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UHMWPE【UHMWPE】UHMWPE（超高分子量聚乙烯）是一种分子具有线型结构的综合性能优异能的热塑性工程塑胶，分子量高达150万以上 。密度小，具有很好的耐磨性、自润滑性、抗冲击性、耐腐蚀性等等 。
基本介绍中文名：超高分子量聚乙烯
外文名：ultra high molecular weight polyethylene
分子式：—(CH2-CH2)n—
分子量：150万以上
熔点：130～136℃
结构类型：线型
前言根据美国菲利普石油公司的划分方法，分子量在150万以上的聚乙烯称为“UHMWPE”即Ultra-high molecular weight PE，中文称超高分子量聚乙烯 。德国赫斯特（Hoechst）公司、美国赫尔克乐斯（Hercules）公司和日本三井石油化学公司是世界上生产UHMWPE的三大公司，中国主要生产厂家是北京助剂二厂、上海高桥石化公司化工厂,中国石化齐鲁石化分公司 。性能UHMWPE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胶，它几乎集中了各种塑胶的优点，具有普通聚乙烯和其它工程塑胶无可比拟的耐磨、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 。耐磨性UHMWPE的耐磨性居塑胶之冠，并超过某些金属，图1为UHMWPE与其它材料耐磨性比较 。从图1可以看出，与其它工程塑胶相比，UHMWPE的沙浆磨耗指数仅是PA66的1/5，HEPE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，以致于用一般塑胶磨耗实验法难以测试其耐磨程度，因而专门设计了一种沙浆磨耗测试装置 。UHMWPE耐磨性与分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好 。耐冲击性UHMWPE的冲击强度，在所有工程塑胶中名列前茅，图2为UHMWPE与其他工程塑胶冲击强度比较，从图2中可以看出，UHMWPE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，以致于採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（-195℃）也能保持优异的冲击强度，这一特性是其它塑胶所没有的 。此外，它在反覆冲击表面硬度更高 。自润滑性UHMWPE有极低的摩擦因数（0.05～0.11），故自润滑性优异 。表1为UHMWPE与其他工程塑胶摩擦因数比较 。从表1可以看出，UHMWPE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胶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，比钢和黄铜加润滑油后的润滑性还要好 。因此，在摩擦学领域UHMWPE被誉为成本/性能非常理想的摩擦材料 。摩擦係数名称自润滑水润滑油润滑UHMWPE0.10～0.220.05～0.100.05～0.08PTFE0.04～0.250.04～0.080.04～0.05PA660.15～0.400.14～0.190.06～0.11POM0.15～0.350.10～0.200.05～0.10表1 UHMWPE与其它工程塑胶摩擦因数比较耐化学药品性UHMWPE具有优良的耐化学药品性，除强氧化性酸液外，在一定温度和浓度範围内能耐各种腐蚀性介质（酸、硷、盐）及有机介质（荼溶剂除外） 。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 。冲击能吸收性UHMWPE具有优异的冲击能吸收性，冲击能吸收值在所有塑胶中最高，因而噪声阻尼性能很好，具有优良的削音效果 。耐低温性UHMWPE具有优异的耐低温性，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 。卫生无毒性UHMWPE卫生无毒，完全符合日本卫生协会的标準，并得到美国食品及药物行政管理局和美国农业部的认可，可用于接触食品和药物 。不粘性UHMWPE表面吸附能力非常微弱，其抗粘符能力仅次于塑胶中不粘性最好的PTFE，因而製品表面与其它材料不易粘符 。吸水性小UHMWPE吸水率很低；一般小于0.01%，仅为PA66的1%，因而在成型加工前一般不必乾燥处理 。密度表2为UHMWPE与其它工程塑胶密度比较 。由表2可知，UHMWPE的密度比其它所有工程塑胶都低，一般比PTFE低56%，比POM低33%，比PBTP低30%，因此其製品非常轻便 。