超高分子量聚乙烯板

超高分子量聚乙烯的英文是：Ultra High Molecular Weight Polyethylene，這是現有的最優質的可套用於惡劣工作環境及多種用途的聚乙烯。在許多高難度的套用條件下適用性非常好。

超高分子量是這種聚合物與眾不同的特質，其具有300至600萬的分子量，而高密度聚乙烯樹脂只有30萬至50萬。這種差別是保證超高分子量聚乙烯具備足夠的強度，以達到其他低等聚合產品所不可能具備的耐磨損和抗衝擊能力。超高分子量聚乙烯的超高分子量的含義是它不會融化並向液體一樣流動，因而加工方法由粉末金屬技術衍生。傳統的塑膠加工技術，比如注塑成型、吹塑和熱定型，無法套用於超高分子量聚乙烯。擠壓成型是套用於這種樹脂最常見的加工工藝，這樣生產出來的產品韌性更強。

基本介紹

• 中文名：超高分子量聚乙烯板
• 外文名：Ultra High Molecular Weight Polyethylene
• 分子量：150萬以上
• 優點：足夠的強度

原料

根據美國菲利普石油公司的劃分方法，分子量在150萬以上的聚乙烯稱為“超高分子量聚乙烯（UHMWPE）”。德國赫斯特（Hoechst）公司、美國赫爾克樂斯（Hercules）公司和日本三井石油化學公司是世界上生產UHMWPE的三大公司，中國主要生產廠家是北京助劑二廠、上海高橋石化公司化工廠。超高分子量聚乙烯板的原料,就是分子量在150萬以上的超高分子量聚乙烯.

特點

UHMWPE極高的分子量賦予其優異的使用性能，而且屬於價格適中、性能優良的熱塑性工程塑膠，它幾乎集中了各種塑膠的優點，具有普通聚乙烯和其它工程塑膠無可比擬的耐磨、耐衝擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收衝擊能、耐低溫、衛生無毒、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實上，目前還沒有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優異性能。

耐磨性

UHMWPE的耐磨性居塑膠之冠，並超過某些金屬，圖1為UHMWPE與其它材料耐磨性比較。從圖1可以看出，與其它工程塑膠相比，UHMWPE的沙漿磨耗指數僅是PA66的1/5，HEPE和PVC的1/10；與金屬相比，是碳鋼的1/7，黃銅的1/27。這樣高的耐磨性，以致於用一般塑膠磨耗實驗法難以測試其耐磨程度，因而專門設計了一種沙漿磨耗測試裝置。UHMWPE耐磨性與分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。

耐衝擊性

UHMWPE的衝擊強度，在所有工程塑膠中名列前茅，圖2為UHMWPE與其他工程塑膠衝擊強度比較，從圖2中可以看出，UHMWPE的衝擊強度約為耐衝擊PC的2倍，ABS的5倍，POM和PBTP的10餘倍。耐衝擊性如此之高，以致於採用通常衝擊試驗方法難以使其斷裂破壞。其衝擊強度隨分子量的增大而提高，在分子量為150萬時達到最大值，然後隨分子量的繼續升高而逐漸下降。值得指出的是，它在液氮中（-195℃）也能保持優異的衝擊強度，這一特性是其它塑膠所沒有的。此外，它在反覆衝擊表面硬度更高。

自潤滑性

UHMWPE有極低的摩擦因數（0.05～0.11），故自潤滑性優異。表1為UHMWPE與其他工程塑膠摩擦因數比較。從表1可以看出，UHMWPE的動嗎擦因數在水潤滑條件下是PA66和POM的1/2，在無潤滑條件下僅次於塑膠中自潤滑性最好的聚四氟乙烯（PTFE）；當它以滑動或轉動形式工作時，比鋼和黃銅加潤滑油後的潤滑性還要好。因此，在摩擦學領域UHMWPE被譽為成本/性能非常理想的摩擦材料。

耐化學藥品性

UHMWPE具有優良的耐化學藥品性，除強氧化性酸液外，在一定溫度和濃度範圍內能耐各種腐蝕性介質（酸、鹼、鹽）及有機介質（荼溶劑除外）。其在20℃和80℃的80種有機溶劑中浸漬30d，外表無任何反常現象，其它物理性能也幾乎沒有變化。

