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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.

耐磨性

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。

耐沖擊性

UHMWPE的沖擊強度,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度比較,從圖2中可以看出,UHMWPE的沖擊強度約為耐沖擊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方法難以使其斷裂破壞。

其沖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,然后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℃)也能保持優異的沖擊強度,這一特性是其它塑料所沒有的。此外,它在反復沖擊表面硬度更高。

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與其他工程塑料摩擦因數比較。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于塑料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后的潤滑性還要好。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,在一定溫度和濃度范圍內能耐各種腐蝕性介質(酸、堿、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。

沖擊能吸收性

UHMWPE具有優異的沖擊能吸收性,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,可用于接觸食品和藥物。

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。

吸水性小

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。

密度

UHMWPE與其它工程塑料密度比較相對來說低。

拉伸強度

由于UHMWPE具有朝拉伸取向必備的結構特征,所以有無可匹敵的超高拉伸強度,因此可通過凝膠紡絲法制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%。

由于UHMW-PE具有很好的耐磨性、環保、防靜電、緩沖、高耐磨 、防潮、耐腐蝕、易加工 、吸震、無噪音、 經濟、不變形、抗沖擊性、自潤滑性,所以很適合制作各種耐磨機械零件,如托輪、軸套、噴嘴、攪拌葉,應用范圍極為廣泛。

吸水箱蓋板、導流板、刮水板、水翼

建筑農業機械

耐環境應力開裂性優良,抗反復疲勞強度高,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、翻斗襯里、砂漿、混凝土容器及溜槽襯里,清洗方便。

低溫技術

裝配式冷庫,低溫集裝箱墊倉板,在歐洲核研究中心成功地在液氮溫度下將超高作密封圈、襯墊及活塞環應用

醫療技術

由于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范圍的人工器官件的臨床應用試驗。

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料之上。

砧板

使用各種食品、清潔方便,已用作食品加工廠的切配臺板、面包房工作臺面、和面機等。 皮革機械沖床裁料砧板,使用壽命與其他塑料比較提高四倍以上,并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應用的新材料,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。

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、連接器、曲軸連桿、打梭棒、掃花針、偏桿軸承、擺動后梁

建筑機械農業

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、升降臺滑動部件

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

浸雪襯里、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

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,可采用直接電加熱法。

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

2、采用葉片式混合機,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。雙螺桿擠出多采用同向旋轉雙螺桿擠出機。

60年代大都采用柱塞式擠出機,70年代中期,日、美、西德等先后開發了單螺桿擠出工藝。日本三井石油化學公司最早于1974年取得了圓棒擠出技術的成功。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,并于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于1974年開發了注塑成型工藝,并于1976年實現了商業化,之后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,當物料從口模擠出后,因彈性恢復而產生一定的回縮,并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。

以凍膠紡絲-超拉伸技術制備高強度、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公司最早于1979年申請專利,隨后美國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,制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)于適當的溶劑中,制成半稀溶液,經噴絲孔擠出,然后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)折疊鏈片晶的形成。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,進而使呈折疊鏈的大分子轉變為伸直鏈,從而制得高強度、高模量纖維。

應用

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、耐沖擊、耐腐蝕、耐光等優良性能。它可直接制成繩索、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于芳綸。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)纖維的復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;體育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。

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切,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、復合脂、有機硅樹脂、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)。

有專利報道（4）:將70份石蠟油、30份超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)和1份氧相二氧化硅(高度分散的硅膠)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,一是采用縫隙法〔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有機硅油作潤滑劑,所得產品外觀質量有明顯提高,特別是由于擠出變形小,增加了拉伸強度。