纸机械

吸水箱盖板、导流板、刮水板、水翼

建筑农业机械

耐环境应力开裂性优良，抗反复疲劳强度高，噪音和振动阻尼性均优良，可用作高架、轻轨桥面防震垫块、自卸汽车、翻斗衬里、砂浆、混凝土容器及溜槽衬里，清洗方便。

低温技术

装配式冷库，低温集装箱垫仓板，在欧洲核研究中心成功地在液氮温度下将超高作密封圈、衬垫及活塞环应用

医疗技术

由于超高分子量聚乙烯生物相容性良好，医疗上作人工移植器官，世界上已有几十万人接受超高骨关节植置。目前本公司正与国内外著名机构着手研究开发多种范围的人工器官件的临床应用试验。

电气工程

超高具有良好的电绝缘性能，电性能指标都在一般塑料之上。

砧板

使用各种食品、清洁方便，已用作食品加工厂的切配台板、面包房工作台面、和面机等。 皮革机械冲床裁料砧板，使用寿命与其他塑料比较提高四倍以上，并且表面刨削一层可继续使用。 超高分子量聚乙烯是一种近年耐开发应用的新材料，作为一种永久性固体润滑剂以保护受摩擦的金属表面，可降低能耗，减少噪音以及昂贵的维修费用。

应用实例

运输机械

导轨、传送带、传送装置滑块座、固定板、流水生产线计时星轮

食品机械

星形轮、送瓶计数螺杆、灌装机轴承、抓瓶机零件、垫圈导销、气缸、齿轮、辊筒、链轮手柄

造纸机械

吸水箱盖板、偏导轮、刮刀、轴承、叶嘴、过滤器、储油器、防磨条、毛毡清扫机

纺织机械

开幅机、减振器挡板、连接器、曲轴连杆、打梭棒、扫花针、偏杆轴承、摆动后梁

建筑机械农业

推土机推上板料里、自卸卡车厢内料、拖拉机梨刀内衬

化工机械

阀体、泵体、垫圈、过滤器、齿轮、螺母、密封环、喷嘴、旋塞、轴套、波纹管

港口机械船舶

船舶部件、桥吊用边托辊、耐磨块等零配件

一般机械

各种齿轮、轴瓦、衬套、滑动板、离合器、导向体、制动器、铰链、弹性联轴节、辊筒、托轮、紧固件、升降台滑动部件

染色修饰

浸染机轴承、刮刀、滑动板、衬垫、密封件、拉幅导盘

文体用品

浸雪衬里、动力雪橇、溜冰场铺面、冰场保护架

医疗用品

矩形外料零件、人工关节、假肢等

其它

冷冻机械、原子能发电站的遮蔽板、电镀零件、超低温机械零件

生产工艺

由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)熔融状态的粘度高达108Pa*s，流动性极差，其熔体指数几乎为零，所以很难用一般的机械加工方法进行加工。近年来，超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的加工技术得到了迅速发展，通过对普通加工设备的改造，已使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)由最初的压制-烧结成型发展为挤出、吹塑和注射成型以及其它特殊方法的成型。

一般加工技术

压制烧结

压制烧结是超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)最原始的加工方法。此法生产效率颇低，易发生氧化和降解。为了提高生产效率，可采用直接电加热法。

〔1〕另外，Werner和Pfleiderer公司开发了一种超高速熔结加工法;

〔2〕采用叶片式混合机，叶片旋转的最大速度可达150m/s，使物料仅在几秒内就可升至加工温度。

挤出成型

挤出成型设备主要有柱塞挤出机、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。双螺杆挤出多采用同向旋转双螺杆挤出机。

60年代大都采用柱塞式挤出机，70年代中期，日、美、西德等先后开发了单螺杆挤出工艺。日本三井石油化学公司最早于1974年取得了圆棒挤出技术的成功。我国于1994年底研制出Φ45型超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)专用单螺杆挤出机，并于1997年取得了Φ65型单螺杆挤出管材工业化生产线的成功。

注塑成型

日本三井石油化工公司于1974年开发了注塑成型工艺，并于1976年实现了商业化，之后又开发了往复式螺杆注塑成型技术。1985年美国Hoechst公司也实现了超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的螺杆注塑成型工艺。我国1983年对国产XS-ZY-125A型注射机进行了改造，成功地注射出啤酒罐装生产线用超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)托轮、水泵用轴套，1985年又成功地注射出医用人工关节等。

吹塑成型

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)加工时，当物料从口模挤出后，因弹性恢复而产生一定的回缩，并且几乎不发生下垂现象，故为中空容器，特别是大型容器，如油箱、大桶的吹塑创造了有利的条件。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)吹塑成型还可导致纵横方向强度均衡的高性能薄膜，从而解决了HDPE薄膜长期以来存在的纵横方向强度不一致，容易造成纵向破坏的问题。