衝擊能吸收性

UHMWPE具有優異的衝擊能吸收性，衝擊能吸收值在所有塑膠中最高，因而噪聲阻尼性能很好，具有優良的削音效果。

耐低溫性

UHMWPE具有優異的耐低溫性，在液氦溫度（-269℃）下仍具有延展性，因而能夠用作核工業的耐低溫部件。

衛生無毒性

UHMWPE衛生無毒，可用於接觸食品和藥物。

不粘性

UHMWPE表面吸附能力非常微弱，其抗粘符能力僅次於塑膠中不粘性最好的PTFE，因而製品表面與其它材料不易粘符。

吸水性小

UHMWPE吸水率很低；一般小於0.01%，僅為PA66的1%，因而在成型加工前一般不必乾燥處理。

密度

UHMWPE與其它工程塑膠密度比較相對來說低。

拉伸強度

由於UHMWPE具有朝拉伸取向必備的結構特徵，所以有無可匹敵的超高拉伸強度，因此可通過凝膠紡絲法製得超高彈性模量和強度的纖維，其拉伸強度高達3～3.5GPa,拉伸彈性模量高達100～125GPa；纖維比強度是迄今已商品化的所有纖維中最高的，比碳纖維大4倍，比鋼絲大10倍，比芳綸纖維大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，使用時間更長，節約成本。

吸能

利用超高分子量聚乙稀（UHMW—PE）的吸能特點，可廣泛套用在機械設備行業中，用於鋼鐵材質表面，減少摩擦，提高效益。

阻燃

通過加入阻燃劑，使超高分子量聚乙稀（UHMW-PE）具有阻燃性。

白色超高分子量聚乙稀板

缺點

雖然超高分子量聚乙烯板有很多優點，但是世界上沒有完美的事物，它也有它的缺陷，與其它工程塑膠相比，高分子量聚乙烯具有表面硬度和熱變形溫度低、彎曲強度以及蠕變性能較差等缺點。這是由於高分子量聚乙烯得分子結構和分子聚集形態造成得，可通過填充和交聯得方法加以改善。

套用領域

超高分子量聚乙烯UHMW-PE產品的行業套用:

由於UHMW-PE具有很好的耐磨性、環保、防靜電、緩衝、高耐磨 、防潮、耐腐蝕、易加工 、吸震、無噪音、 經濟、不變形、抗衝擊性、自潤滑性，所以很適合製作各種耐磨機械零件，如托輪、軸套、噴嘴、攪拌葉，套用範圍極為廣泛。

墊塊用途

造紙機械

吸水箱蓋板、導流板、刮水板、水翼

建築農業機械

耐環境應力開裂性優良，抗反覆疲勞強度高，噪音和振動阻尼性均優良，可用作高架、輕軌橋面防震墊塊、自卸汽車、翻斗襯裡、砂漿、混凝土容器及溜槽襯裡，清洗方便。

低溫技術

裝配式冷庫，低溫貨櫃墊倉板，在歐洲核研究中心成功地在液氮溫度下將超高作密封圈、襯墊及活塞環套用

醫療技術

由於超高分子量聚乙烯生物相容性良好，醫療上作人工移植器官，世界上已有幾十萬人接受超高骨關節植置。目前本公司正與國內外著名機構著手研究開發多種範圍的人工器官件的臨床套用試驗。

電氣工程

超高具有良好的電絕緣性能，電性能指標都在一般塑膠之上。

砧板

使用各種食品、清潔方便，已用作食品加工廠的切配台板、麵包房工作檯面、和面機等。 皮革機械沖床裁料砧板，使用壽命與其他塑膠比較提高四倍以上，並且表面刨削一層可繼續使用。 超高分子量聚乙烯是一種近年耐開發套用的新材料，作為一種永久性固體潤滑劑以保護受摩擦的金屬表面，可降低能耗，減少噪音以及昂貴的維修費用。

