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1、超高分子量聚乙烯的特性及应用进展摘 要 ： 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 性 能 卓 越 、 加 工 困 难 ， 是 一 种 正 在 迅 速 崛 起 的 工 程 性 热 塑 性 塑 料 。 由 于 加 工 困 难 ， 国内外超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 应 用 多 集 中 在 压 制 产 品 上 ， 但 是 材 料 学 家 们 从 来 没 有 停 止 过 对 超 高 分 子 量 聚乙烯挤 出 制 品 的 探 讨 。 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 卓 越 性 能 源 自 于 它 具 有 极 高 的 分 子 量 ， 因 此 对 超 高 分 子 量聚乙烯改性成功与否的判定在很大程度上取
2、决于其制品的分子量保留的程度和在低温下的冲击韧性。 作 者 利 用 新 的 挤 出 理 念 ， 精 确 的 配 方 和 精 湛 的 工 艺 成 功 的 挤 出 了 分 子 量 在 250 万 以 上 的 超 高 分 子 量 聚 乙烯管材制品，并对超高分子量聚乙烯的纤维、膜制品的应用进行了概要的介绍。关键词：超高分子量聚乙烯；分子量；冲击韧性；应用；管材；纤维；薄膜 刘英 1 刘萍 1 陈成泗 2 严为群 3 王德禧 4摩 擦 系 数 小 ， 磨 耗 低 ， 耐 化 学 药 品性 优 良 ，耐冲 击 、耐 压 性 、 抗 冻 性 、 保 温 性 、 自 润 滑 性 、 抗 结 垢 性 、 耐 应
3、 力 开 裂 性 、 卫 生 性 等 优 点 。 这 些 优 良 特 性 使 U H MW PE 管 材 具 有 重 要 的 实 用 价 值 。 其 中 摩 擦 系 数 小 、 磨 耗 低 、 抗 应 力 开 裂 性 能 好 在U H MW PE 应 用 中 最 为 重 要 。 摩 擦 系数 小 ， 相 当于 冰 - 冰之 间 的 摩 擦 ； 抗 磨 耗 性 居 塑 料 之 首 ， 是 塑 料 的5 7 倍 ， 钢 管 的 7- 10 倍 ， 黄 铜 管 的27 倍 ； 抗 应 力 开 裂 能 力 为 普 通 高 密 度 聚 乙烯的 200 倍 ， 交联聚 乙 烯的 4 倍 ， 能 满 足 管
4、 材 长 寿 命 的 要 求 。 再 加 上 化 学 惰 性 ， 使 得 它 作 为 输 送 管 材 具 有 的 能 耗 低 、 不 结 垢 、 长 寿 命 的 特 点 是 其 它 类 管 材 所 望 尘 莫 及 的 。随 着 U H MW PE 加 工 技 术 的 不 断 进 步 ， 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 膜 、 纤 维 及 在 医 疗 产 业 方 面 的 应 用 也 日 益1 引言超 高 分 子 量聚乙 烯 （ U H MW PE）于 1957 年 由 美 国 联 合 化 学 公 司 用 齐 格 勒 催 化 剂 首 先 研 制 成 功 。 这 是 一 种 线 型 聚 合 物 ，
5、分 子 量 通 常 在100 500 万 ， 结 晶 度 65% 85% ， 密 度 0. 92 0. 96g/ cm3。 同 众 多 的 聚 合 物 材 料 相 比 ， U H MW PE 具 有36 W orld P la s tic s - 2005 Vol.23 No.11王德禧，男， 料 的 热 力 学 研 究 。 回 国 后 ， 先 后 承 担 并 主 持 了 中 国 科 学 院 重 大 项 目 及 重 中 之 重 项1940 年 12 月 4 日 出 生 。 毕 业 于 中 目 “新 型 工 程 塑 料 ”开 发 研 究 “， 八 五 ”期 间 主 持 了 国 家 科 技 攻 关
