鏈條軌道超高分子量聚乙烯

ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE

定義:具有超高分子量(分子量通常達(dá)150萬以上)的聚乙烯品種。具有優(yōu)良的耐沖擊性和自潤滑性。

材料科學(xué)技術(shù)(一級(jí)學(xué)科);高分子材料(二級(jí)學(xué)科);塑料(三級(jí)學(xué)科)

鏈條軌道

由于超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)熔融狀態(tài)的粘度高達(dá)108Pa*s，流動(dòng)性極差，其熔體指數(shù)幾乎為零，所以很難用一般的機(jī)械加工方法進(jìn)行加工。近年來，超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展，通過對(duì)普通加工設(shè)備的改造，已使超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)由最初的壓制-燒結(jié)成型發(fā)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(shù)

壓制燒結(jié)是超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)最原始的加工方法。此法生產(chǎn)效率頗低，易發(fā)生氧化和降解。為了提高生產(chǎn)效率，可采用直接電加熱法〔1〕;另外，Werner和Pfleiderer公司開發(fā)了一種超高速熔結(jié)加工法〔2〕，采用葉片式混合機(jī)，葉片旋轉(zhuǎn)的最大速度可達(dá)150m/s，使物料僅在幾秒內(nèi)就可升至加工溫度。

擠出成型設(shè)備主要有柱塞擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)。雙螺桿擠出多采用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)。 60年代大都采用柱塞式擠出機(jī)，70年代中期，日、美、西德等先后開發(fā)了單螺桿擠出工藝。日本三井石油化學(xué)公司最早于1974年取得了圓棒擠出技術(shù)的成功。我國于1994年底研制出Φ45型超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)專用單螺桿擠出機(jī)，并于1997年取得了Φ65型單螺桿擠出管材工業(yè)化生產(chǎn)線的成功。

日本三井石油化工公司于1974年開發(fā)了注塑成型工藝，并于1976年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，之后又開發(fā)了往復(fù)式螺桿注塑成型技術(shù)。1985年美國Hoechst公司也實(shí)現(xiàn)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(duì)國產(chǎn)XS-ZY-125A型注射機(jī)進(jìn)行了改造，成功地注射出啤酒罐裝生產(chǎn)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(yī)用人工關(guān)節(jié)等。

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)加工時(shí)，當(dāng)物料從口模擠出后，因彈性恢復(fù)而產(chǎn)生一定的回縮，并且?guī)缀醪话l(fā)生下垂現(xiàn)象，故為中空容器，特別是大型容器，如油箱、大桶的吹塑創(chuàng)造了有利的條件。超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)吹塑成型還可導(dǎo)致縱橫方向強(qiáng)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(qiáng)度不一致，容易造成縱向破壞的問題。

UHMWPE極高的分子量賦予其優(yōu)異的使用性能，而且屬于價(jià)格適中、性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，它幾乎集中了各種塑料的優(yōu)點(diǎn)，具有普通聚乙烯和其它工程塑料無可比擬的耐磨、耐沖擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收沖擊能、耐低溫、衛(wèi)生無毒、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實(shí)上，目前還沒有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優(yōu)異性能。

UHMWPE的耐磨性居塑料之冠，并超過某些金屬，圖1為UHMWPE與其它材料耐磨性比較。從圖1可以看出，與其它工程塑料相比，UHMWPE的沙漿磨耗指數(shù)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，以致于用一般塑料磨耗實(shí)驗(yàn)法難以測(cè)試其耐磨程度，因而專門設(shè)計(jì)了一種沙漿磨耗測(cè)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。

UHMWPE的沖擊強(qiáng)度，在所有工程塑料中名列前茅，圖2為UHMWPE與其他工程塑料沖擊強(qiáng)度比較，從圖2中可以看出，UHMWPE的沖擊強(qiáng)度約為耐沖擊PC的2倍，ABS的5倍，POM和PBTP的10余倍。耐沖擊性如此之高，以致于采用通常沖擊試驗(yàn)方法難以使其斷裂破壞。其沖擊強(qiáng)度隨分子量的增大而提高，在分子量為150萬時(shí)達(dá)到最大值，然后隨分子量的繼續(xù)升高而逐漸下降。值得指出的是，它在液氮中(-195℃)也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度，這一特性是其它塑料所沒有的。此外，它在反復(fù)沖擊表面硬度更高。

UHMWPE有極低的摩擦因數(shù)(0.05~0.11)，故自潤滑性優(yōu)異。表1為UHMWPE與其他工程塑料摩擦因數(shù)比較。從表1可以看出，UHMWPE的動(dòng)嗎擦因數(shù)在水潤滑條件下是PA66和POM的1/2，在無潤滑條件下僅次于塑料中自潤滑性最好的聚四氟乙烯(PTFE);當(dāng)它以滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)形式工作時(shí)，比鋼和黃銅加潤滑油后的潤滑性還要好。因此，在摩擦學(xué)領(lǐng)域UHMWPE被譽(yù)為成本/性能非常理想的摩擦材料。

UHMWPE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性，除強(qiáng)氧化性酸液外，在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)(荼溶劑除外)。 其在20℃和80℃的80種有機(jī)溶劑中浸漬30d，外表無任何反?，F(xiàn)象，其它物理性能也幾乎沒有變化。

UHMWPE具有優(yōu)異的沖擊能吸收性，沖擊能吸收值在所有塑料中最高，因而噪聲阻尼性能很好，具有優(yōu)良的削音效果。

UHMWPE具有優(yōu)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(yè)的耐低溫部件。

UHMWPE衛(wèi)生無毒，可用于接觸食品和藥物。

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

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

UHMWPE與其它工程塑料密度比較相對(duì)來說低。

由于UHMWPE具有朝拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征，所以有無可匹敵的超高拉伸強(qiáng)度，因此可通過凝膠紡絲法制得超高彈性模量和強(qiáng)度的纖維，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)3~3.5GPa,拉伸彈性模量高達(dá)100~125GPa;纖維比強(qiáng)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%。