名称相对密度UHMWPE密度比其低/%PTFE2.1256POM1.4133PBTP1.3130PC1.2022PA1.02—1.148—18UHMWPE0.94表2 UHMWPE 与其它工程塑胶密度比较拉伸强度由于UHMWPE具有朝拉伸取向必备的结构特徵，所以有无可匹敌的超高拉伸强度，因此可通过凝胶纺丝法製得超高弹性模量和强度的纤维，其拉伸强度高达3～3.5GPa,拉伸弹性模量高达100～125GPa；纤维比强度是迄今已商品化的所有纤维中最高的，比碳纤维大4倍，比钢丝大10倍，比芳纶纤维大50% 。其他性能UHMWPE还具有优良的电气绝缘性能，比HDPE更优良的耐环境应力开裂性，比HDPE更好的耐疲劳性及耐r-射线能力 。生产方法超高分子量聚乙烯，可以用生产普通高密度聚乙烯的方法经过改变工艺条件控制分子量来製得 。生产方法有齐格勒法、索尔维法和溶液法 。齐格勒法齐格勒法即低压聚合法 。它採用四氧化钛和烷基铝G 乙基铝或二乙基气化铝)为催化剂，以庚烷或汽油为溶剂，在60-90℃ 和常压条件下进行聚合 。反应装置一般採用釜式反应器或立式塔型反应器 。採用塔型反应器时，塔底应安装多层式搅拌螺旋桨 。齐格勒法的生产工艺是:先把悬浮于溶剂中的催化剂和乙烯原料一起送入反应装置进行聚合，聚合为放热反应，需冷却至规定的反应温度;然后将聚合反应生成物放至催化剂分解槽中，加入甲醇，使催化剂分解;最后经过滤、乾燥，即得到平均分子量为100万-500万的UHMWPE 产品 。索尔维法索尔维法把菲利浦法所採用的环型反应器和以含镁化合物为载体的齐格勒高效催化剂结合起来的一种新生产方法 。索尔维法以四氯化钛为催化剂，以烷基铝化合物等为活化剂，催化剂载体多选用经灼烧成大孔径的MgCl2或MgCl OH) 。此法的特点是将催化剂吸附到比表面大的载体上，让晶体结构铺展开，使大部分过渡金属原子起到聚合活性中心的作用，催化剂效率可达50-600kg 4Tio 。聚合反应在闭环状反应管中进行，外有冷水夹套，内有高速涡轮搅拌器使催化剂络合，并与通入的乙烯和调节密度的共聚单体混合 。反应温度80-90℃，乙烯分压l.OMPa，反应时间2-3h 。生成的浆液经离心过滤，滤饼用蒸汽汽提，除去残余溶剂，再经气流乾燥，可製得平均分子量为150 万-600 万的UHMWPE 。溶液法溶液法以Cr03 为催化剂，Al2O3-SiO2 为载体，採用C6 烷烃为溶剂，在聚合物熔点温度以上170-180℃) 进行聚合反应，压力控制在1.96-2. 94MPa 範围内;再以乙烯和少量共聚单体己烯为原料，聚合反应时将乙烯及聚乙烯均溶解于溶剂中呈均相反应体系;聚合反应结束后经闪蒸除去乙烯，再经离心分离、浓缩、冷却析出聚合物 。用此法可製得平均分子量大于100万的UHMWPE 。套用目前UHMWPE已在纺织、造纸、包装、运输、进写、化工、採矿、石油、建筑、电气、食品、医疗、体育等领域得到广泛的套用，并开始进入常规兵器、船舶、汽车等领域 。今后还将扩大到宇航和原子能等领域 。耐磨性和耐冲击性为主的套用1.1、纺织机械纺织机械是UHMWPE最早套用的领域，早在1958年，就有几家公司用UHMWPE製造纺织机械零件，如取代韧性材料中最耐用的水牛皮製作的织机上的皮结，承受40～180次/min长期振动冲击，其寿命可达水牛皮结的5～6倍 。目前，国外在每台织机上套用的UHMWPE零件平均有30件左右，如投梭器、打梭棒、齿轮、联结器、扫花桿、缓冲块、桿轴套、摆动后梁等耐冲击磨损零件 。1.2、造纸机械造纸机械是套用UHMWPE的第二个工业领域，约在1960年，在一台削木机的传送装置上第一次安装了UHMWPE防磨条，对底板和链条起到良好的保护作用，使用5a基本上无磨损 。据估计，防磨条的寿命要比链条的寿命高一倍以上，UHMWPE和不鏽钢、枫木、浇铸型聚氨脂及层压酚醛塑胶等耐磨材料都层作为吸水箱盖板使用，但重要的是UHMWPE盖板对吸水箱上不鏽钢丝网的阻力大大低于其它材料，因此可使昂贵的不鏽钢死网的使用寿命延长 。今天，造纸工业所需UHMWPE用量占总量的10%，如採用UHMWPE製造造纸机的刮水板、吸水箱盖板、压密部件、接头等；此外UHMWPE也可用来製造造纸机械的密封轴桿、偏导轮、刮刀、过滤器等零部件 。1.3、包装机械UHMWPE的高耐磨性、低摩擦因数和不粘性，使其在包装机械中比某些金属和其它塑胶更适用，可代替磷青铜和氟塑胶 。用UHMWPE取代改性氟塑胶製作导轨、传送装置的滑块座、固定板等，不仅大大降低了设备投资费用，而且可延长使用寿命10～50倍 。一条液体洗涤剂生产线装置上的计时星轮，用UHMWPE取代原来的层压热固性塑胶后，使过去易磨损、易划伤瓶且容易变软的问题迎刃而解，大大减少了备用件费用，有UHMWPE製造的计时螺桿，也已在许多装瓶线上作为标準部件使用 。