UHMWPE極高的分子量(HDPE的分子量通常只有2~30萬)賦予其優異的使用性能,而且屬於價格適中、性能優良的熱塑性工程塑膠,它幾乎集中了各種塑膠的優點,具有普通聚乙烯和其它工程塑膠無可比擬的耐磨、耐衝擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收衝擊能、耐低溫、衛生無毒、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實上,還沒有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優異性能。
基本介紹
- 中文名:UHMWPE棒
- 特點:耐腐蝕、吸收衝擊能
- 分類:熱塑性工程塑膠
- 特色:極高的分子量
性能,套用,優勢,
性能
1、耐磨性
UHMWPE的耐磨性居塑膠之冠,並超過某些金屬,圖1為UHMWPE與其它材料耐磨性比較。從圖1可以看出,與其它工程塑膠相比,UHMWPE的沙漿磨耗指數僅是PA66的1/5,HEPE和PVC的1/10;與金屬相比,是碳鋼的1/7,黃銅的1/27。這樣高的耐磨性,以致於用一般塑膠磨耗實驗法難以測試其耐磨程度,因而專門設計了一種沙漿磨耗測試裝置。UHMWPE耐磨性與分子量成正比,分子量越高,其耐磨性越好。
2、耐衝擊性
UHMWPE的衝擊強度,在所有工程塑膠中名列前茅,圖2為UHMWPE與其他工程塑膠衝擊強度比較,從圖2中可以看出,UHMWPE的衝擊強度約為耐衝擊PC的2倍,ABS的5倍,POM和PBTP的10餘倍。耐衝擊性如此之高,以致於採用通常衝擊試驗方法難以使其斷裂破壞。其衝擊強度隨分子量的增大而提高,在分子量為150萬時達到最大值,然後隨分子量的繼續升高而逐漸下降。值得指出的是,它在液氮中(-195℃)也能保持優異的衝擊強度,這一特性是其它塑膠所沒有的。此外,它在反覆衝擊表面硬度更高。
3、自潤滑性
UHMWPE有極低的摩擦因數(0.05~0.11),故自潤滑性優異。表1為UHMWPE與其他工程塑膠摩擦因數比較。從表1可以看出,UHMWPE的動嗎擦因數在水潤滑條件下是PA66和POM的1/2,在無潤滑條件下僅次於塑膠中自潤滑性最好的聚四氟乙烯(PTFE);當它以滑動或轉動形式工作時,比鋼和黃銅加潤滑油後的潤滑性還要好。因此,在摩擦學領域UHMWPE被譽為成本/性能非常理想的摩擦材料。
名稱 | 摩擦係數 | ||
自潤滑 | 水潤滑 | 油潤滑 | |
UHMWPE | 0.10~0.22 | 0.05~0.10 | 0.05~0.08 |
PTFE | 0.04~0.25 | 0.04~0.08 | 0.04~0.05 |
PA66 | 0.15~0.40 | 0.14~0.19 | 0.06~0.11 |
POM | 0.15~0.35 | 0.10~0.20 | 0.05~0.10 |
表1 UHMWPE與其它工程塑膠摩擦因數比較
4、耐化學藥品性
UHMWPE具有優良的耐化學藥品性,除強氧化性酸液外,在一定溫度和濃度範圍內能耐各種腐蝕性介質(酸、鹼、鹽)及有機介質(荼溶劑除外)。
其在20℃和80℃的80種有機溶劑中浸漬30d,外表無任何反常現象,其它物理性能也幾乎沒有變化。
5、衝擊能吸收性
UHMWPE具有優異的衝擊能吸收性,衝擊能吸收值在所有塑膠中最高,因而噪聲阻尼性能很好,具有優良的削音效果。
6、耐低溫性
UHMWPE具有優異的耐低溫性,在液氦溫度(-269℃)下仍具有延展性,因而能夠用作核工業的耐低溫部件。
7、衛生無毒性
UHMWPE衛生無毒,完全符合日本衛生協會的標準,並得到美國食品及藥物行政管理局和美國農業部的認可,可用於接觸食品和藥物。
8、不粘性
UHMWPE表面吸附能力非常微弱,其抗粘符能力僅次於塑膠中不粘性最好的PTFE,因而製品表面與其它材料不易粘符。
9、吸水性小
UHMWPE吸水率很低;一般小於0.01%,僅為PA66的1%,因而在成型加工前一般不必乾燥處理。
10、密度
表2為UHMWPE與其它工程塑膠密度比較。由表2可知,UHMWPE的密度比其它所有工程塑膠都低,一般比PTFE低56%,比POM低33%,比PBTP低30%,因此其製品非常輕便。
名稱 | 相對密度 | UHMWPE密度比其低/% |
PTFE | 2012 | 56 |
POM | 1.41 | 33 |
PBTP | 1.31 | 30 |
PC | 1.20 | 22 |
PA | 1.02—1.14 | 8—18 |
UHMWPE | 0.94 |
表2 UHMWPE 與其它工程塑膠密度比較
