超高分子量聚乙烯的特性及应用进展

WorldPlastics-2005Vol.23No.11综述·专论REVIEW&FEATURE中国塑协专家论坛论文特辑王德禧，男，1940年12月4日出生。毕业于中国科技大学高分子系高分子物理专业。担任中国科学院化学研究所研究员、化学所学术委员会委员、中国塑料加工工业协会工程塑料专委会理事长、中国塑协改性塑料专业委员会常务理事、《国外塑料》杂志编委、中汽相关协会非金属材料分会常务理事、专家顾问组组长等职务。1981年～1984年在美国麻省大学高分子科学与工程系作访问学者，从事橡胶类材料的热力学研究。回国后，先后承担并主持了中国科学院重大项目及重中之重项目———“新型工程塑料”开发研究，“八五”期间主持了国家科技攻关项目“聚烯烃汽车专用料”、“聚烯烃热塑性板材”两个课题，六个专题的开发研究，是“工程塑料国家工程研究中心”的主要创始人之一。获得国家级和省部级科技成果奖项10项，取得了24项汽车专用料鉴定成果和16项认证成果。鉴于其对中国汽车工业非金属材料研制和国产化方面做出的贡献，1996年荣获了由国家自然科学基金委和美国GM公司联合主办的“首届中国汽车科技成果奖”一等奖。在国内首次推出纳米粘土母粒产品，对推广共混熔体插层纳米材料的应用将起到重要的作用。发表学术论文50余篇，申请中国专利8项。1引言超高分子量聚乙烯（UHMWPE）于1957年由美国联合化学公司用齐格勒催化剂首先研制成功。这是一种线型聚合物，分子量通常在100～500万，结晶度65%～85%，密度0.92～0.96g/cm3。同众多的聚合物材料相比，UHMWPE具有摩擦系数小，磨耗低，耐化学药品性优良，耐冲击、耐压性、抗冻性、保温性、自润滑性、抗结垢性、耐应力开裂性、卫生性等优点。这些优良特性使UHMWPE管材具有重要的实用价值。其中摩擦系数小、磨耗低、抗应力开裂性能好在UHMWPE应用中最为重要。摩擦系数小，相当于冰-冰之间的摩擦；抗磨耗性居塑料之首，是塑料的5～7倍，钢管的7-10倍，黄铜管的27倍；抗应力开裂能力为普通高密度聚乙烯的200倍，交联聚乙烯的4倍，能满足管材长寿命的要求。再加上化学惰性，使得它作为输送管材具有的能耗低、不结垢、长寿命的特点是其它类管材所望尘莫及的。随着UHMWPE加工技术的不断进步，超高分子量聚乙烯膜、纤维及在医疗产业方面的应用也日益■刘英1刘萍1陈成泗2严为群3王德禧4摘要：超高分子量聚乙烯性能卓越、加工困难，是一种正在迅速崛起的工程性热塑性塑料。由于加工困难，国内外超高分子量聚乙烯的应用多集中在压制产品上，但是材料学家们从来没有停止过对超高分子量聚乙烯挤出制品的探讨。超高分子量聚乙烯的卓越性能源自于它具有极高的分子量，因此对超高分子量聚乙烯改性成功与否的判定在很大程度上取决于其制品的分子量保留的程度和在低温下的冲击韧性。作者利用新的挤出理念，精确的配方和精湛的工艺成功的挤出了分子量在250万以上的超高分子量聚乙烯管材制品，并对超高分子量聚乙烯的纤维、膜制品的应用进行了概要的介绍。关键词：超高分子量聚乙烯；分子量；冲击韧性；应用；管材；纤维；薄膜超高分子量聚乙烯的特性及应用进展362005年23卷第11期-国外塑料纯UHMWPE纯UHMWPE纯UHMWPE联海橡塑管材分子量(百万)250330500375.7磨损量(克))0.01720.01460.01390.0141表1联海公司UHMWPE磨耗值扩展并取得了重大的产业化成果。本文就超高分子量聚乙烯的特性及应用成果做一简要的介绍。2超高分子量聚乙烯的特性与其分子量的关系UHMWPE分子量高达数百万，超常分子链间的无序缠结，使其分子链段对热运动反应迟缓，表现为熔体粘度高达108Pa·s，流动性极差，加之临界剪切速率极低，易产生熔体破裂等缺点，使其难以用常规塑料的加工技术进行加工成型，严重制约了UHMWPE的应用，成为自1980’年代以来材料学界和产业界共同探索的热点课题。UHMWPE的种种优良特性与它具有极高的分子量有着密切的关系。图1、图2分别显示了UHMWPE的分子量及其耐磨损性、冲击韧性的相关性。超高分子量聚乙烯的冲击韧性与温度的相关性如图3所示。如图所示：UHMWPE的耐磨损性、冲击韧性与它的超高分子量特性有着密切的关系。不论我们采用何种改性手段、使用什么类型的加工设备，只要保住了产品的超高分子量，就保住了UHMWPE的全部优良特性。一个品质优良的超高分子量聚乙烯制品，应该在-40°C至80°C范围内都能保持100KJ/m2的缺口冲击强度。上述分析结果给我们提供了判别UHMWPE改性成功与否及产品水平的两个实用判据，即UHMWPE产品的分子量和在-40°C至80°C范围内的冲击韧性。在当今超高分子量聚乙烯的改性研究和产品应用报导中，有添加大量相对低分子量的HDPE改性；添