6、 项 目 “聚 烯 烃 汽 国 科 技 大 学 高 分 子 系 高 分 子 物 理 专 业 。 车 专 用 料 ”“、 聚 烯 烃 热 塑 性 板 材 ”两 个 课 题 ， 六 个 专 题 的 开 发 研 究 ， 是 “工 程 塑 料 国担 任 中 国 科 学 院 化 学 研 究 所 研 究 家 工 程 研 究 中 心 ”的 主 要 创 始 人 之 一 。员 、 化 学 所 学 术 委 员 会 委 员 、 中 国 塑 获 得 国 家 级 和 省 部 级 科 技 成 果 奖 项 10 项 ， 取 得 了 24 项 汽 车 专 用 料 鉴 定 成 料 加 工 工 业 协 会 工 程 塑 料 专 委
7、 会 理 事 果 和 16 项 认 证 成 果 。 鉴 于 其 对 中 国 汽 车 工 业 非 金 属 材 料 研 制 和 国 产 化 方 面 做 长 、 中 国 塑 协 改 性 塑 料 专 业 委 员 会 常 出 的 贡 献 ， 1996 年 荣 获 了 由 国 家 自 然 科 学 基 金 委 和 美 国 GM 公 司 联 合 主 办 的务 理 事 、 国 外 塑 料 杂 志 编 委 、 中 汽 相 关 协 会 非 金 属 材 料 分 会 常 务 理 事 、 专 家 顾 问 组 “首 届 中 国 汽 车 科 技 成 果 奖 ”一 等 奖 。 在 国 内 首 次 推 出 纳 米 粘 土 母 粒
8、 产 品 ， 对 组 长 等 职 务 。 推广共混 熔 体 插 层 纳 米 材 料 的 应 用 将 起 到 重 要 的 作 用 。 发 表 学 术 论 文 50 余 篇 ，1981 年 1984 年 在 美 国 麻 省 大 学 高 分 子 科 学 与 工 程 系 作 访 问 学 者 ， 从 事 橡 胶 类 材 申请中国专利 8 项。图 1 UHMWP E 分 子 量 和磨 耗 性 能的 关 系 图 2 UHMWP E 分 子 量 和冲 击 性 能的 关 系图 3 UHMWP E 冲 击 性 能与 测 试 温度 的 关 系扩 展 并 取 得 了 重 大 的 产 业 化 成 果 。本 文 就 超
9、高 分 子 量 聚 乙 烯 的 特 性 及 应 用 成 果做 一 简 要的 介 绍 。表 1 联 海 公 司 UHMWP E 磨 耗 值2 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 特性 与 其 分 子 量 的 关 系如 图 所 示 ： U H MW PE 的 耐 磨损 性 、 冲 击 韧 性 与 它 的 超 高 分 子 量 特 性 有 着 密 切 的 关 系 。 不 论 我 们 采 用 何 种 改 性 手 段 、 使 用 什 么 类 型 的 加 工 设 备 ， 只 要 保 住 了 产 品 的 超 高 分 子 量 ， 就 保 住 了 U H MWPE 的 全 部 优 良 特 性 。 一 个 品 质
10、优 良 的 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 制 品 ， 应 该 在 - 40C 至 80C 范 围 内 都 能 保 持 100KJ/ m2 的 缺 口 冲击 强 度 。上 述 分 析 结 果 给 我 们 提 供 了 判 别 U H MW PE 改 性 成 功 与 否 及 产 品 水 平 的 两 个 实 用 判 据 ， 即 U H MW PE 产 品 的 分 子 量 和 在 - 40C 至 80C 范围内 的 冲 击 韧 性 。在 当 今 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 改 性 研 究 和 产 品 应 用 报 导 中 ， 有 添 加 大 量 相 对 低 分 子 量 的 H DPE 改 性 ；
11、 添 加 LC（ P 液 晶 聚 合 物 ） 、 P（ I 聚 酰 胺 ） 改 性 ；甚 至添 加 有 大 量 空 心 玻 璃性 可 能 会 大 大 偏 离 纯 超 高 分 子 量 聚乙 烯 的 优 良 特 性 ， 这 点 在 实 际 应 用 中 特 别 应 该 引 起 关注 。据 报 导 ， 上 海 联 海 橡 塑 科 技 有 限 公 司 用 分 子 量 350 万 左 右 的 原 料 可 以 挤 出 分 子 量 300 万 左 右 外 观 洁 白 、 光 亮的 超 高 分子 量 聚 乙 烯 管 材 ， 其 磨 耗 值 经 上 海 化 工 研 究 院 测 定 结 果 见表 1 。如 表 中
