某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

一、超高分子量聚乙烯的性能

超高分子量聚乙烯 （UHMWPE）一般是指相对分子质量在 150×104 以上的 聚乙烯，是一种新型工程塑料。平均相对分子质量为 200×104 的 UHMWPE，其 密度仅为 0.935g／cm3 ，比其他所有工程塑料都低，一般比 PTFE低 50％以上， 比聚甲醛低 30％以上，因此其制品具有轻量化的特点。超高分子量聚乙烯具有 多种优良的力学性能、物理性能、化学性能，非常耐磨损，耐腐蚀，耐冲击，自 润滑、摩擦因数小，吸水率低，不易黏附异物，卫生无毒，可回收利用以及耐低温等，特别是其耐磨性尤为突出。其不足是耐热性能差、硬度低、拉伸强度低、阻燃性能差。

1. 超高分子量聚乙烯的性能数据

表1-1　超高分子量聚乙烯的性能

2. 力学性能

（1）耐冲击性

UHMWPE的冲击强度在整个工程塑料中名列前茅。即使在低温下也能保持优异的耐冲击性，甚至在液氮中 （－196℃）也具有良好的冲击强度，这一特性是其他塑料所不具备的TXAPP.TV。其冲击强度开始随相对分子质量的增大而提高，在相对分子质量为 150×104 左右达到最大值，其后随相对分子质量的升高而逐渐下降。UHMWPE的冲击强度约为聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，PA、 聚甲醛和 PBT的 10余倍。

（2）耐磨性

超高分子量聚乙烯的耐磨性居塑料之首，比碳钢、黄铜高数 倍，并且随着相对分子质量的增大其耐磨性还能进一步提高。图 1-1 所示为超高分子量聚乙烯与其他材料的耐磨性比较，试验条件为：砂浆由 2质量份水、3质量份砂组成；试件的转速 900r／min；运转时间 7h。

图 1-1 UHMWPE与其他材料的耐磨性比较

（3）自润滑性

UHMWPE自润滑性优异，动摩擦因数很低，可以和聚四氟 乙烯媲美。表 1-2 列举了 UHMWPE与其他工程塑料动摩擦因数的比较。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料中自润滑性最好的 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滑动性能还要好。而且 UHMWPE的价格又低，因此，在摩擦学领域，被誉为成本性能比非常理想的摩擦材料。

表1-2 UHMWPE与其他工程塑料动摩擦因数的比较

（4）拉伸强度

UHMWPE的拉伸屈服强度与相对分子质量及密度有关，随 着相对分子质量的增大和密度的下降，拉伸屈服强度也随之下降；但当密度为 0.94g／cm3或相对分子质量超过150×104时，拉伸屈服强度的变化较小，基本上趋于一个定值。而拉伸断裂强度仅与相对分子质量有关，密度对其影响基本上可以忽略不计。与拉伸屈服强度相反，随着相对分子质量的增大，拉伸断裂强度则相应有所提高。

3. 电学性能

与普通聚乙烯相同，UHMWPE的分子链仅由碳、氢元素组成，UHMWPE的 各项电性能与相对分子质量的大小无关，所以具有优异的电绝缘性能。它的体积电阻率高达 1016～1018Ω ·cm，介质损耗角正切为 （2～3）×10－4。

4. 热学性能

UHMWPE的耐热性不高，使用温度一般在 100℃以下。但由于它的相对分 子质量极大，因而它的热变形温度和维卡软化点都高于普通高密度聚乙烯。UHMWPE的熔点 （136℃）与普通高密度聚乙烯大体相同，然而超高分子量聚乙烯 具有非常优良的耐低温性能，在所有塑料中是最佳的，脆化温度在－70℃以下， 即使在液态氦温度 （－269℃）下仍具有一定的冲击强度和耐磨性。工作温度范 围为－265～100℃，低温到 －195℃时，仍能保持很好的韧性和强度，不致脆裂， 可以用于低温部件、管道，以及核工业等极低温情况。

