超高分子量聚乙烯加工技术详解

超高分子量聚乙烯加工技术

超高分子量聚乙烯安阳超高工业技术有限责任公司20160629

摘要：超高分子量聚乙烯英文简称UHMW-PE，它是一种来源丰富、价格适中、

性能优异的一类热塑性工程塑料，由于具有耐冲击性、耐腐蚀、耐磨损、自润滑性、无毒性及极优良的耐低温性等优点，被应用在许多领域。“性能卓越，加工困难”是UHMW-PE的一大特点，其原因就在于UHMW-PE的分子链极长，致使分子链互相缠结，很难呈规则排列，在引起聚集态变化的同时(如:结晶度偏低-65%~85%，密度偏低-0.93~0.94g/m3)，大分子链间的无规缠结又使UHMW-PE 对热运动反应迟缓，当加热到熔点以上时，熔体呈现橡胶状高粘弹体状，熔体粘度高达108Pa.s，熔体流动速率几乎为零，造成UHMW-PE临界剪切速率很低，易产生熔体破裂等缺陷。因此，很难用常规的聚合物加工方法来成型UHMW-PE 制品，在一段时间内限制了UHMW-PE的推广使用，故研究UHMW-PE的成型加工显得尤为重要。常用的成型方法有模压成型法（1965年前后）、挤出成型法（1970年前后）和注塑成型法（1975年前后）3种。本论文首先简要介绍一下UHMW-PE的性能及成型方法，然后分别对它的单螺杆挤出成型工艺和双螺杆挤出成型工艺做详细介绍。

关键词：性能；加工性能；成型方法；单螺杆挤出成型法；双螺杆挤出成型法

1 UHMW-PE概述

1.1 UHMW-PE的发展简史

超高分子量聚乙烯通常是指相对分子质量在150万以上的线型聚乙烯，其英文全称为Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMW-PE。UHMW-PE 在分子结构上与普通聚乙烯相同，其主链上的链节都是(-CH2-CH2-)，但普通聚乙烯的分子量较低，约在5-30万之间，即使是高分子量高密度聚乙烯(HMWHPE)，其重均分子量也仅为20-50万，而UHMW-PE的分子量高达巧于600万，德国甚至有分子量高达1000万以上的产品。

UHMW-PE是一种来源丰富、价格适中、性能优异的一类热塑性工程塑料，其耐冲击性、耐腐蚀、耐磨损、自润滑性、无毒性及极优良的耐低温性等优点，使该材料广泛应用于通用机械、化工机械、食品和造纸等领域，作为易磨损、易腐蚀、高冲击、低温及不能使用润滑油的各种零部件及料仓衬里、溜槽、滑道衬板、滑轨、油箱等。UHMW-PE材料的使用寿命不仅高于尼龙和聚四氛乙烯制品，且耐磨性远远超过不锈钢等金属制品。由于UHMW-PE具有优良的综合性能，在国外被称为“惊异的塑料”[1]。

UHMW-PE首先由西德Hoechest公司于1958年开发成功，其后美国Hercules 公司及日本三井油化相继较大规模地工业化生产，北京助剂二厂是国内UHMW-PE的主要厂家。长期以来，UHMW-PE由于加工困难，致使UHMW-PE 材料的推广应用受到一定限制。近年来由于加工技术的不断进步和发展，其应用领域也随之扩大。目前UHMW-PE制品的加工仍以压制烧结和柱塞法为主。七十年代中期以来，日本先后开发了单螺杆挤出和往复螺杆注射成型工艺，美国和西德也相继采用单螺杆挤出和注射成型法加工UHMW-PE制品。

1.2 UHMW-PE的合成方法

超高分子量聚乙烯的合成方法与普通的高密度聚乙烯相类似。多采用齐格勒催化剂，在一定的条件下使聚乙烯聚合，即可得到超高分子量聚乙烯。此外，还有索尔维法和U.C.C气相法[2]。

(l)齐格勒低压淤浆法

以β-TiCl3/Al(C2H5)2Cl或TiCl4/Al(C2H2)2Cl为催化剂，以60~120℃馏分得饱和烃为分散介质(或以庚烷、汽油为溶剂)，在常压或接近常压，75~85℃的条件下使聚乙烯聚合，便合成得相对分子质量为100-500万的超高分子量聚乙烯。

