超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是一種新型熱塑性工程塑料,它的分子結構和普通聚乙烯完全相同,普通聚乙烯的分子量一般在4萬~12萬,而超高分子量聚乙烯可達到100~400萬。隨著分子量的大幅度升高,樹脂的某些性能會發生突變,比如耐磨性佳;抗沖擊性強,而且在低溫時抗沖擊強度仍保持較高數值;自潤滑性好等。UHMW一PE可以而且在取代碳鋼、不銹鋼、青銅等,用于紡織、造紙、食品機械、運輸、陶瓷、煤炭等領域。目前,世界上超高分子量聚乙烯年生產能力為8萬噸。我國UHMW-PE年生產能力為一萬噸。
成型加工技術與工藝
由于UHMW-PE流動性差,熔融狀態下粘度高,很難用一般的方法加工。壓制燒結成型是UHMW-PE最早的加工方法,它是將UHMW-pE粉末置于模具中,加壓制成有一定強度和密度的坯件,然后在規定的溫度下燒結成型。擠出成型是采用柱塞擠出機對UHMW一PE加工成型,可看作是連續的壓制燒結;钊耐鶑瓦\動提供了巨大的擠出壓力,但筒內UHMW一PE塑化效果差,生產效率低,不易加工成較大制品。日本三并石油化工公司1974年開發出注射成型工藝,并于1976年實現工業化。注射成型時物料在高壓下呈噴射流動狀,利于充模,使制品保持尺寸穩定。
國外發展狀況
生產情況 世界上UHMW一PE生產及應用至今已有30多年的歷史。近10年隨著加工技術的不斷發展,其產量和消費量不斷增長:1989年消耗量為5萬噸,1995年市場銷售量達到6萬噸。蒙特爾是世界UHMW-pE主要生產商,它在北美有一家年生產能力為1.6萬噸的工廠,1997年其年產能力從1.6萬噸增至2.7萬噸。目前,蒙特爾在北美擁有47%的市場份額,在其它地區的銷售量不是很多。該公司目前研究與開發重點集中在現有產品改性方面。荷蘭DMS公司和日本三井公司的UHMW一PE生產規模都比較小。除生產常規牌號外,還提供特殊牌號(如注射成型牌號,纖維牌號和超細UHMW- PE)。需求情況1997年,國際市場UHMW-PE需求量約為6萬噸,其中,北美占56%,西歐占34%。與北美及西歐良好的開發市場相比,UHMW -pE在亞洲的消費量很小,僅占10% 。在亞洲
各國中,日本年消費量最大,約為2000噸。
國內開發情況
國內于70年代末開始研制超高分量聚乙烯。當時的研究單位有上海高橋化工廠、安徽化工研究院、廣州塑料廠等,但皆因技術不過關,樹脂分子量只能達到150萬左右。寧津鴻寶化工有限公司在低壓聚乙烯裝置上生產超高分子量,產量從逐年增加。該廣把研究與開發重點放在改進產品質量方面。目前其產品的內在質量(如分子量、堆密度、抗張強度、斷裂伸長率等)可達到日本牌號水平。
近年來UHMW一PE的加工技術有了重大突破,由最初的燒結壓制成型發展到專用設備擠出成型,由最初的燒結壓制成型,應用領域也不斷擴大。如UHMW-PE已在紡織、造紙、包裝、運輸、機械、化工、采礦、石油、農業、建筑、電氣、食品、醫療、體育等領域得到了廣泛應用。
紡織機械 紡織機械是UHMW-PE較早應用的領域。目前,國外在每臺紡織機械上應用的UHMW-PE零件平均有30件左右,如投梭器、打梭棒、齒輪、連結器、掃花桿、緩沖塊、偏心塊、桿軸套、擺動后梁等零件。使用超高分子量聚乙烯皮結代替水牛皮結,其耐沖擊次數由原來的100萬次增加到500~600萬次。造紙機械是UHMW-PE的主要領域。UHMW-PE磨擦系數低而且耐磨。因此,用它做造紙機上水箱的蓋板及刮水板、壓密部件、接頭等,可以延長造紙機上聚酯網的壽命,節省更換新網的費用,減少停機造成的損失。此外,UHMW-PE也可用來制造造紙機械的密封軸桿、偏導輪、刮刀、過濾器等部件。目前,造紙工業所需UHMW-PE量占其總消費量的10%。
包裝儲運UHMW一PE具有優良的化學穩定性和不吸水性,可用作各種溶液存儲設備的鋪面材料和大型包裝容器。特別是UHMW一PE具有無毒、耐水等優點,可作為直接與食品接觸材料,用來制作食品裝瓶自動包裝線上的零部件,能防止瓶子破裂,減少噪音,提高工作效率。此外,UHMW一PE可制作裝煤、水泥、石灰、礦粉、鹽、谷物之類粉狀材料的料斗、料倉、滑槽的襯里由于它具有優良的自潤滑性及不粘性,可使上述粉狀材料對儲運設備不發生粘附現象,保證穩定運輸。采用UHMW-PE制造煤場和糧食加工廠的輸送管道,比金屬材料使用壽命提高10~50倍,并且大大降低成本、提高輸送效率。
農業及建筑機械 UHMW-PE自潤滑性優異,泥土在其表不會發生粘著,而且其耐磨損性優良,用它來制造農業和建筑機械的零部件,可大幅度提高工作效率,減少能耗。用其制造農業收割機的齒輪,比鋼制品便宜1/3,而使用壽命延長2倍以上。
此外,UHMW一PE在醫療上還可用于矯形外科零件、人工關節等,是理想的醫用高分子材料,從使用性能上看由UHMW-PE制成的人工髖關節,耐磨性和安全性比PTFE更為優異。UHMW一PE具有優異的耐低溫性能,可應用于各種冷凍機械,并可作為核工業的耐低溫部件,也可用作原子能發電站的遮蔽板。UHMW一PE電絕緣性能良好,可制造酸性鉛蓄電池隔板(膜)。UHMW-PE纖維強度為鋼絲的10倍,碳纖維的2倍,抗張強度為150~350kg/平方厘米,抗張模量為8000~10000kg/平方厘米,在國防、民用方面均有廣闊的用途(如制造、飛機座椅、海運和漁業用繩索等)。利用其自潤滑性、耐磨性和耐寒注,可以制造滑冰、滑雪。水上運動等體育器材的零部件。
超高分子量聚乙烯具有其它工程塑料無法比擬的耐磨性。耐沖性、耐化學藥品、自潤滑等性能,在國民經濟的各個領域,尤其是耐磨輸送、設備襯里、各種機械零部件等方面的應用具有獨特優勢、其產品的開發和應用具有廣闊的前景,新應用領域(如汽車領域)的開發,正受到人們的關注。
但由于其熔融粘度高,加工難度大,長期以來,國內外對其加工主要采用類似加工聚四氟乙烯的莊制燒結和住塞擠出成型方法加工,生產效率較低,從而限制了該產品的推廣應用。為此,可考慮結合我國國情,同時引進國外先進經驗和技術,并根據我國深加上產品市場需求,研制出適合深加工產品需要的加工設備及技術。另外,適應工業產品多樣化的要求,當前的發展方向是實現特殊工程塑料的通用化。為獲得高附加值的產品,必須開拓市場,向生產技術含量高的新領域擴展,以滿足社會需求。