5. 耐化学药品性能

超高分子量聚乙烯具有优良的耐化学药品性能。除荼溶剂外，它几乎不溶于 任何有机溶剂。UHMWPE在 20℃和 80℃的温度下，能在甲醇、乙醇、丁醇、丙 酮、苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、四氯化碳、醋酸乙酯、醋酸丁醋、四氢呋 喃、三氯乙烯、二氯乙烷、异丙醇、溴乙烷、四氯乙烯、乙醚、乙二醇单甲醚、 甲乙酮、醋酸丙酯、醋酸异丙酯、二 烷、乙二醇、汽油、庚烷、正己烷、环己 烷、二硫化碳、异戊醇、乙酯、甲基异丁基酮、苯甲醇等80余种有机溶剂的任 何一种溶剂中浸渍 30d，外表无任何反常现象，各种性能也几乎没有变化。这是由于超高分子量聚乙烯在分子结构上没有官能团，而且几乎没有支链和双键以及结晶度高等因素。但它在浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、卤代烃以及芳香烃等溶剂中不稳定，并且随着温度升高氧化速度加快。

6. 吸水率

超高分子量聚乙烯的吸水率在工程塑料中是最小的 （见表 1-3），这是由于 超高分子量聚乙烯的分子链仅由碳、氢元素组成，分子中无极性基团，所以吸水率极低。因此，制品即使是在潮湿环境中也不会因吸水而使尺寸发生变化，同时也不会影响制品的精度和耐磨性等力学性能，并且在成型加工前原料不需要干燥处理。

表1-3 几种常见工程塑料的吸水率

7. 超高分子量聚乙烯应用

超高分子量聚乙烯综合性能最佳，已被广泛用于机械、电器、包装容器、化 工设备、交通运输、材料储运、输送管道、医疗和体育器材等领域。主要制品 有：板材类、管材类、棒材和成品，其中成品包括齿轮、轴承、轴套、滚轮、导 轨、滑块、衬块等。从制品的加工工艺上又可分为模压成型、机械加工、挤出成 型、注射成型、冲压成型、吹塑成型、辊压成型、热塑性加工成型和拉丝成型等。

二、超高分子量聚乙烯的成型加工

1. 成型特性　

虽然超高分子量聚乙烯是热塑性塑料，具有许多优良性能，但由于其相对分 子质量极高，熔体特性和一般热塑性塑料截然不同，给成型加工带来很大困难。其主要成型特性如下所述。

1）物料熔融时黏度极高，不成黏流态而是处于高黏弹态。普通聚乙烯的流 动性能，一般可用熔体流动速率 （MFR）表示。它是在温度为 190℃，载荷为 21.2N下测定的，一般热塑性塑料熔体流动速率为 0.003～3g／min，而超高分子 量聚乙烯由于熔体黏度非常高，在上述条件下根本测不出结果，即使把载荷加大 10倍 （即 212N），熔体也很难从仪器喷嘴流出。UHMWPE加工时的熔融黏度高 达 108 Pa·s，流动性极差，其熔体流动指数几乎为零，所以很难直接进行挤出或 注射成型。

2）临界剪切速率低，熔体易破裂。通常把熔体刚出现破裂时的剪切速率称 为临界剪切速率。实践证明它随聚乙烯的相对分子质量增大而减小。对于相对分 子质量极高的 UHMWPE来说，在剪切速率很低时，就可能产生熔体破裂，在较 低剪切速率下，就会产生滑流或喷流现象。因此，在超高分子量聚乙烯挤出加工 时，会遇到由于容易破裂而产生裂纹现象；在超高分子量聚乙烯注射时，会出现喷流而致使制品出现多孔状或脱层现象。这是热塑性方法加工超高分子量聚乙烯的难题。

3）UHMWPE的摩擦因数极低，使粉料在进料过程中极易打滑，不易进料。

4）成型温度范围窄，易氧化降解。

2. .模压成型技术

超高分子量聚乙烯模压成型的特点主要是成本低，设备简单，投资少，不受 相对分子质量高低影响；但生产率低，劳动强度大，产品质量不稳定。

模压成型是将粉状的超高分子量聚乙烯制成棒、板、轮、轴套等半成品或成 品。由于超高分子量聚乙烯的相对分子质量很高，在成型过程中，分子之间互相 缠绕和相互在分子空间渗入比其他工程塑料严重，又加之压制烧结法生产是手工操 作随机性强，以及成品的尺寸与烧结温度、烧结时间、添加剂的品种及比例、偶联 剂的品种、加压大小、开模温度等有关，因此，很难直接压制成成品。模压成型加工超高分子量聚乙烯制品时，可根据具体工艺的差别分为不同方法。

