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1、.专业整理.燕山石化公司2012年度情报论文第 号超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的应用及加工技术尹伟超树脂应用研究所2012.12.27 .学习帮手.目 录1.UHMWPE的性能及应用11.1 UHMWPE的性能11.2 UHMWPE的应用21.2.1 以耐磨性和耐冲击性为主的应用21.2.2 以自润滑性和不粘性为主的应用31.2.3 以耐腐蚀性和不吸水性为主的应用41.2.4 以卫生无毒性为主的应用42.UHMWPE的加工特点及加工技术42.1 UHMWPE的加工特点42.2 UHMWPE的加工技术52.2.1 模压成型52.2.2 挤出成型52.2.3 注塑成型72.2.4 UHMWPE
2、纤维的纺丝工艺82.3 几种新型挤出方法102.3.1 UHMWPE的近熔点挤出技术102.3.2 超高分子量聚乙烯加工中的亚稳性现象112.3.3 气体辅助挤出成型技术112.3.4 超支化聚(酯酰胺)对UHMWPE的加工流动改性122.3.5 数值模拟UHMWPE的柱塞挤出123.结论13参考文献14超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的应用及加工技术摘要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料，广泛应用在纺织、造纸、包装、运输、化工、采矿、石油、建筑、电气、食品、医疗、体育、船舶、汽车等领域。由于其相对分子质量大，UHMWPE具有流动性差，临界剪切速率低，分子
3、链易发生断裂等特点，加工困难。本文对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的应用及模压成型、挤出成型、注塑成型、纺丝等加工技术进行了介绍，并特别介绍了近熔点挤出、气体辅助挤出、超支化合物改性等几种较为新颖的UHMWPE加工技术。关键词：UHMWPE，加工，进展，应用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料。最早由美国Allied Chemical公司于1957年实现工业化，此后德国Hercules公司、日本三井石油化学公司等也相继投入工业化生产。我国上海高桥化工厂于1964年最早研制成功并投入工业化生产，20世纪70年代后期又有广州塑料厂和北京助剂二厂投入生产。目前，各
4、国树脂的生产都是采用齐格勒型高效催化剂低压法合成的。1.UHMWPE的性能及应用1.1 UHMWPE的性能11.磨耗性能UHMWPE的耐磨耗性能居塑料之首，比尼龙66和聚四氟乙烯高4倍，比碳钢高5倍。2.冲击性能UHMWPE的冲击强度是市售工程塑料中最高的，为聚碳酸脂（PC）的2倍，ABS的5倍，且能在液氮温度（196）下保持高韧性。3.润滑性能UHMWPE的摩擦系数仅为0.070.11，可与聚四氟乙烯相媲美，是理想的自润滑材料。4.抗化学药品腐蚀性UHMWPE的化学稳定性很高，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质及有机溶剂介质的作用。5.耐低温性能UHMWPE具有极佳的耐低温性能，在液氦
5、温度（269）下仍具有延展性。6.耐应力开裂性能一般聚乙烯耐应力开裂能力较差，而UHMWPE则具有优良的耐应力开裂性能，且抵抗开裂的能力随分子量增加而逐渐提高。7.抗黏附能力UHMWPE的抗黏附能力极强，仅次于聚四氟乙烯。8.电绝缘性UHMWPE与其他聚烯烃相比，具有良好的电性能和介电性能，介电损耗率在50100MHz范围内为12104。9.卫生性UHMWPE安全、卫生、无毒，可用于接触食品和药物方面产品。另外，UHMWPE还具有消音、质轻、耐疲劳、耐伽玛辐射性等许多优异的性能。1.2 UHMWPE的应用2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
6、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。1.2.1 以耐磨性和耐冲击性为主的应用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40180次min长期振动冲击，其寿命可达水牛皮结的56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。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
7、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5年基本上无磨损。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丝网的使用寿命延长。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.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
