超高分子量聚乙烯材料的研究进展

超高分子量聚乙烯材料的研究进展
摘要：分子含量极高的聚乙烯(UHMWPE)通常是指分子量均匀大于100万颗粒
的长链线性聚乙烯材料，具有高强度、抗冲击性、耐磨性、自润滑性和电阻率主
要产品包括纤维、薄膜、管道、板材、棒材、孔隙和异质材料。

这些技术广泛应
用于航空和空间、国防、海洋工程、铁路运输、市政建设、石油化工、采矿、电
力和能源材料等领域。

关键词：超高分子量；聚乙烯材料；研究进展；
引言
UHMWPE是一种聚乙烯材料，可以达到超过150万甚至800万分子量。

超高分
子量的超高分子量使其分子链连接得如此紧密，以至于它们没有熔化，从而显示
出与普通聚乙烯材料不同的分子和物理性能。

这尤其适用于管道、医疗接头等领
域广泛使用的耐久性、低温性能、冲击载荷、物理惯性和非毒性。

但是，超高分
子量聚乙烯在使用摩擦时会产生大量热量，超高分子量聚乙烯的线性低热量结构
无法及时导出摩擦引起的热量，从而可能导致超高分子量聚乙烯的分子结构突变
和运动强度疲劳，进而影响材料的摩擦性能。

因此，提高超高分子量聚乙烯材料
的导热系数，提高材料的抗逆性，延长超高分子量聚乙烯的寿命是非常重要的。

1聚乙烯结构
在聚乙烯的化学结构中存在多个“-CH2”单元，即便是如此简单的化学结构，由于合成条件不同，也会产生许多种类的聚乙烯产品，这些不同种类的聚乙烯产
品在性能上会呈现完全不同的性质。

产生这一现象的主要原因是合成种类和合成
条件不同，会导致形成的分子密度和分子结构强度有较大差异。

聚乙烯是由乙烯
发生聚合反应产生的，聚合反应有一定的发生条件。

聚乙烯是热塑性树脂的一种，乙烯聚合产生聚乙烯的方法有许多种，聚合方法的差异会导致聚乙烯在化学结构，聚合物特性等各个方面呈现较大的差异。

不同的聚合反应会产生分子量不同的聚
乙烯，因此根据这一特性可以将聚乙烯划分为低密度聚乙烯和高密度聚乙烯。

低
密度聚乙烯的密度较小，因此由低密度聚乙烯制作的化学材料硬度较低，在实际
应用中通常用于农业中的塑料薄膜、生活常用塑料袋等。

而高密度聚乙烯密度较大，耐温耐油性较高，对于恶劣环境的抵抗力较强，可以对抗一定强度的冲击，
因此这样的聚乙烯通常会应用于注塑以及吹塑等。

线性低密度聚乙烯是乙烯在催
化剂的作用下与其他烯烃聚合形成的，因为有低密度聚乙烯和高密度聚乙烯都不
具备的特性，该种聚乙烯抗弯曲能力强。

2填料改性
充填优化是提高高分子材料性能的最常用方法。

加入不同的填充物会对具有
高分子的材料产生不同的影响。

即使是超高分子量聚乙烯材料，填充变换也有很
好的效果。

填充各不相同，效果也不同，例如加入碳纤维、碳纳米管(CNT)、玻
璃纤维、氯化硅(SiC)、胶带、炭球、钻石、宣拉纤维等，以提高超高分子量聚
乙烯强度和耐磨性。

二氧化硫降低超高分子量聚乙烯摩擦系数，提高超高分子量
聚乙烯自润滑性能；铝(Al2O3)、氧化硅、氧化石墨、氧化锌提高超高分子量聚
乙烯表面硬度和电阻率性能；UHMWPE材料的耐热性通常通过氧化硅、玻璃球、污垢、石墨(GNP)等因素得到提高。