（1）自由烧结法 自由烧结法也叫压制-烧结-压制法，它是把超高分子量聚 乙烯粉料放入模具中先高压压制成毛坯，然后把毛坯放入加热炉中加热，加热一 定时间后取出制品再放到另一个模具中加压冷却，然后取出制品，从而完成一个 制品的加工过程。具体加工工艺为：首先称取超高分子量聚乙烯配好的粉料装入毛坯成型模具，加高压成型，压力一般为 42MPa，保压 30～90s；取出制品放入惰性气体保护加热炉中，在 173℃下加热，加热时间根据制品的厚度按 3～4min／mm确定；压制模上先涂脱模剂，再把加热好的毛坯放入压制成型模具中，加压到 28MPa， 然后保压冷却到制品温度为 65～85℃时，取出制品。

（2）烧结压制法 烧结压制法与自由烧结法基本相同，区别在于烧结压制法是给模具装料加压后，把模具和原料一起放到加热炉中加热；原料装到模具后 虽然加压，但所施加的压力要低得多，并且施加压力的目的也完全不同，自由烧 结法加压是为了让粉料成型，而烧结压制法只是排除模具里面粉料中的空气，使 原料密实增加料的热导率等，因此所施加的压力相对要低得多。此方法适合了中 小型超高分子量聚乙烯制品的批量生产。这种成型工艺虽然生产率低，但方法简单，成本低，模具数量少，并且不需带有惰性气体保护的加热炉。具体加工工艺为：称取配好的超高分子量聚乙烯粉料，放入涂有脱模剂的模 具中，加压 5MPa左右，因为不是为了成型，仅仅是为了排除原料中的空气，使原料密实，增加热导率，减少烧结时间，所以压力不用太大；把模具放入加热炉 中进行加热，加热温度为 195℃左右，加热时间 t（min）根据制品厚度 H （mm） 由以下公式计算：

取出模具放到压力机上，边加压 （8～12MPa，压力的大小根据不同的情况 有所不同）边冷却，冷却到 65～75℃；开模取出制品，修整飞边，多数制品需 要定型工具进行定型，这样就完成了一个制品 （或称毛坯）的加工过程。此外，还有在模具上边加热边加压的压制加压同时进行法、快速加热压制法及传递模法。

3. 挤出成型技术　

UHMWPE的挤出成型可采用单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和柱塞挤出机， 其中以双螺杆挤出机为最常用。

（1）单螺杆挤出

单螺杆挤出机挤出 UHMWPE管材技术是通过螺杆的塑化 和推进作用，真正实现 UHMWPE管材的连续挤出，效率显著提高，使 UHMWPE 的成型加工技术跃上一个新的台阶。

其工艺如下：使用高速混合机，将 UHMWPE树脂、加工助剂等物料通过高 速搅拌混合到均匀分散，并通过摩擦生热除去原料中部分所含的水分；混合完毕 的物料从料斗进入挤出机，经加料、压缩、熔融、均化等过程，在外机筒加热和 内螺杆剪切作用下，由粉状团体逐步变为高黏弹性体，并连续经机头挤出；在适宜的设定温度下，从挤出机挤出来的 UHMWPE熔体通过过滤板由旋转运动变为 直线运动，进入管材模具，经过分流筋后逐步在成型段融合为管状型坯；从模具挤出的热管坯进入冷却定径阶段后，物料的温度逐渐下降，这时管坯在始终保证外形的情况下固化定型；已成型的管材在牵引装置的作用下均匀地向前移动。在光电信号的控制下，通过旋转飞刀式切割机 （或锯片式切割机）来完成管材的定长切断，并保证断面平整。

（2）柱塞挤出

柱塞推压成型是一种往复间歇性的挤出方法。其过程是将粉料加入加料室和模具中，由施加高压使压缩粉料移动、连续烧结和冷却定型三 个步骤实现半连续挤出成型。该方法的优点在于，成型过程中不出现剪切，相对 分子质量降解少，制品的质量好，此外该方法成型时不受相对分子质量高低的限制，即使是超高分子量聚乙烯相对分子质量高达 1000×104，也能够实现挤出加工。

