超高分子量聚乙烯(UHMWPE)-化学化工论坛

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料，它的分子结构与普通聚乙烯(PE)完全相同，但相对分子质量可达(1-4)×106。随着相对分子质量的大幅度升高，UHMWPE表现出普通PE所不具备的优异性能，如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等。

由于UHMWPE分子链很长，易发生链缠结，熔融时熔体黏度高达108Pa•s，熔体流动性差且临界剪切速率很低，因此容易导致熔体破裂，使其成型加工困难。为改善UHMWPE 的加工成型性能，需要对其流动性进行改性，而物理改性是主要的手段。

1UHMWPE的物理改性

物理改性不改变分子构型，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1)将UHMWPE与低熔点、低黏度的树脂共混改性；(2)加入流动改性剂，以降低UHMWPE 的熔体黏度，改善其加工性能，使之能在普通挤出机和注射机上加工；(3)液晶高分子原位复合材料改性等。

1.1共混改性

共混改性是改善UHMWPE熔体流动性最有效、简便的途径。共混时所用的第二组分主要是指低熔点、低黏度的树脂，如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚酯等。目前使用较多的是HDPE和LDPE。当共混体系被加热到熔点以上时，UHMWPE就会悬浮在第二组分的液相中，形成可挤出、可注射的悬浮体物料。

将UHMWPE与LDPE(或HDPE)共混可使其成型加工性能获得显著改善。但共混体系在冷却过程中会形成较大的球晶，球晶之间有明显的界面。在这些界面上存在着由分子链排布不同引起的内应力，由此会导致产生裂纹，所以与基体聚合物相比，共混物的拉伸强度有所下降。当受外力冲击时，裂纹会很快沿球晶界面发展而断裂，引起冲击强度降低。为保持共混体系的力学性能，可以采用加入适量成核剂，如硅灰石、苯甲酸、苯甲酸盐、硬脂酸盐、己二酸盐的方法阻止其力学性能下降。

Dumoulin等对UHMWPE与中相对分子质量聚乙烯(MMWPE)的共混物进行了研究。在双辊混炼温度175℃，混炼时间10min；密炼温度185-200℃，密炼时间10min的条件下，制备了UHMWPE含量小于或等于6%(质量分数，以下同)的共混物。在上述条件下制备的共混物的流变性能得到极大改善。

Veda等对UHMWPE与MMWPE的共混物进行了研究。结果表明，UHMWPE与MMWPE 在给定条件下能共结晶。但加入MMWPE后，共混物的冲击性能、耐磨性能有所下降。为保持力学性能，在共混体系中加入成核剂。

专利介绍了一种UHMWPE共混改性方法。将70%的UHMWPE与30%的PE共混，用共混物挤出的制品拉伸强度为390MPa，断裂伸长率为290%，用带缺口试样进行Izod冲击试验时，试样不断裂。

专利报道，将79.18%的UHMWPE(相对分子质量3.5×106)，19.19%的普通PE(相对分子质量6.0×105)，0.13%的成核剂(热解硅石，粒径5-50μm，表面积100-400m2/g)熔融混合，所得共混物可在普通注射机上成型，产品的抗冲击性、耐磨性等物理机械性能优于不加成核剂的共混物。

Vadhar等对UHMWPE与线型低密度聚乙烯(LLDPE)共混物进行了研究。采用同步和顺序投料方式，在密炼机、混料机中制备UHMWPE与LLDPE共混物。同步投料即在密炼温度180℃时，将两种组分同时加入密炼机内混炼；顺序投料即在250℃时先将UHMWPE树脂加入混料机中混炼，然后将其冷却到180℃，再加入LLDPE继续混炼。

实验结果表明，投料方式对共混物的流变性能和力学性能影响极大。差示扫描量热及小角激光散射图像分析仪分析表明，顺序投料方式制备的共混物中，UHMWPE和LLDPE组分之间发生共结晶现象而且两种组分的混合均匀程度优于同步投料方式制备的共混物。由于

采用顺序投料方式时，加工成型温度降低，因此不会出现熔体破裂现象。

Gongde Liu等问的研究表明，PP能很好地改善UHMWPE的流动性能，使其容易在单螺杆挤出机中加工成型。

尹德荟等研究表明，UHMWPE/HDPE/CaSt2体系在保持较高力学性能的同时，又具有很好的加工流动性能。

李炳海等研究了UHMWPE/HDPE共混物的流动性能。当HDPE的含量为20%-30%，熔体流动速率(MFR)为1.0-10.0g/10min时，共混物的流动性能达到峰值，而后随HDPE含量的增加共混物流动性能下降；当HDPE含量大于80%时，共混体系的流动性能才明显提高。这说明HDPE对UHMWPE分子链的解缠结和增缠结作用同时存在且相互竞争，竞争结果主要取决于两者组成比、黏度比等因素的共同作用。

袁辉等研究了HDPE、PP及PA对UHMW-PE流动性的影响。结果表明，当HDPEGC7260加入量为10%-50%时，共混物的MFR为3.31-20.94g/10min；PP加入量为10%-50%时，共混物的MFR为2.19-20.00g/10min。当PA含量大于40%时，共混物的流动性能才有较大提高。

齐东超等用超支化聚(酯-酰胺)对UHMWPE进行改性。研究表明，超支化聚(酯-酰胺)加入量为5%时，可有效改善UHMWPE的流动性能，且对相对分子质量较小的UHMWPE 效果更好。

1.2流动改性剂改性

流动改性剂可以促进UHMWPE基体长链分子的解缠，并在其大分子之间起润滑作用，改善大分子链间的能量传递，使链段的相对滑动变得容易，从而改善聚合物的流动性。流动改性剂的选择标准是分散性好，能与UHMWPE相容而且热稳定性好。

UHMWPE常用的流动改性剂主要有聚乙烯蜡、氧化聚乙烯、石蜡、硬脂酸盐、硬脂酸、硬脂醇以及脂肪族碳氢化合物及其衍生物等。

Herten等研制出一种名为Acuflow的树脂添加剂，将其用作UHMWPE的流动改性剂，可使UHMWPE在普通注射机及挤出机上加工成型，加工温度为150-300℃，压力10-40MPa。

专利报道，将UHMWPE与一种复合流动改性体系共混，在φ50mm，长径比为20的单螺杆挤出机上用共混物挤出宽300mm、厚312mm的片材，其力学性能见表1。共混体系包括含15-30个碳的饱和脂肪醇5-15份(A组分)；石油烃环戊二烯树脂5-15份(B组分)(相对分子质量为500-2000，软化点为70-130℃)；低相对分子质量PE10-15份(C组分)(相对分子质量1000-2000)，流动改性剂总用量为15-35份。A组分的作用是减少物料在出口模时因不稳定流动而产生熔体破裂；B组分的作用是促进物料输送；C组分的作用是改善熔体流动性，增强挤出能力。

专利报道，将UHMWPE、流动改性剂、含有双键的单体和自由基引发剂搅拌混炼得到共混物。共混物的挤出稳定性和流动性良好，主要用于纺丝。

表1挤出片材力学性能

改性剂(用量/份)冲击强度/(J•m-1)磨耗率，%断裂强度/MPa 伸长率，%

A(25)5900.7231.5480

B(25)6450.6535.0470

C(25)3400.7020.0350

A(5)+B(15)+C(4)6400.6525.0430

A(4)+B(20)+C(20)6500.5531.0430

A(20)+B(20)+C(20)400 1.2015.0400

A(10)+B(20)+C(10)5700.6523.0430