【2017年整理】超高分子量聚乙烯的性能_改性及应用.pdf
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作 者 简 介 : 袁 俊 霞 , 女 , 1971 年 生 , 讲 师 , 主 要 从 事 高 分 子 材 料 的 教 学 及 研 究 工 作 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 性 能 、 改 性 及 应 用袁 俊 霞(中 国 地 质 大 学 材 料 科 学 与 化 学 工 程 学 院 , 武 汉 430074)摘 要 本 文 介 绍 了 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 的 性 能 、 改 性 及 应 用 情 况 , 并 对 其 生 产 消 费 情 况 进 行 了 分 析 关 键 词 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 , 性 能 , 改 性 , 应 用Property and modif ication of UHMWPE and its applicationYuan J unxia(Material Science and Chemistry Engineering Faculty Chinese University of Geosciences ,Wuhan 430074)Abstract The property and modification of U HMWPE and its application are introduced. Its production and con2sumption are also analysed.Key words ultra high molecular weight polyethylene ,property ,modification ,application超 高 分 子 量 聚 乙 烯 (U HMWPE) 虽 然 其 分 子 结构 排 列 与 普 通 PE 完 全 相 同 ,但 由 于 它 具 有 非 常 高的 相 对 分 子 量 (普 通 PE 的 相 对 分 子 量 仅 为 2 万 ～ 3万 ,而 U HMWPE 一 般 在 150 万 以 上 ) ,则 赋 予 其 许多 普 通 PE 没 有 的 优 异 性 能 ,是 一 种 性 能 非 常 优 异的 新 型 工 程 塑 料 ,其 应 用 范 围 正 不 断 扩 大 ,用 量 不 断增 加 ,预 计 将 有 较 好 的 发 展 前 景 。
1 UHMWPE的 性 能 [ 1 ,2](1) U HMWPE 耐 磨 损 性 能 极 好 ,居 现 有 各 种 塑料 之 首 ,见 图 12) U HMWPE 的 冲 击 强 度 极 高 ,是 现 有 塑 料 中耐 冲 击 强 度 最 高 的 (见 图 2) 3) U HMWPE 的 自 润 滑 性 能 很 好 ,摩 擦 系 数小 ,它 的 摩 擦 系 数 可 以 和 聚 四 氟 乙 烯 ( PTFE) 相 媲 美(见 表 1) 4) U HMWPE 的 吸 水 率 极 小 ,是 工 程 塑 料 中 最小 的 一 种 5) U HMWPE 的 耐 化 学 药 品 性 能 优 良 ,在 一 定温 度 、 浓 度 范 围 内 ,能 耐 许 多 腐 蚀 性 介 质 (酸 、 碱 、 盐 )及 有 机 溶 剂 图 1 U HMWPE与 其 他 材 料 的 耐 磨 性 比 较图 2 几 种 常 见 工 程 塑 料 的 冲 击 强 度 比 较第 31 卷 第 3 期 化 工 新 型 材 料 Vol131 No132003 年 3 月 N EW CHEMICAL MA TERIALS Mar1 2003表 1 UHMWPE和 其 他 工 程 塑 料 的 摩 擦 系 数工 程 塑 料 摩 擦 系 数无 润 滑 水 润 滑 油 润 滑U HMWPE 0. 