2023年宁津鸿宝化工对超高分子量聚乙烯的研究现状.doc

宁津鸿宝化工对超高分子量聚乙烯的研究现状 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指分子量在100万～500万以上的线型结构聚乙烯,与普通聚乙烯具有相同的分子结构。但UHMWPE由于其巨大的分子量,使之具有一些普通PE、其它工程塑料和一些金属材料所不及的优异的综合性能。为此,本文阐述了超高分子量聚乙烯的根本性能,介绍了主要的成型加工方法及其在各方面的应用情况。 UHMWPE具有其它工程塑料无可比较的耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性和自润滑等综合性能,被称为“惊异的塑料〞。 1 　UHMWPE的根本性能 超高分子量聚乙烯一般是指相对分子质量在100万以上的聚乙烯,德国生产的超高分子量聚乙烯相对分子质量早已高达1000万以上。超高分子量聚乙烯是一种新型工程塑料,虽然他的分子结构排列与普通聚乙烯完全相同,但由于它具有非常高的相对分子质量(普通聚乙烯的相对分子质量仅为2 万～3万) ,那么赋予他许多普通聚乙烯所没有的优异性能,是一种性能非常优异的新型工程塑料。它具有以下优点: (1)耐磨损非常卓越,砂浆磨损试验说明,比一般碳钢和铜等金属要耐磨数倍、比尼龙耐磨4倍; (2)冲击强度极高,比PA6和PP大10倍; (3)能吸收震动冲击和防噪声; (4)摩擦系数很低,远较尼龙及其他塑料为小,能自润滑;(5)不易粘附异物,滑动时有极优良的抗粘着特性; (6)耐化学腐蚀,病可屏蔽原子辐射; (7)工作温度范围可自- 265℃到+ 100℃,低温到- 195℃时,仍能保持很好的韧性和强度,不致脆裂; (8)无毒性、无污染、可再循环回收利用,和其他塑料相比有良好的热稳定性和不吸水性,能保持尺寸精度不变形; (9)本钱低廉。因此在工程塑料中超高分子量聚乙烯是综合性能最正确的工程塑料,它几乎集中了各种塑料的优点。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。但它也有缺乏之处,如耐温性能差、硬度低、拉伸强度低以及阻燃性能差等。 2 　UHMWPE的成型加工 2. 1　普通加工技术 2. 1. 1　压制烧结 压制烧结是UHMWPE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。 2. 1. 2　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。 2. 1. 3　注塑成型 2. 1. 4　吹塑成型 UHMWPE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。UHMWPE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。 2. 2　特殊加工技术 2. 2. 1　冻胶纺丝 2. 2. 2　润滑挤出(注射) 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。 2. 2. 2. 1　自润滑挤出(注射) UHMWPE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。 2. 2. 2. 2　共润滑挤出(注射) UHMWPE的共润滑挤出(注射)有两种情况,一是采用缝隙法将润滑剂压入到模具中,使其在模腔内外表和熔融物料间形成润滑层;二是与低粘度树脂共混,使其作为产物的一局部。 2. 2. 3　辊压成型 辊压成型是一种固态加工方法,即在UHMWPE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UHMWPE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。 2. 2. 4　热处理后压制成型 把UHMWPE树脂粉末在140℃～275℃之间进行1min ～30min的短期加热,发现UHMWPE的某些物理性能出人意料地大大改善。用热处理过的UHMWPE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,制品外表的光滑程度和低温机械性能大大提高了。 3 　UHMWPE的应用 目前UHMWPE已在纺织、造纸、包装、运输、进写、化工、采矿、石油、建筑、电气、食品、医疗、体育等领域得到广泛的应用,并开始进入常规兵器、船舶、汽车等领域。今后还将扩大到宇航和原子能等领域。 3. 1　耐磨性和耐冲击性为主的应用 3. 1. 1　纺织机械 纺织机械是UHMWPE最早应用的领域,早在1958年,就有几家公司用UHMWPE制造防止机械零件,如取代韧性材料中最耐用的水牛皮制作的织机上的皮结,承受40～180次/min长期振动冲击,其寿命可达水牛皮结的5～6倍。目前,国外在每台织机上应用的UHMWPE零件平均有30件左右,如投梭器、打梭棒、齿轮、联结器、扫花杆、缓冲块、杆轴套、摆动后梁等耐冲击磨损零件。 