具体加工工艺为：超高分子量聚乙烯树脂计量后置于高速混合机中，通过混 合产生摩擦热从而蒸发树脂中水分，搅拌时间为 15～20min，物料温度不能超过 120℃；经去水后的 UHMWPE加入各种加工助剂和必要的填充剂，进行混合， 使助剂在 UHMWPE树脂中分散均匀，混合时间为 5～6min，放出的物料温度不 得超过 120℃；物料在电磁振动器 （或其他装置）和送料器的作用下均匀流入机 筒的加料段中，不能断流；推压塞端部不能有刃和毛刺，并与模具端部平行，防 止擦伤模具；烧结时物料为半粉状半固体状的弹性体，此时温度太高就会使物料 局部黏附，出现黏附后，制品表面形成沟痕和不均匀现象，管子倾斜变弯，造成 推压困难，其温度应根据配方而定；烧结后的物料进入定型段，温度要逐渐下 降，不能出现温度剧变，其温度不能低于 130℃，太低就会使物料收缩到芯棒上以至推进困难，定型温度太高会使物料黏附到模具上，也会造成推进的困难，产生变形等；从定型段端部推出的管子，温度较高，很容易造成变形，为此，定型段端部接冷却水套进行冷却，挤出速度低时也可采用风冷；根据所需长度，用圆 盘锯进行切割。

（3）双螺杆挤出

双螺杆挤出机的两根螺杆是啮合推进在一起的，能将物 料强制推进，在塑化段将物料压实成为熔体，继续啮合，在计量段将物料输送进 模具，从而实现连续进料。双螺杆挤出机挤出超高分子量聚乙烯时，由于两螺杆 啮合在一起具有自洁功能，将物料强制推进，具有轴向输送物料作用。为了减少 物料的剪切，确保材料相对分子质量不降低，最好使用同向旋转的双螺杆挤出 机。此外，为了避免超高分子量聚乙烯的降解，保证物料稳定流动及保证产品质量，螺杆的转速不宜太高 （一般为 10r／min）。由于超高分子量聚乙烯具有其特 殊性，最好采用专用挤出机或经过改造的挤出机进行加工。由于流动性差，黏度 高挤出压力大，所以要采用高强度推力轴承，此外螺杆的螺槽要深一些。

4. 注射成型技术　

UHMWPE的注射成型是 20世纪 80年代开发成功并不断得到发展的新技术。基本上采用普通的单螺杆注射机，但在螺杆和模具设计上需经过特殊的改进，以 保证物料在机筒内均匀移动，并装备压力储存器用来加速注入。UHMWPE在注 射成型时，高压下的喷射流动有利于充模，制品尺寸稳定性也好，因此，注射压 力一般控制在 120MPa以上。螺杆转速以 40～60r／min为宜，转速过高，导致摩 擦加大，物料温度升高，容易发生热降解，使相对分子质量下降，影响制品性能。能。为防止由于热氧化降解而发生相对分子质量下降的情况，可用氮气等惰性气 体置换机筒中的空气。这对于 UHMWPE的注射成型是十分重要的。

5. 吹塑成型技术　

UHMWPE因熔体黏度高，给成型加工带来不少困难，但它的熔体具有较大 的熔融张力，型坯下垂现象较小，这为中空容器吹塑成型，尤其是大型容器的吹 塑成型，创造了十分有利的条件。超高分子量聚乙烯大型容器的吹塑成型，不能采用现有的用于普通聚乙烯的吹塑成型机。这是因为超高分子量聚乙烯熔体 黏度大，挤出量比普通聚乙烯降低 30％左右，且超高分子量聚乙烯在机筒内 自发热较大，容易引起降解老化。经过改进的中空容器吹塑机采用低压缩比螺 杆、开槽机筒、铸铝加热器和水冷夹套等特殊工艺，可以较好地实现吹塑成型。大型吹塑模具一般都用铝合金制造，铝合金的导热性好，冷却效率高，可大大缩短冷却周期，并且模具重量轻，易进行修整加工以及不生锈。超高分子量聚乙烯的吹塑成型主要用于大型中空制品，可以制成高强度制品，如汽车的燃油箱、筒类等。

三、超高分子量聚乙烯主要商品的性能

表3-1列出了美国 HoechstCelaneseCo.（日本公司）UHMWPE树脂的性 能。表 3-2 列出了日本昭和电工公司 UHMWPE树脂的性能。A

表3-1 美国 HoechstCelaneseCo.(日本公司)UHMWPE树脂的性能

表3-2 日本昭和电工公司 UHMWPE树脂的性能