10～ 0. 22 0. 05～ 0. 10 0. 05～ 0. 08PTFE 0. 04～ 0. 25 0. 04～ 0. 08 0. 04～ 0. 05PA66 0. 15～ 0. 40 0. 14～ 0. 19 0. 06～ 0. 11POM 0. 15～ 0. 35 0. 10～ 0. 20 0. 05～ 0. 1表 2 几 种 常 见 工 程 塑 料 的 吸 水 率U HMWPE PA66 PC POM ABS PTFE吸 水 率 / % < 0. 01 1. 5 0. 15 0. 25 0. 20～ 0. 45 < 0. 02(6) U HMWPE 卫 生 无 毒 ,具 有 生 理 惰 性 和 生 理适 应 性 ,符 合 日 本 卫 生 协 会 标 准 ,并 得 到 美 国 食 品 及药 物 行 政 管 理 局 ( FDA) 和 美 国 农 业 部 的 认 可 ,能 够直 接 接 触 食 品 和 药 品 。
7) U HMWPE 的 表 面 自 由 能 很 低 ,其 抗 粘 附 能力 仅 次 于 塑 料 中 不 粘 性 最 好 的 PTFE ,因 而 制 品 表面 不 易 粘 附 异 物 8) HUMWPE 的 耐 低 温 性 能 非 常 优 良 ,在 所 有塑 料 中 是 最 佳 的 ,即 使 在 - 296 ℃ 下 仍 具 有 一 定 冲 击强 度 和 耐 磨 性 ,可 用 于 低 温 部 件 、 管 道 及 核 工 业 等 极低 温 情 况 9) U HMWPE 还 具 有 优 良 的 电 绝 缘 性 能 、 减 震吸 收 冲 击 能 大 、 应 力 集 中 小 、 耐 候 性 优 良 等 特 点 U HMWPE 虽 然 具 有 很 多 优 点 ,但 也 有 许 多 不足 ,主 要 表 现 在 :耐 温 性 能 差 、 强 度 低 、 硬 度 低 、 刚 度低 、 导 热 性 差 、 不 抗 静 电 、 熔 融 粘 度 高 、 流 动 性 差 等 ,要 克 服 这 些 缺 陷 ,可 以 通 过 改 性 来 实 现 2 UHMWPE的 改 性目 前 对 U HMWPE 的 研 究 主 要 集 中 在 : (1) 改 善U HMWPE 加 工 流 动 性 ; (2) 对 U HMWPE 基 本 物 理规 律 的 研 究 ; (3)成 型 加 工 ; (4) 填 料 改 性 及 新 产 品 开发 、 推 广 应 用 等 。
其 中 对 U HMWPE 的 改 性 研 究 是热 点 ,通 过 改 性 ,使 U HMWPE 应 用 前 景 更 广 211 降 低 熔 体 指 数 ,改 善 流 动 性U HMWPE 的 分 子 链 长 度 是 普 通 PE 的 十 几 倍 ,极 易 相 互 缠 结 ,大 分 子 链 间 的 无 规 缠 结 使 U HMW2PE 对 热 运 动 反 映 迟 缓 ,当 加 热 到 熔 点 以 上 时 ,熔 体呈 橡 胶 状 高 粘 弹 状 ,熔 体 粘 度 高 达 108 Pa· s[3 ] ,使 得U HMWPE 很 难 用 常 规 的 聚 合 物 加 工 方 法 来 成 型 制品 ,所 以 改 善 U HMWPE 树 脂 的 流 动 性 ,一 直 为 人 们所 关 注 在 U HMWPE 中 添 加 聚 乙 烯 蜡 、 中 分 子 量聚 乙 烯 、 LDPE、 HDPE、 聚 酯 、 聚 丙 烯 、 橡 胶 盐 等 ,均可 降 低 U HMWPE 的 熔 体 粘 度 ,改 善 流 动 性 ,但 制 品的 硬 度 、 冲 击 强 度 和 耐 磨 性 有 所 降 低 [1 ] 。