套用實例

運輸機械

導軌、傳送帶、傳送裝置滑塊座、固定板、流水生產線計時星輪

食品機械

星形輪、送瓶計數螺桿、灌裝機軸承、抓瓶機零件、墊圈導銷、氣缸、齒輪、輥筒、鏈輪手柄

造紙機械

吸水箱蓋板、偏導輪、刮刀、軸承、葉嘴、過濾器、儲油器、防磨條、毛氈清掃機

紡織機械

開幅機、減振器擋板、連線器、曲軸連桿、打梭棒、掃花針、偏桿軸承、擺動後梁

建築機械農業

推土機推上板料里、自卸卡車廂內料、拖拉機梨刀內襯

化工機械

閥體、泵體、墊圈、過濾器、齒輪、螺母、密封環、噴嘴、旋塞、軸套、波紋管

港口機械船舶

船舶部件、橋吊用邊托輥、耐磨塊等零配件

一般機械

各種齒輪、軸瓦、襯套、滑動板、離合器、導向體、制動器、鉸鏈、彈性聯軸節、輥筒、托輪、緊固件、升降台滑動部件

染色修飾

浸染機軸承、刮刀、滑動板、襯墊、密封件、拉幅導盤

文體用品

浸雪襯裡、動力雪橇、溜冰場鋪面、冰場保護架

醫療用品

矩形外料零件、人工關節、假肢等

其它

冷凍機械、原子能發電站的遮蔽板、電鍍零件、超低溫機械零件

生產工藝

由於超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）熔融狀態的粘度高達108Pa*s，流動性極差，其熔體指數幾乎為零，所以很難用一般的機械加工方法進行加工。近年來，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的加工技術得到了迅速發展，通過對普通加工設備的改造，已使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）由最初的壓制-燒結成型發展為擠出、吹塑和注射成型以及其它特殊方法的成型。

一般加工技術

壓制燒結

壓制燒結是超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）最原始的加工方法。此法生產效率頗低，易發生氧化和降解。為了提高生產效率，可採用直接電加熱法。

〔1〕另外，Werner和Pfleiderer公司開發了一種超高速熔結加工法；

〔2〕採用葉片式混合機，葉片旋轉的最大速度可達150m/s，使物料僅在幾秒內就可升至加工溫度。

擠出成型

擠出成型設備主要有柱塞擠出機、單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機。雙螺桿擠出多採用同向旋轉雙螺桿擠出機。

60年代大都採用柱塞式擠出機，70年代中期，日、美、西德等先後開發了單螺桿擠出工藝。日本三井石油化學公司最早於1974年取得了圓棒擠出技術的成功。我國於1994年底研製出Φ45型超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）專用單螺桿擠出機，並於1997年取得了Φ65型單螺桿擠出管材工業化生產線的成功。

注塑成型

日本三井石油化工公司於1974年開發了注塑成型工藝，並於1976年實現了商業化，之後又開發了往復式螺桿注塑成型技術。1985年美國Hoechst公司也實現了超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的螺桿注塑成型工藝。我國1983年對國產XS-ZY-125A型注射機進行了改造，成功地注射出啤酒罐裝生產線用超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）托輪、水泵用軸套，1985年又成功地注射出醫用人工關節等。

吹塑成型

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）加工時，當物料從口模擠出後，因彈性恢復而產生一定的回縮，並且幾乎不發生下垂現象，故為中空容器，特別是大型容器，如油箱、大桶的吹塑創造了有利的條件。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）吹塑成型還可導致縱橫方向強度均衡的高性能薄膜，從而解決了HDPE薄膜長期以來存在的縱橫方向強度不一致，容易造成縱向破壞的問題。

加工技術

發展過程

以凍膠紡絲—超拉伸技術製備高強度、高模量聚乙烯纖維是70年代末出現的一種新穎紡絲方法。荷蘭DSM公司最早於1979年申請專利，隨後美國Allied公司、日本與荷蘭聯合建立的Toyobo-DSM公司、日本Mitsui公司都實現了工業化生產。中國紡織大學化纖所從1985年開始該項目的研究，逐步形成了自己的技術，製得了高性能的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纖維〔3〕。

紡絲過程

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）凍膠紡絲過程簡述如下：溶解超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）於適當的溶劑中，製成半稀溶液，經噴絲孔擠出，然後以空氣或水驟冷紡絲溶液，將其凝固成凍膠原絲。在凍膠原絲中，幾乎所有的溶劑被包含其中，因此超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）大分子鏈的解纏狀態被很好地保持下來，而且溶液溫度的下降，導致凍膠體中超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）摺疊鏈片晶的形成。這樣，通過超倍熱拉伸凍膠原絲可使大分子鏈充分取向和高度結晶，進而使呈摺疊鏈的大分子轉變為伸直鏈，從而製得高強度、高模量纖維。