12、所 示 ， 上 海 联 海 橡 塑 推 出 的 超 高 管 材 其 耐 磨 耗 性 能 优 于 分 子 量 330 万 的 纯 超 高 原 料 的 磨 耗 值 ， 更 接 近 于 分 子 量 500 万 纯 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 水 平 。 该 管 材 通 过 了 PE80 燃 气 管 静 液 压 强 度 试 验 标 准 的 检 测 ， 经 亚 大 塑 料 管 材 测 试 中 心 检 测 ， 室 温 20 C9MPa ) 100 小 时 ； 80C 4. 6MPa)165 小 时 ； 80C 4. 0MPa) 1000 小 时 静 液 压 强 度 试 验 ，管 材 无 破 损 、
13、 无 泄 漏 。 这 种 超 高 管 材 的 对 接 焊 强 度 也 通 过 了 PE80 燃 气 管 静 液 压 强 度 标 准 的 检 测 ， 管 材 接 缝 处 无 破 损 无 泄 漏 ， 攻克 了 超 高管 材 焊 接的 难 题 。此 外 ， U H MW PE 兼 具 的 其 它 优 良 特 性使 其 在 日用 、 工 业 、 文 体 、 交 通 运 输 、 国 防 、 机 械 等 领 域 的 抗 冲 、 减 振 、 防 弹 、 抗 疲 劳 、 耐 磨 、 减 磨 、 减 阻 、 防 粘 等 场 合 也 已 获 得 了 广 泛 应 用 。U H MWPE 分 子 量 高 达 数 百
14、万 ，超 常 分 子 链 间 的 无 序 缠 结 ， 使 其 分 子 链 段 对 热 运 动 反 应 迟 缓 ， 表 现 为 熔 体 粘 度 高 达 108Pas， 流 动 性 极 差 ， 加 之 临 界 剪 切 速 率 极 低 ， 易 产 生 熔 体 破 裂 等 缺 点 ， 使 其 难 以 用 常 规 塑 料 的 加 工 技 术 进 行 加 工 成 型 ， 严 重 制 约 了 U H MW PE 的 应 用 ， 成 为 自 1980年 代 以 来 材 料 学 界 和 产 业 界共 同 探 索的 热 点 课题 。U H MWPE 的 种 种 优 良 特 性 与 它 具 有 极 高 的 分 子
15、量 有 着 密 切 的 关 系 。 图 1、 图 2 分 别 显 示 了U H MW PE 的 分 子量 及 其 耐 磨 损 性 、 冲击 韧 性 的相 关 性 。超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 冲 击 韧 性 与 温 度的 相 关 性如 图 3 所 示。微 珠 改 性 的 产 品 ，其 中 一 些 产 品 的 耐 磨 耗 值 可 以 达 到 纯 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 水 平 ， 但 是 这 些 产 品 的 耐 冲 击 性 能 、 耐 应 力 开 裂 性 能 、 耐 长 期 化 学 品 的 性 能 及 上 述 性 能 与 环 境 温 度 变 化 的 相 关37国外 塑 料2005 年 23 卷 第 11 期 -纯 UHMWP E 纯 UHMWP E 纯 UHMWP E 联海橡塑管材分子量 (百万 ) 250 330 500 375. 7磨损 量 (克 ) 0. 0172 0. 0146 0. 0139 0. 0141庄 铁 矿 、 谷 家 台 铁 矿 在 矿 山 回 填 管中 使 用 U H MW E 管 材 取 得 了 较 好 的 结 果 。 钢 管 一 般 只 能 用 六 个 月 左 右 ， U H MWPE 钢 塑 复 合 管 材 半 年 的 磨 损 量 仅 4. 85%， 按 磨 损 30%进 行 更 换 计 算 ， 使 用 寿
