超高分子量聚乙烯耐磨材料的综述报告

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)耐磨材料的综述报告

超高分子量聚乙烯，英文名称Ultra-High Molecular Weight Polyethylene（简称UHMWPE），是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，它的分子结构和普通聚乙烯完全相同，在分子主链上带有

（－CH2－CH2－）的链节，并具有106以上极大的分子量。因其相对于其它工

程材料而言，具有优异的耐磨性、自润滑性和耐冲击性等独特性能而广泛应用

于通用机械、农业机械、纺织机械、汽车、采矿、造纸、化工、食品工业等作

不粘、耐磨、低噪音和自润滑部件等领域。此外还可用作特种薄膜、大型容器、大型异形管材和板材等，用于货物装卸溜槽、漏斗、货仓的衬里。

1.UHMWPE的基本性能

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。它具有以下优点：（1）耐磨损非常卓越，砂浆磨损试验表明，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）成本低廉。因此在工程塑料中超高分子量聚乙烯是综合性能最佳的工程塑料，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。但它也有不足之处，主要在于耐温性能差、硬度低、拉伸强度低以及阻燃性能差等。

2.UHMWPE历史发展概况及现状评述

上世纪30年代最早有人提出关于超高分子量聚乙烯纤维的基础理论，随后凝胶纺丝法和增塑纺丝法的出现使超高分子量聚乙烯在技术上取得重大突破，

UHMWPE于1958年由德国科学家齐格勒博士首先研制出来，到60年代末国

外实现了工业化生产，接着在上世纪70年代，英国利兹大学的Capaccio和Ward首先研制成功分子量为10万的高分子量聚乙烯纤维。

我国是在1964年研制成功并投入工业生产；1975年荷兰利用十氢萘做溶

剂发明了凝胶纺丝法（Gelspinning），成功制备出了UHMWPE纤维，并于1979年申请了专利。此后经过十年的努力研究，证实凝胶纺丝法是制造高强聚乙烯

纤维的有效方法，具有工业化前途。1983年日本采用凝胶挤压超倍拉伸法，以石蜡作溶剂，生产超高分子量聚乙烯纤维。

UHMWPE的发展十分迅速，80年代以前，世界平均年增长率为8.5%，进入80年代以后，增长率高达15%～20%，而我国的平均年增长率在30%以上。1978年世界消耗量为12，000～12，500吨，而到1990年世界需求量约5万吨，其中美国占70%。2007-2009年中国逐步成为世界工程塑料工厂，超分子量聚

乙烯产业发展更是十分迅速。其中超高分子量聚乙烯管材在2001年被科学技术部国科计字（2000）056号文件列为国家科技成果重点推广计划，属化工类新

材料、新产品。国家计委科技部将超高分子量聚乙烯管材列为当前优先发展的

高科技产业重点领域项目。

随着应用领域的开发和新技术水平的不断提高,超高分子量聚乙烯的应用范围不断扩展, 需求也再不断增大。由于现阶段很多超高分子量聚乙烯高端产品都用于军事用途和高科技领域发达国家和少数几个掌握核心技术的公司对超高

分子量聚乙烯催化剂的制备技术严格保密，国内外对于超高分子量聚乙烯催化

剂制备方面的报道很少。近年来随着超高分子量聚乙烯民用方面用途的扩展,

超高分子量聚乙烯催化剂方面的专利数量有所上升,但总体来说数量仍然较少。国外的赫彻斯特股份公司和三星综合化学株式会社都再国内申请了专利，基本

上都是用改进后的传统催化剂制备超高分子量聚乙产品，利用催化剂组分的改

变和聚合工艺的优化调节聚合物性能国内超高分子量聚乙烯近年来发展很快,

超高分子量聚乙烯催化剂制备技术也得到了长足的发展目前，能看到的文献报

道的技术大多是用改进的Ziegler-Natta催化剂为主值得一提的是,有报道称日本旭化成公司最近已开发出以茂金属催化剂为基础的超高分子量聚乙烯催化剂,

并开始向市场发展。

近年来UHMWPE 的加工技术也有了重大突破，由最初的烧结压制成型发展

到专用设备挤出成型，应用领域也不断扩大。但在研究过程中发现UHMWPE 虽然拥有很多其它工程塑料无法达到的一些优良性能，但其具有的一些缺点也比较明显，如其熔副指数（接近于零）极低,熔点高（190-210℃）、粘度大、流动性差而极难加工成型，另外与其它工程塑料相比，具有表面硬度低和热变形温度低、弯曲强度和蠕变性能较差、抗磨粒磨损能力差、强度低等缺点，影响了其使用效果和应用范围。

为了克服UHMWPE 的这些缺点,弥补这些不足，使其在条件要求较高的某些场所得到应用，目前采用的普遍方法是对其进行改性，常用的改性方法有物理改性、化学改性、聚合物填充改性、UHMWPE 增强改胜等。改性的日的是在不影响UHMWPE 主要性能的基础上提高其熔体流动性，或针对UHMWPE 自身性能的缺陷进行复合改性，如改进熔体流动性、耐热性、抗静电性、阻燃性及表面硬度等，使其能在专用设备上或通用设备上成型加工。

3.UHMWPE 的改性研究进展 3.1物理改性：所谓所谓物理改性是指把树脂与其它一种或多种物料通过机械方式进行共混，以达到某种特殊要求，如降低UHMWPE 的熔体粘度、缩短加工时间等，它不改变分子构型，但可以赋予材料新的性能。目前常用的物理改性方法主要有用低熔点、地粘度树脂共混改性、流动剂改性、液晶高分子原位复合材料改性以及填料共混复合改性等。它是改善UHMWPE 熔体流动性最有效、最简便以及最实用的途径。其中北京化工大学实用特殊复合流动改性剂MS2，在专门研制的UHMWPE 单螺杆挤出机上实现了连续挤出，且产品各项性能改变不大，效果良好，已经实现工业化生产，使用的UHMWPE 粘均分子量达到，添加的复合流动改性剂一般用量小于5％，其中加工温度61085.2 （100~240℃）显著降低，螺杆转速可达到35r/min ，能顺利挤出各种规格的管材和棒材。青岛科技大学通过采用硬脂酸钙（CaSt 2）和内、外润滑剂改性UHMWPE 进行加工性能的研究，结果表明，CaSt 2可显著地改善UHMWPE 的