加工技术

发展过程

以冻胶纺丝-超拉伸技术制备高强度、高模量聚乙烯纤维是70年代末出现的一种新颖纺丝方法。荷兰DSM公司最早于1979年申请专利，随后美国Allied公司、日本与荷兰联合建立的Toyobo-DSM公司、日本Mitsui公司都实现了工业化生产。中国纺织大学化纤所从1985年开始该项目的研究，逐步形成了自己的技术，制得了高性能的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维。

纺丝过程

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)冻胶纺丝过程简述如下:溶解超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)于适当的溶剂中，制成半稀溶液，经喷丝孔挤出，然后以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝。在冻胶原丝中，几乎所有的溶剂被包含其中，因此超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)大分子链的解缠状态被很好地保持下来，而且溶液温度的下降，导致冻胶体中超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)折叠链片晶的形成。这样，通过超倍热拉伸冻胶原丝可使大分子链充分取向和高度结晶，进而使呈折叠链的大分子转变为伸直链，从而制得高强度、高模量纤维。

应用

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维是当今世界上第三代特种纤维，强度高达30.8cN/dtex,比强度是化纤中最高的，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能。它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物:防弹背心和衣服、防切割手套等，其中防弹衣的防弹效果优于芳纶。国际上已将超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维织成不同纤度的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳等。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等;体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。

润滑挤出

润滑挤出(注射)成型技术是在挤出(注射)物料与模壁之间形成一层润滑层，从而降低物料各点间的剪切速率差异，减小产品的变形，同时能够实现在低温、低能耗条件下提高高粘度聚合物的挤出(注射)速度。产生润滑层的方法主要有两种:自润滑和共润滑。

自润滑挤出

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的自润滑挤出(注射)是在其中添加适量的外部润滑剂，以降低聚合物分子与金属模壁间的摩擦与剪切，提高物料流动的均匀性及脱模效果和挤出质量。外部润滑剂主要有高级脂肪酸、复合脂、有机硅树脂、石腊及其它低分子量树脂等。挤出(注射)加工前，首先将润滑剂同其它加工助剂一起混入物料中，生产时，物料中的润滑剂渗出，形成润滑层，实现自润滑挤出(注射)。

有专利报道〔4〕:将70份石蜡油、30份超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)和1份氧相二氧化硅(高度分散的硅胶)混合造粒，在190℃的温度下就可实现顺利挤出(注射)。

共润滑挤出

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的共润滑挤出(注射)有两种情况，一是采用缝隙法〔5、6〕将润滑剂压入到模具中，使其在模腔内表面和熔融物料间形成润滑层;二是与低粘度树脂共混，使其作为产物的一部分(详见3.2.1)。

如:生产超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)薄板时，由定量泵向模腔内输送SH200有机硅油作润滑剂，所得产品外观质量有明显提高，特别是由于挤出变形小，增加了拉伸强度。

辊压成型

辊压成型是一种固态加工方法，即在超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的熔点以下对其施加一很大的压力，通过粒子形变，有效地将粒子与粒子融合。主要设备是一带有螺槽的旋转轮和一带有舌槽的弓形滑块，舌槽与螺槽垂直。在加工过程中有效地利用了物料与器壁之间的摩擦力，产生的压力足够使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)粒子发生形变。在机座末端装有加热支台，经过模口挤出物料。如将此项辊压装置与挤压机联用，可使加工过程连续化。

热处理压制

把超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)树脂粉末在140℃~275℃之间进行1min~30min的短期加热，发现超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的某些物理性能出人意料地大大改善。用热处理过的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)粉料压制出的制品和未热处理过的UHMPWE制品相比较，前者具有更好的物理性能和透明性，制品表面的光滑程度和低温机械性能大大提高了。

射频加工

采用射频加工超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是一种崭新的加工方法，它是将超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)粉末和介电损耗高的炭黑粉末均匀混合在一起，用射频辐照，产生的热可使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)粉末表面发生软化，从而使其能在一定压力下固结。用这种方法可在数分钟内模压出很厚的大型部件，其加工效率比目前超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)常规模压加工高许多倍。

制备多孔膜

将超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)溶解在挥发溶剂中，连续挤出，然后经一个热可逆凝胶/结晶过程，使其成为一种湿润的凝胶膜，蒸除溶剂使膜干燥。由于已形成的骨架结构限制了凝胶的收缩，在干燥过程中产生微孔，经双轴拉伸达到最大空隙率而不破坏完整的多孔结构。这种材料可用作防水、通氧织物和耐化学品服装，也可用作超滤/微量过滤膜、复合薄膜和蓄电池隔板等。

与其它方法相比，由此法制备的多孔超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)膜具有最佳的孔径、强度和厚度等综合性能。