8、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1050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
9、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。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。1.2.2 以自润滑性和不粘性为主的应用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，现改用UHMWPE衬里，长期使用时，可减少发热
10、现象，宝钢运送矿石的料斗采用UHMWPE，要比原先采用的金属材料使用寿命提高1050倍。用UHMWPE制作料斗衬里便于施工、成本低，所以大发电厂输送煤的加料斗也采用了UHMWPE衬里。2.农业、建筑机械UHMWPE自润滑性优异，泥土在其表面容易滑动，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.文体用品利用UHMWPE的自润滑性和耐磨性及耐寒性，可用于滑冰、滑雪板底板，欧美主要采用UHMWPE制造；用UHMWPE覆盖滑雪道(层厚20mm)，滑
11、板最高速度可达110kmh。日本三井石油化学公司制造的UHMWPE滑冰场，1975年在Kagoshima县对外开放，其造价为一般滑冰场的14。1.2.3 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UHMWPE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9米，而UHMWPE容器可高达15米以上。1.2.4 以卫生无毒性为主的应用1.食品、饮料工业U
12、HMWPE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。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
13、数十万人接受了这类人工关节的置换。2.UHMWPE的加工特点及加工技术2.1 UHMWPE的加工特点UHMWPE由于分子量大、分子链之间的缠绕多，以及分子间力的影响，庞大体积的链段在加热下运动也是相当困难的。UHMWPE在熔融时呈凝胶弹性体、粘度大、流动性能极差，又由于临界剪切速率很低，所以给加工带来了极大因难。但由于UHMWPE的优异性能，促使人们不断地探索新的加工途径和改性方法。近年来，UHMWPE的加工技术得到了迅速发展，通过对普通加工设备的改造，现在UHMWPE除了可模压成型外，还可以采用挤出成型、注塑成型和凝胶纺丝以及其它特殊方法的成型3。2.2 UHMWPE的加工技术2.2.1 模
14、压成型模压成型是将塑料原料加到模具中，在加热和加压的条件下使之充模成型制得与模腔形状一致的模制品。UHMWPE由于熔体粘度特别高，临界剪切速率极低，模压成型法自从1965年开始使用到目前为止都是其主要的加工方法。在未经改性的情况下，一般只能采用模压成型法进行加工。模压温度、压力和时间是影响UHMWPE模压成型材料结构和性能的主要因素。模压成型成本低，设备简单，投资少，不受分子量高低的影响；但是生产效率低，劳动强度大，产品质量不易控制，成型制品的种类也受到限制。近年来，模压成型发展了很多新的加工技术，在生产效率、制品性能等方面有了较大改进。1. 热处理后压制成型把超高分子量聚乙烯(UHMWPE)
15、树脂粉末在140-275之间进行1min-30min的短期加热，发现超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的某些物理性能出人意料地大大改善。用热处理过的超高分子量聚乙烯(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，制品表面的光滑程度和低温机械性能大大提高了。2. 射频加工采用射频加工UHMWPE是一种崭新的加工方法，它是将UHMWPE粉末和介电损耗高的炭黑粉末均匀混合在一起，用射频辐照，产生的热可使UHMWPE粉末表面发生软化，从而使其能在一定压力下固结。用这种方法可在数分钟内模压出很厚的大型部件，其加工效率比目前UHMWPE常规模压加工高许多倍。2.2.2 挤出成型挤出成型是于1970年前后发展起来的，是生产UHMWEP板、棒、管及各种型材的主要方法，经历了由柱塞挤出到单螺杆挤出和双螺杆挤出的发展过程。1970年，柱塞式挤出UHMWPE起源于美国，其基本特点是可产生很高的压力。初生态UHMWPE(nascent UHMWPE powder)具有较低的分子链缠结密度，分子链的活性较强，在低于其熔点以下经挤出或压制后经热拉伸可得高取向纤维和薄膜，能保持其低缠结点密度的特