套用

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纖維是當今世界上第三代特種纖維，強度高達30.8cN/dtex,比強度是化纖中最高的，又具有較好的耐磨、耐衝擊、耐腐蝕、耐光等優良性能。它可直接製成繩索、纜繩、漁網和各種織物：防彈背心和衣服、防切割手套等，其中防彈衣的防彈效果優於芳綸。國際上已將超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纖維織成不同纖度的繩索，取代了傳統的鋼纜繩和合成纖維繩等。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纖維的複合材料在軍事上已用作裝甲兵器的殼體、雷達的防護外殼罩、頭盔等；體育用品上已製成弓弦、雪橇和滑水板等。

潤滑擠出

潤滑擠出(注射)成型技術是在擠出(注射)物料與模壁之間形成一層潤滑層，從而降低物料各點間的剪下速率差異，減小產品的變形，同時能夠實現在低溫、低能耗條件下提高高粘度聚合物的擠出(注射)速度。產生潤滑層的方法主要有兩種：自潤滑和共潤滑。

自潤滑擠出

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的自潤滑擠出(注射)是在其中添加適量的外部潤滑劑，以降低聚合物分子與金屬模壁間的摩擦與剪下，提高物料流動的均勻性及脫模效果和擠出質量。外部潤滑劑主要有高級脂肪酸、複合脂、有機矽樹脂、石臘及其它低分子量樹脂等。擠出(注射)加工前，首先將潤滑劑同其它加工助劑一起混入物料中，生產時，物料中的潤滑劑滲出，形成潤滑層，實現自潤滑擠出(注射)。

有專利報導〔4〕：將70份石蠟油、30份超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）和1份氧相二氧化矽(高度分散的矽膠)混合造粒，在190℃的溫度下就可實現順利擠出(注射)。

共潤滑擠出

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的共潤滑擠出(注射)有兩種情況，一是採用縫隙法〔5、6〕將潤滑劑壓入到模具中，使其在模腔內表面和熔融物料間形成潤滑層；二是與低粘度樹脂共混，使其作為產物的一部分(詳見3.2.1)。

如：生產超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）薄板時，由定量泵向模腔內輸送SH200有機矽油作潤滑劑，所得產品外觀質量有明顯提高，特別是由於擠出變形小，增加了拉伸強度。

輥壓成型

輥壓成型是一種固態加工方法，即在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的熔點以下對其施加一很大的壓力，通過粒子形變，有效地將粒子與粒子融合。主要設備是一帶有螺槽的旋轉輪和一帶有舌槽的弓形滑塊，舌槽與螺槽垂直。在加工過程中有效地利用了物料與器壁之間的摩擦力，產生的壓力足夠使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）粒子發生形變。在機座末端裝有加熱支台，經過模口擠出物料。如將此項輥壓裝置與擠壓機聯用，可使加工過程連續化。

熱處理壓制

把超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）樹脂粉末在140℃～275℃之間進行1min～30min的短期加熱，發現超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的某些物理性能出人意料地大大改善。用熱處理過的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）粉料壓製出的製品和未熱處理過的UHMPWE製品相比較，前者具有更好的物理性能和透明性，製品表面的光滑程度和低溫機械性能大大提高了。

射頻加工

採用射頻加工超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）是一種嶄新的加工方法，它是將超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）粉末和介電損耗高的炭黑粉末均勻混合在一起，用射頻輻照，產生的熱可使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）粉末表面發生軟化，從而使其能在一定壓力下固結。用這種方法可在數分鐘內模壓出很厚的大型部件，其加工效率比目前超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）常規模壓加工高許多倍。

製備多孔膜

將超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）溶解在揮發溶劑中，連續擠出，然後經一個熱可逆凝膠/結晶過程，使其成為一種濕潤的凝膠膜，蒸除溶劑使膜乾燥。由於已形成的骨架結構限制了凝膠的收縮，在乾燥過程中產生微孔，經雙軸拉伸達到最大空隙率而不破壞完整的多孔結構。這種材料可用作防水、通氧織物和耐化學品服裝，也可用作超濾/微量過濾膜、複合薄膜和蓄電池隔板等。與其它方法相比，由此法製備的多孔超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）膜具有最佳的孔徑、強度和厚度等綜合性能。