杀菌硝酸铵、维生素和多壁汽车纳米管(MWCNT)、氧化化石墨盒等。

用作自由捕捉剂提高超高分子量聚乙烯材料的抗氧化性能；碳
水化合物、GNP、碳纤维、CNT、石墨、聚酰胺等。

还经常用于提高超高分子量聚
乙烯材料的静电性能(或提高静电性能)。

Al2O3改善超高分子量聚乙烯复合材料
的弹道冲击载荷；超高分子量聚乙烯纤维与混合纤维复合，随后与树脂结合形成
防弹材料。

散热硅脂，例如碳纤维、氮、铝、多壁汽车纳米管，用于提高材料的
导热系数，并通过摩擦实现及时传热。

3生物相容性
聚乙烯由于具有良好的机械性能和生物相容性，被广泛应用于人工心脏瓣膜、支架、导尿管、血袋等生物医学接触装置。

与其他合成材料类似，作为生物材料，聚乙烯膜的最大缺点是血液不相容性，易引发红细胞的破坏和凝固，导致血凝块。

当聚合物与血液接触时，血液中的蛋白快速吸附到表面，蛋白层的成分和构象决
定了聚合物材料的血液相容性。

材料表面吸附的蛋白层主要是纤维蛋白或球蛋白时，蛋白构象发生改变，凝血因子和血小板被激活，出现凝血级连、引发聚合物
表面形成血栓，严重影响生物装置的正常使用。

血小板粘附不但激活凝血因子，
而且严重影响凝血形成，是血栓的重要成分。

因此，将聚乙烯膜表面功能化，降
低血小板粘附，可以有效防止凝血、抑制血栓形成，提高其生物相容性。

4聚乙烯的改性及其发展
聚乙烯的改性及其发展聚乙烯因其多种优良特性而取得了广泛的应用，但正
是由于这样的特性，在生产中也有许多不足之处。

首先由于聚乙烯的分子链较长，因此在生产和聚合时容易产生链缠结；将其熔化成为液体时，熔体之间更容易出
现黏结，同时熔体易出现破裂情况，这样的特性不利于聚乙烯材料的成型和加工。

同时一般的聚乙烯材料的表面硬度低，因此在抗磨损性上表现较差，同时聚乙烯
材料很容易出现热变形，热变形的临界温度较低。

因此为了扩展聚乙烯材料的应
用范围，使其能够在更加极端的场合中应用，可以对具体的性能进行改变，对聚
乙烯的缺陷之处进行改性，而不改变其原有的优良特性。

一般需要对其性质进行
改变的聚乙烯产品包括氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、交联聚乙烯和共混改性品种。

聚乙烯的共混改性是将两种低密度聚乙烯掺和后进行改性，一种是普通的低密度
聚乙烯，另一种是线性低密度聚乙烯，掺混后加工而成的薄膜等聚乙烯产品。

其
性能要比低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯的性能好。

聚乙烯是使用最广泛、产
量最大、产品开发不断的一种合成树脂。

要想对聚乙烯的性能有很大程度的提升，主要是要选择合适的催化剂。

茂金属催化剂是一种非常优秀的催化剂，它的催化
能力极强，在它的催化作用下，大多数的共聚体和乙烯能够实现共聚，这是一般
催化剂难以实现的。

另外茂金属催化剂在环烯聚合过程中，不仅能够实现开环聚合，还能够实现双键加成聚合。

近些年随着我国经济实力的不断增强，合成树脂
工业有了更加良好的发展环境，各行业的发展对于薄膜、管材、合成纤维等材料
的需求增加也会促进聚乙烯产业的发展，可以预见的是聚乙烯产业仍将高速发展，拥有着更加良好的发展前景。

结束语
目前全球超高分子量聚乙烯树脂产量约为20万吨，中国超高分子量聚乙烯
产量约为5万吨，预计到2025年国内和国际产量将增加50%。

但是，在多聚物材
料领域，UHMWPE也是一种独特的产品，主要是因为加工条件恶劣，导致生产成本
高，不适用于推广；其他性能障碍，例如产品的耐热性和易流动性，也限制了它
们在某些高端领域的使用。

随着树脂粘结剂聚合技术和功能改性技术、超高分子
量聚乙烯产品加工设备和加工技术的改进，超高分子量聚乙烯的发展将越来越好。

中国超高分子量聚乙烯材料的应用和研发处于领先地位，是国际社会的先锋，在
今后几年里，有效实施生产性研发一体化、技术突破和创新以及产业健康发展的
方向，将有助于推动进一步的进步。

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