(2)索尔维法

索尔维法的催化剂是以氧化镁作为载体，有机金属化合物为催化剂，改变载体的活化温度，即可调节聚合物相对分子质量。它的生产工艺是先将乙烯、共聚单体、催化剂、氢和己烷(稀释剂)一起加入环形反应器，反应温度为60~90，反应压力为3MPa，停留时间为2.5~3.0h，反应器内浆液浓度为28%，乙烯转化率可达85%-93%。聚合物浆液经两次汽提、离心、干燥和造粒后即得成品。

(3)U.C.C气相法

U.C.C气相法是美国联合碳化物公司发明的使乙烯在硫化床中气相低压聚合，直接制造干粉状聚乙烯的方法。催化剂一般选用有机铬化合物或齐格勒催化剂，以硅胶为载体。聚合反应在硫化床反应器中进行，聚合温度为95~105℃，压力为2.1MPa，停留时间3~5h。

1.3 UHMW-PE的性能

UHMW-PE极高的分子量(HDPE的分子量通常只有2-30万)赋予其优异的使用性能，而且属于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料。它几乎集中了各种塑料的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲击能、耐低温、卫生无毒、不易粘附、不易吸水、密度较小等综合性能。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[3]。

1.3.1 耐磨性

UHMW-PE的耐磨性居塑料之冠，并超过某些金属，图1为UHMW-PE与其它材料耐磨性比较。从图1可以看出，与其它工程塑料相比，UHMW-PE的砂浆磨耗指数仅是PA66的1/5，HDPE和PVC的1/10;与金属相比，是碳钢的1/7，黄铜的1/27。这样高的耐磨性，以致于用一般塑料磨耗实验法难以测试其耐磨程度，因而专门设计了一种砂浆磨耗测试装置。UHMW-PE耐磨性与分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。

图1 UHMW-PE与其它材料的耐磨性比较

1.3.2 冲击强度

UHMW-PE的冲击强度，在所有工程塑料中名列前茅，图2为UHMW-PE 与其它工程塑料冲击强度比较。从图2可以看出，UHMW-PE的冲击强度约为耐冲击PC的2倍，ABS的5倍，POM和PBTP的10余倍。耐冲击性如此之高，以致于采用通常冲击试验方法难以使其断裂破坏。其冲击强度随分子量的增大而提高，在分子量为150万时达到最大值，然后随分子量的继续升高而逐渐下降。值得指出的是，它在液氮中(-196℃)也能保持优异的冲击强度，这一特性是其它塑料所没有的。此外，它在反复击后表面硬度更高。

图2 UHMW-PE与其它工程塑料冲击强度比较

1.3.3 自润滑性

UHMW-PE有极低的摩擦因数(0.05~0.11)，故自润滑性优异。表1为UHMW-PE与其它工程塑料摩擦因数比较。从表1可以看出，UHMW-PE的动摩擦因数在水润滑条件下是PA66和POM的1/2，在无润滑条件下仅次于塑料中自润滑性最好的聚四氟乙烯(PTFE)；当它以滑动或转动形式工作时，比钢和黄铜添加润滑油后的润滑性还要好。因此，在摩擦学领域UHMW-PE被誉为成本/性能非常理想的摩擦材料。

表1 UHMW-PE与其它工程塑料摩擦因数比较

1.3.4 耐化学药品性

UHMW-PE具有优良的耐化学药品性，除强氧化性酸液外，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机介质(萘溶剂除外)。其在20℃和80℃的80种有机溶剂中浸渍30d，外表无任何反常现象，其它物理性能也几乎没有变化。

1.3.5 冲击能吸收性

UHMW-PE具有优异的冲击能吸收性，冲击能吸收值在所有塑料中最高，因而噪声阻尼性很好，具有优良的消音效果。

1.3.6 耐低温性

UHMW-PE具有优异的耐低温性能，在液氦温度(-269℃)下仍具有延展性，因而能够用作核工业的耐低温部件。