3. 1. 2　造纸机械 造纸机械是应用UHMWPE的第二个工业领域,约在1960年,在一台削木机的传送装置上第一次安装了UHMWPE防磨条,对底板和链条起到良好的保护作用,使用5a根本上无磨损。据估计,防磨条的寿命要比链条的寿命高一倍以上,UHMWPE和不锈钢、枫木、浇铸型聚氨脂及层压酚醛塑料等耐磨材料都层作为吸水箱盖板使用,但重要的是UHMWPE盖板对吸水箱上不锈钢丝网的阻力大大低于其它材料,因此可使昂贵的不锈钢死网的使用寿命延长。今天,造纸工业所需UHMWPE用量占总量的10% ,如采用UHMWPE制造造纸机的刮水板、吸水箱盖板、压密部件、接头等;此外UHMWPE也可用来制造造纸机械的密封轴杆、偏导轮、刮刀、过滤器等零部件。 3. 1. 3　包装机械 UHMWPE的高耐磨性、低摩擦因数和不粘性,使其在包装机械中比某些金属和其它塑料更适用,可代替磷青铜和氟塑料。用UHMWPE取代改性氟塑料制作导轨、传送装置的滑块座、固定板等,不仅大大降低了设备投资费用,而且可延长使用寿命10～50倍。一条液体洗涤剂生产线装置上的计时星轮,用UHMWPE取代原来的层压热固性塑料后,使过去易磨损、易划伤瓶且容易变软的问题迎刃而解,大大减少了备用件费用,有UHMWPE制造的计时螺杆,也已在许多装瓶线上作为标准部件使用。西方一个大啤酒厂,用UHMWPE制作了一条约1. 6km长的板带式瓶子传送带,比用磷青铜制作的传送带耐用几倍。国外一个汽车组装厂的输送线上,链条驱动链轮使小车在钢板传送平台上运动,由于链条与钢板的摩擦,链条极易损坏。采用UHMWPE板材替换钢板,使磨损大大降低,同时也减少了动力消耗。 3. 1. 4　通用机械 由于UHMWPE具有优良的耐磨性、耐冲击性,它在机械制造行业中得到广泛应用,可制作各种齿轮、凸轮、叶轮、滚轮、滑轮、轴承、轴瓦、轴套、削轴、垫片、密封垫、弹性联轴节、螺钉等机械零部件。 3. 2　以自润滑性和不粘性为主的应用 3. 2. 1　材料储运 UHMWPE可制作装煤、水泥、石灰、矿粉、盐、谷物之类粉状材料的料斗、料仓、滑槽的衬里,由于它具有优良的自润滑性、不粘性,可使上述粉状材料对储运设备不发生粘附现象,保证稳定输送。煤、矿粉、粮食等的料斗过去采用不锈钢衬里进行装箱运输,现改UHMWPE衬里,长期使用时,可减少发热现象,宝钢运送矿石的料斗采UHMWPE,要比原先采用的金属材料使用寿命提高10～50倍。用UHMWPE制作料斗衬里便于施工、本钱低,所以大发电厂输送煤的加料斗也采用了UHMWPE衬里。 3. 2. 2　农业、建筑机械 UHMWPE自润滑性优异,泥土在其外表容易滑动,而不会发生粘着,而且其耐冲击性、耐磨损性优良,适于制作农业和建筑机械的零部件。如联合收割机的滑动板、犁具外衬板、退土机的刮板、挖土机铲斗的内衬、翻斗车车厢的内衬等,可大幅度提高工作效率,减少能耗。 3. 2. 3　文体用品 利用UHMWPE的自润滑性和耐磨性及耐寒性,可用语滑冰、滑雪板底板,欧美主要采用UHMWPE制造;用UHMWPE覆盖滑雪道(层20mm) ,滑板最高速度可达110km /h。 3. 3　以耐腐蚀性和不吸水性为主的应用 UHMWPE具有优良的化学稳定性和不吸水性,可用做各种溶液存储设备的铺面材料和大型包装容器,如浮筒、接水槽,汽油箱、农药容器以及太阳能设备的退水容器等。这也是UHM2WPE目前应用最广泛的领域之一。UHMWPE容器具有优良的落下冲击强度。如果将容器装水20kg,从高空跌落至10mm厚的铁板上,普通聚乙烯容器的破坏高度仅为9M,而UHMWPE容器可高达15M以上。 3. 4　以卫生无毒性为主的应用 3. 4. 1　食品、饮料工业 UHMWPE具备食品工业所要求的无毒性、耐水性及非黏着性。被指定为可直接与食品接触使用的材料。可用于啤酒、清凉饮料、调味品等的输送线。输送物品时,可以防止瓶子等的破损,降低噪音,减少输送带、输送螺杆等的磨损,并可减少电力损耗,它还可用来制造肉食、牛奶以及糖果蜜饯和面包食品生产设备的零部件。 3. 4. 2　医疗 UHMWPE具有优异的生理惰性和生理适应性,经美国食品及药物行政管理局、农业部批准,可在医药几与人体接触的领域使用,如作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节及节育植入体等的临床使用,是理想的医用高分子材料。有UHMWPE制成的腕臼和金属股骨组成的人工髋关节,耐磨性和安全性比PTFE更为优异。目前世界上已有数十万人接受了这类人工关节的置换。 5 　展　望 UHMWPE具有优良的耐磨性、抗冲击性、自润滑性、耐化学腐蚀性、良好的热性能且无毒性,因此在许多领域,尤其在纺织机械、造纸机械、管道运输及包装等方面的应用具有显著优势。UHMWPE的加工一直是一个世界性的难题,虽然目前已有挤出或注塑的加工技术,但都局限于相对分子质量较低的范围,假设能在加工技术方面取得突破性进展,将会有巨大的市场潜力。由于UHMWPE具有卓越的性能,因此开发高附加值的新产品,使其应用于领域更为广阔,其经济效益和社会效益将更好。