超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(简称UHMWPE),与HDPE相比其相对分子质量高达200~400万。因分子量太高而具有与HDPE完全不同的性能,HDPE为通用热塑性塑料,而UHMWPE是一种综合性能十分优异的热塑性工程塑料。
分子式:—(—CH2-CH2—)—n—,密度:0.920~0.964g/cm3。热变形温度(0.46MPa)85℃,熔点130~136℃。
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结构
UHMWPE的分子结构为线型结构,与HDPE结构完全相同,只是分子量不同。UHMWPE的相对分子量在150万以上,个别品种为300万~600万,比普通PE高得多(普通PE相对分子量为5万~30万),由于分子链长,分子链之间必然会产生缠结,聚集态结构也会随之改变,所以,UHMWPE的耐冲击、耐磨、自润滑、耐低温、耐环境应力开裂等性能好于一般PE,还具有耐腐蚀、不易黏附、不易吸水、密度较小、卫生无毒等特性,是一种价格适中、综合性能十分突出的热塑性塑料。
性能
UHMWPE的耐磨性突出,比钢铁高8~9倍、比尼龙高2.8倍;耐冲击性能优异,是PC的2~5倍、ABS的5倍、POM的1.5倍;摩擦因数仅为0.10~0.22,与F4相当,是理想的自润滑材料;此外,其耐化学药品、耐低温、消音、耐应力开裂等均好。
与其他工程塑料相比,UHMWPE具有以下突出性能:
①优异的耐磨性能,它的耐磨性优于许多工程塑料,如聚四氟乙烯(PTFE)、MC尼龙、聚甲醛(POM)等,甚至高于许多金属材料,如碳钢、不锈钢、青铜等。UHMWPE的耐磨性比普通HDPE高出数倍。
②超高的冲击强度,它的冲击强度是工程塑料中最高的,远高出ABS、PC和尼龙等材料。UHMWPE不仅在常温下冲击强度高,而且在低温下(-40 ℃)仍具有高的冲击强度,甚至在液氮温度(-209 ℃)下还保持较高的韧性。
③良好的自润滑性能,UHMWPE的摩擦系数极低,与聚四氟乙烯相当。
④极好的耐化学腐蚀性能,UHMWPE的分子链上不存在可反应的基团,几乎不存在双键和支链,并且结晶度较高,因此具有良好的化学稳定性,除了浓硫酸、浓硝酸、卤代烃以及芳烃等一部分化学品外,对于一般的酸、碱和有机化学试剂呈现较高的稳定性。
除此之外,UHMWPE还具有良好的消音性能;抗黏附能力强,仅次于PTFE;优异的延展性,即使在液氮温度(-209 ℃)下仍然具有延展性;完全卫生无毒。
缺点
UHMWPE的主要缺点为加工性不好。这主要是因为UHMWPE的相对分子质量太大,熔体黏度极高(一般为109Pa.s),流动性极差(熔体流动指数几乎为0),因而难以用通用热塑性塑料的加工方法直接进行挤出或注射加工。
UHMWPE的加工难点可归纳为如下几点:
①由于较高的黏度,在熔融时UHMWPE不能形成黏流态,只能处于高弹态;在普通螺杆挤出机上加工时,熔体包住螺杆一起转动,很难沿螺槽推进,陷入不能挤出的状态,俗称“料塞”。
②由于极低的摩擦系数,加工时粉料在进料过程中极易打滑,不易进料。
③由于临界剪切速率低(约为10-2/s),在挤出成型时熔体易破裂,表面易出现裂纹;在注射成型时,会因出现喷射流状态而引起气孔和脱层现象。
④成型温度范围窄,加工时易引起氧化降解。
因为如上的难点,使得UHMWPE不能用通用的加工方法加工,只能用效率低、能耗大的间歇式压制烧结工艺加工,制品的形状不能太复杂。
解决UHMWPE加工性的方法有两个:一是从改进设备上入手,设计特殊的螺杆和料筒,以强制推料的方法加工;设备结构复杂,加工昂贵,生产成本高。二是添加流动改性剂,改进其原有的加工特性,具有或接近普通塑料的加工性能。
应用
UHMWPE作为一种性能优良的新型工程塑料广泛用在纺织工业、造纸工业、化学工业、机械工业等。如纺织用梭子、打棱棒、造纸用成型板、刮水板、耐腐蚀泵、阀门、齿轮、轴瓦、轴套、导轨等。UHMWPE还可制备高模量高强度纤维,纤维的比强度是碳钢的10倍,是碳纤维和芳纶的2倍,拉伸强度为1.5~3.5 GPa,拉伸模量是80~100 GPa,可用于制造防弹衣、飞机安全带等。