有 效 的 补偿 方 法 是 ,加 入 成 核 剂 ,例 如 :苯 甲 酸 、 硅 藻 土 、 硬 脂酸 盐 等 成 核 剂 可 以 提 高 U HMWPE 的 结 晶 度 ,使 球晶 尺 寸 小 而 均 匀 ,从 而 有 效 地 阻 止 机 械 性 能 下 降 例 如 美 国 专 利 USP 4281070 报 道 ,将 U HMWPE(平均 相 对 分 子 量 为 3. 5 × 10) 和 HDPE (平 均 相 对 分 子质 量 为 6. 0 × 10) 共 混 ,并 用 硅 石 (粒 径 :5～ 50mm)作 成 核 剂 来 改 善 加 工 性 能 [2 ] 北 京 化 工 大 学 徐 定 宇 等 制 备 出 流 动 性 改 性 剂MS2 ,添 加 少 量 (约 1 %)就 能 显 著 改 善 U HMWPE 的流 动 性 ,熔 点 下 降 ,可 在 普 通 注 塑 机 上 注 射 成 型 ,同时 对 U HMWPE 的 各 种 性 能 影 响 不 大 [4 ] 另 外 ,王德 禧 等 人 把 纳 米 蒙 脱 土 和 纳 米 层 状 硅 酸 盐 用 于U HMWPE 制 成 纳 米 复 合 材 料 ,流 动 性 能 大 大 改 善 ,用 普 通 单 螺 杆 挤 出 机 可 成 型 ,而 且 耐 磨 损 性 能 、 耐 温性 能 等 同 时 得 到 改 善 和 提 高 [5 ] 。
212 低 摩 擦 系 数 ,提 高 耐 磨 性在 U HMWPE 中 添 加 经 过 偶 联 剂 处 理 的 二 硫 化钼 、 石 墨 、 石 蜡 、 超 细 炭 黑 、 超 细 玻 璃 微 珠 、 碳 纤 维 、 聚四 氟 乙 烯 等 ,均 可 降 低 材 料 的 摩 擦 系 数 ,提 高 耐 磨性 ,起 到 减 磨 、 耐 磨 作 用 清 华 大 学 胡 平 等 用 玻 璃 微珠 作 为 填 料 对 U HMWPE 进 行 改 性 研 究 ,结 果 发 现 ,添 加 玻 璃 微 珠 可 使 U HMWPE 的 耐 磨 性 提 高40 %[6 ] ;吉 林 工 业 大 学 任 露 泉 等 用 粒 经 在 0. 3～ 0.41mm 的 石 英 砂 对 U HMWPE 进 行 改 性 ,研 究 表 明 ,耐 磨 损 性 能 提 高 3～ 5 倍 [1 ] 213 提 高 热 变 形 温 度 、 强 度 、 硬 度 、 刚 度 及 抗 蠕 变 性 能U HMWPE 的 热 变 形 温 度 只 有 84 ℃ ,与 金 属 相比 耐 热 性 差 ,但 发 热 源 比 金 属 多 ,对 其 应 用 十 分 不利 [7 ] 。
在 U HMWPE 中 添 加 经 过 偶 联 剂 处 理 的 超 细玻 璃 微 珠 、 碳 纤 维 、 针 状 硅 灰 石 、 玻 璃 纤 维 滑 石 粉 、 铜粉 、 云 母 、 针 状 硅 石 、 碳 酸 钙 等 ,均 可 提 高 热 变 形 温度 张 道 权 等 用 粉 煤 灰 、 硅 藻 土 、 石 墨 对 U HMWPE进 行 改 性 研 究 结 果 表 明 ,热 变 形 温 度 提 高 30 ℃ [8 ] 在 U HMWPE 中 添 加 经 过 偶 联 剂 处 理 的 超 细 玻璃 微 珠 、 碳 纤 维 、 针 状 硅 灰 石 、 滑 石 粉 、 Al2O3 、 SiO2 、云 母 、 高 岭 土 、 碳 酸 钙 等 ,均 可 提 高 U HMWPE 的 强度 、 硬 度 、 刚 度 黄 丽 等 研 究 了 碳 纤 维 对 U HMWPE改 性 情 况 [9 ] ,见 图 3214 改 善 其 他 性 能(1)改 善 导 热 性 由 于 U HMWPE 的 耐 热 性 差 ,添 加 经 过 偶 联 剂 处 理 的 铜 粉 、 铝 粉 、 铅 粉 等 ,可 以 提高 其 导 热 性 。
· 20 · 化 工 新 型 材 料 第 31 卷图 3 碳 纤 维 含 量 对 U HMWPE热 性 能 的 影 响1 — 含 3 %EAA 2 — 不 含 EAA(2)改 善 静 电 性 在 U HMWPE 中 添 加 经 过 偶联 剂 处 理 的 铜 粉 、 铝 粉 等 金 属 粉 或 添 加 碳 纤 维 、 石墨 、 炭 黑 以 及 专 用 抗 静 电 剂 ,均 可 提 高 抗 静 电 性 清华 大 学 吕 荣 侠 等 添 加 4 份 。
