UHMWPE

摘要超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(简称UHMWPE),与HDPE相比其相对分子质量高达200~400万。因分子量太高而具有与HDPE完全不同的性能,HDPE为通用热塑性塑料,而UHMWPE是一种综合性能十分优异...

UHMWPE

超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(简称UHMWPE),与HDPE相比其相对分子质量高达200~400万。因分子量太高而具有与HDPE完全不同的性能,HDPE为通用热塑性塑料,而UHMWPE是一种综合性能十分优异的热塑性工程塑料。

分子式:—(—CH2-CH2—)—n—,密度:0.920~0.964g/cm3。热变形温度(0.46MPa)85℃,熔点130~136℃。

UHMWPE结构

UHMWPE的分子结构为线型结构,与HDPE结构完全相同,只是分子量不同。UHMWPE的相对分子量在150万以上,个别品种为300万~600万,比普通PE高得多(普通PE相对分子量为5万~30万),由于分子链长,分子链之间必然会产生缠结,聚集态结构也会随之改变,所以,UHMWPE的耐冲击、耐磨、自润滑、耐低温、耐环境应力开裂等性能好于一般PE,还具有耐腐蚀、不易黏附、不易吸水、密度较小、卫生无毒等特性,是一种价格适中、综合性能十分突出的热塑性塑料。

UHMWPE性能

UHMWPE的耐磨性突出,比钢铁高8~9倍、比尼龙高2.8倍;耐冲击性能优异,是PC的2~5倍、ABS的5倍、POM的1.5倍;摩擦因数仅为0.10~0.22,与F4相当,是理想的自润滑材料;此外,其耐化学药品、耐低温、消音、耐应力开裂等均好。

与其他工程塑料相比,UHMWPE具有以下突出性能:

①优异的耐磨性能,它的耐磨性优于许多工程塑料,如聚四氟乙烯(PTFE)、MC尼龙、聚甲醛(POM)等,甚至高于许多金属材料,如碳钢、不锈钢、青铜等。UHMWPE的耐磨性比普通HDPE高出数倍。

②超高的冲击强度,它的冲击强度是工程塑料中最高的,远高出ABS、PC和尼龙等材料。UHMWPE不仅在常温下冲击强度高,而且在低温下(-40 ℃)仍具有高的冲击强度,甚至在液氮温度(-209 ℃)下还保持较高的韧性。

③良好的自润滑性能,UHMWPE的摩擦系数极低,与聚四氟乙烯相当。

④极好的耐化学腐蚀性能,UHMWPE的分子链上不存在可反应的基团,几乎不存在双键和支链,并且结晶度较高,因此具有良好的化学稳定性,除了浓硫酸、浓硝酸、卤代烃以及芳烃等一部分化学品外,对于一般的酸、碱和有机化学试剂呈现较高的稳定性。

除此之外,UHMWPE还具有良好的消音性能;抗黏附能力强,仅次于PTFE;优异的延展性,即使在液氮温度(-209 ℃)下仍然具有延展性;完全卫生无毒。

UHMWPE缺点

UHMWPE的主要缺点为加工性不好。这主要是因为UHMWPE的相对分子质量太大,熔体黏度极高(一般为109Pa.s),流动性极差(熔体流动指数几乎为0),因而难以用通用热塑性塑料的加工方法直接进行挤出或注射加工。

UHMWPE的加工难点可归纳为如下几点:

①由于较高的黏度,在熔融时UHMWPE不能形成黏流态,只能处于高弹态;在普通螺杆挤出机上加工时,熔体包住螺杆一起转动,很难沿螺槽推进,陷入不能挤出的状态,俗称“料塞”。

②由于极低的摩擦系数,加工时粉料在进料过程中极易打滑,不易进料。

③由于临界剪切速率低(约为10-2/s),在挤出成型时熔体易破裂,表面易出现裂纹;在注射成型时,会因出现喷射流状态而引起气孔和脱层现象。

④成型温度范围窄,加工时易引起氧化降解。

因为如上的难点,使得UHMWPE不能用通用的加工方法加工,只能用效率低、能耗大的间歇式压制烧结工艺加工,制品的形状不能太复杂。

解决UHMWPE加工性的方法有两个:一是从改进设备上入手,设计特殊的螺杆和料筒,以强制推料的方法加工;设备结构复杂,加工昂贵,生产成本高。二是添加流动改性剂,改进其原有的加工特性,具有或接近普通塑料的加工性能。

UHMWPE生产工艺

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的加工方式经历了显著的改变。在过去,它主要通过煅烧产生,但现在随着柱塞泵挤压、螺杆挤压、注入成型、注塑成型等热固性塑料加工工艺的发展,UHMWPE的应用范围得以扩大。然而,这种改变也带来了一个问题,即在生产过程中UHMWPE分子量的明显降低,从而严重影响了其原有的卓越特性,尤其是耐磨性能。因此,为了确保性能卓越,采用传统的煅烧成型方式仍然是一个不错的选择。

1. 煅烧成型加工工艺: 该方法采用粉末状环氧树脂,其分子量没有明确的限制。首先,将粉末状环氧树脂碾压成不规则形状的胚料,如棒、板、轮、套等。在工作压力为42MPa、保压为30~90秒的条件下,模具热涨冷缩率维持在1~3%。随后,进行250~300℃的煅烧,煅烧时长根据实际薄厚定为1小时/10分钟。

2. 挤压成型加工工艺: 推荐使用UHMWPE环氧树脂与LDPE、LCP或改性剂的混合物,以提升流动性。机器设备方面,可以选择柱塞泵式和同向双螺杆挤塑机,以防止摩擦阻力低、原材料容易跑偏的问题。挤出温度维持在180~200℃,螺杆转速比为10~15R/min;对于单螺杆挤塑机,可用于样式简单的商品,但需要增加生产加工附属设备,提升电机额定功率。

3.注入成型加工工艺:还宜选用与LDPE、LCP或添加物共混的UHMWPE环氧树脂;塑料机的螺杆和磨具有待改进。注射压力12OMPa之上,螺杆转速比40~60r/min,筒节环境温度180~220℃,模温85~110℃。

4.挤压成型一压成型:先挤压熔化胚料,再倒入磨具,做成需要商品。

UHMWPE应用范围

UHMWPE作为一种性能优良的新型工程塑料广泛用在纺织工业、造纸工业、化学工业、机械工业等。如纺织用梭子、打棱棒、造纸用成型板、刮水板、耐腐蚀泵、阀门、齿轮、轴瓦、轴套、导轨等。UHMWPE还可制备高模量高强度纤维,纤维的比强度是碳钢的10倍,是碳纤维和芳纶的2倍,拉伸强度为1.5~3.5 GPa,拉伸模量是80~100 GPa,可用于制造防弹衣、飞机安全带等。

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