西方一个大啤酒厂，用UHMWPE製作了一条约1.6km长的板带式瓶子传送带，比用磷青铜製作的传送带耐用几倍 。国外一个汽车组装厂的输送线上，链条驱动链轮使小车在钢板传送平台上运动，由于链条与钢板的摩擦，链条极易损坏 。採用UHMWPE板材替换钢板，使磨损大大降低，同时也减少了动力消耗 。1.4、通用机械由于UHMWPE具有优良的耐磨性、耐冲击性，它在机械製造行业中得到广泛套用，可製作各种齿轮、凸轮、叶轮、滚轮、滑轮、轴承、轴瓦、轴套、削轴、垫片、密封垫、弹性联轴节、螺钉等机械零部件 。以自润滑性和不粘性为主的套用2.1、材料储运UHMWPE可製作装煤、水泥、石灰、矿粉、盐、穀物之类粉状材料的料斗、料仓、滑槽的衬里，由于它具有优良的自润滑性、不粘性，可使上述粉状材料对储运设备不发生粘附现象，保证稳定输送 。煤、矿粉、粮食等的料斗过去採用不鏽钢衬里进行装箱运输，现改用UHMWPE衬里，长期使用时，可减少发热现象，宝钢运送矿石的料斗採用UHMWPE，要比原先採用的金属材料使用寿命提高10～50倍 。用UHMWPE製作料斗衬里便于施工、成本低，所以大发电厂输送煤的加料斗也採用了UHMWPE衬里 。採煤场的煤溜槽採用UHMWPE製造，可降低倾斜角度，从而提高开採量 。输送40万t煤而不需要更换料槽，其使用寿命比衬镁合金的流料槽提高2倍 。UHMWPE用于流砂等的固体输送管道，与钢管相比寿命提高18倍，成本降至1/25，与尼龙管相比寿命提高3倍，成本降至1/8 。在输送时，管内阻力比金属管小25%，大大提高了输送效率 。在滑槽、铲斗和矿石车厢的内衬等方面，用传统金属材料时，遇到寒冷潮湿天气，物料就会冻结在金属上，而採用UHMWPE则不会，从而大大减少了卸货时间 。在散装货船的自卸漏斗上内衬一层UHMWPE板材后，平均卸货时间由原来的16～20h减少到8h 。2.2农业、建筑机械UHMWPE自润滑性优异，泥土在其表面容易滑动，而不会发生粘着，而且其耐冲击性、耐磨损性优良，适于製作农业和建筑机械的零部件 。如联合收割机的滑动板、犁具外衬板、退土机的刮板、挖土机铲斗的内衬、翻斗车车厢的内衬等，可大幅度提高工作效率，减少能耗 。2.3文体用品利用UHMWPE的自润滑性和耐磨性及耐寒性，可用于滑冰、滑雪板底板，欧美主要採用UHMWPE製造；用UHMWPE覆盖滑雪道（层厚20mm），滑板最高速度可达110km/h 。日本三井石油化学公司製造的UHMWPE滑冰场，1975年在Kagoshima县对外开放，其造价为一般滑冰场的1/4 。以耐腐蚀性和不吸水性为主的套用UHMWPE具有优良的化学稳定性和不吸水性，可用做各种溶液存储设备的铺面材料和大型包装容器，如浮筒、接水槽，汽油箱、农药容器以及用于太阳能设备的退水容器等 。这也是UHMWPE目前套用最广泛的领域之一 。UHMWPE容器具有优良的落下冲击强度 。如果将容器装水20kg，从高空跌落至10mm厚的铁板上，普通聚乙烯容器的破坏高度仅为9M，而UHMWPE容器可高达15M以上 。以卫生无毒性为主的套用4.1、食品、饮料工业UHMWPE具备食品工业所要求的无毒性、耐水性及非黏着性 。被指定为可直接与食品接触使用的材料 。可用于啤酒、清凉饮料、调味品等的输送线 。输送物品时，可以防止瓶子等的破损，降低噪音，减少输送带、输送螺桿等的磨损，并可减少电力损耗，它还可用来製造肉食、牛奶以及糖果蜜饯和麵包食品生产设备的零部件 。4.2、医疗UHMWPE具有优异的生理惰性和生理适应性，经美国食品及药物行政管理局、农业部批准，可在医药几与人体接触的领域使用，如作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节及节育植入体等的临床使用，是理想的医用高分子材料 。有UHMWPE製成的腕臼和金属股骨组成的人工髋膝关节，耐磨性和安全性比PTFE更为优异 。目前世界上已有数十万人接受了这类人工关节的置换 。其他套用5.1、耐低温性套用UHMWPE具有优异的耐低温性能，可套用于各种冷冻机械中，并可作为核工业的耐低温部件，在低温超导领域中是较为理想的绝缘材料 。UHMWPE对放射线具有优良的遮蔽效果，故可用作原子能发电站的遮蔽板 。5.2、电绝缘性能套用UHMWPE电绝缘性能良好，尤其是介电损耗角正切值低，可用于製造电镀槽、辊子及在高频和超高频区间工作的绝缘子、绝缘拖架、电缆管道、短路器、电缆端子和其它电气装置 。不足之处与其它工程塑胶相比，UHMWPE耐热性、刚度和硬度偏低，但可以通过“填充”和“交联”等方法来改善；从耐热性来看，UHMWPE的熔点（136℃）与普通聚乙烯大体相同，但因其分子量大，熔融粘度高，故加工难度大 。