11、拉伸強度
由於UHMWPE具有朝拉伸取向必備的結構特徵,所以有無可匹敵的超高拉伸強度,因此可通過凝膠紡絲法製得超高彈性模量和強度的纖維,其拉伸強度高達3~3.5GPa,拉伸彈性模量高達100~125GPa;纖維比強度是迄今已商品化的所有纖維中最高的,比碳纖維大4倍,比鋼絲大10倍,比芳綸纖維大50%。
12、其他性能
UHMWPE還具有優良的電氣絕緣性能,比HDPE更優良的耐環境應力開裂性,比HDPE更好的耐疲勞性及耐r-射線能力。
套用
UHMWPE已在紡織、造紙、包裝、運輸、進寫、化工、採礦、石油、建築、電氣、食品、醫療、體育等領域得到廣泛的套用,並開始進入常規兵器、船舶、汽車等領域。今後還將擴大到宇航和原子能等領域。
1、耐磨性和耐衝擊性為主的套用
1.1、紡織機械
紡織機械是UHMWPE最早套用的領域,早在1958年,就有幾家公司用UHMWPE製造防止機械零件,如取代韌性材料中最耐用的水牛皮製作的織機上的皮結,承受40~180次/min長期振動衝擊,其壽命可達水牛皮結的5~6倍。國外在每台織機上套用的UHMWPE零件平均有30件左右,如投梭器、打梭棒、齒輪、聯結器、掃花桿、緩衝塊、桿軸套、擺動後梁等耐衝擊磨損零件。
1.2、造紙機械
造紙機械是套用UHMWPE的第二個工業領域,約在1960年,在一台削木機的傳送裝置上第一次安裝了UHMWPE防磨條,對底板和鏈條起到良好的保護作用,使用5a基本上無磨損。據估計,防磨條的壽命要比鏈條的壽命高一倍以上,UHMWPE和不鏽鋼、楓木、澆鑄型聚氨脂及層壓酚醛塑膠等耐磨材料都層作為吸水箱蓋板使用,但重要的是UHMWPE蓋板對吸水箱上不鏽鋼絲網的阻力大大低於其它材料,因此可使昂貴的不鏽鋼死網的使用壽命延長。今天,造紙工業所需UHMWPE用量占總量的10%,如採用UHMWPE製造造紙機的刮水板、吸水箱蓋板、壓密部件、接頭等;此外UHMWPE也可用來製造造紙機械的密封軸桿、偏導輪、刮刀、過濾器等零部件。
1.3、包裝機械
UHMWPE的高耐磨性、低摩擦因數和不粘性,使其在包裝機械中比某些金屬和其它塑膠更適用,可代替磷青銅和氟塑膠。
用UHMWPE取代改性氟塑膠製作導軌、傳送裝置的滑塊座、固定板等,不僅大大降低了設備投資費用,而且可延長使用壽命10~50倍。
一條液體洗滌劑生產線裝置上的計時星輪,用UHMWPE取代原來的層壓熱固性塑膠後,使過去易磨損、易劃傷瓶且容易變軟的問題迎刃而解,大大減少了備用件費用,有UHMWPE製造的計時螺桿,也已在許多裝瓶線上作為標準部件使用。
西方一個大啤酒廠,用UHMWPE製作了一條約1.6km長的板帶式瓶子傳送帶,比用磷青銅製作的傳送帶耐用幾倍。
國外一個汽車組裝廠的輸送線上,鏈條驅動鏈輪使小車在鋼板傳送平台上運動,由於鏈條與鋼板的摩擦,鏈條極易損壞。採用UHMWPE板材替換鋼板,使磨損大大降低,同時也減少了動力消耗。
1.4、通用機械
由於UHMWPE具有優良的耐磨性、耐衝擊性,它在機械製造行業中得到廣泛套用,可製作各種齒輪、凸輪、葉輪、滾輪、滑輪、軸承、軸瓦、軸套、削軸、墊片、密封墊、彈性聯軸節、螺釘等機械零部件。
2、以自潤滑性和不粘性為主的套用
2.1、材料儲運
UHMWPE可製作裝煤、水泥、石灰、礦粉、鹽、穀物之類粉狀材料的料斗、料倉、滑槽的襯裡,由於它具有優良的自潤滑性、不粘性,可使上述粉狀材料對儲運設備不發生粘附現象,保證穩定輸送。
煤、礦粉、糧食等的料斗過去採用不鏽鋼襯裡進行裝箱運輸,現改用UHMWPE襯裡,長期使用時,可減少發熱現象,寶鋼運送礦石的料斗採用UHMWPE,要比原先採用的金屬材料使用壽命提高10~50倍。用UHMWPE製作料斗襯裡便於施工、成本低,所以大發電廠輸送煤的加料斗也採用了UHMWPE襯裡。
採煤場的煤溜槽採用UHMWPE製造,可降低傾斜角度,從而提高開採量。輸送40萬t煤而不需要更換料槽,其使用壽命比襯鎂合金的流料槽提高2倍。
UHMWPE用於流砂等的固體輸送管道,與鋼管相比壽命提高18倍,成本降至1/25,與尼龍管相比壽命提高3倍,成本降至1/8。在輸送時,管內阻力比金屬管小25%,大大提高了輸送效率。
在滑槽、鏟斗和礦石車廂的內襯等方面,用傳統金屬材料時,遇到寒冷潮濕天氣,物料就會凍結在金屬上,而採用UHMWPE則不會,從而大大減少了卸貨時間。在散裝貨船的自卸漏斗上內襯一層UHMWPE板材後,平均卸貨時間由原來的16~20h減少到8h。
2.2農業、建築機械
UHMWPE自潤滑性優異,泥土在其表面容易滑動,而不會發生粘著,而且其耐衝擊性、耐磨損性優良,適於製作農業和建築機械的零部件。如聯合收割機的滑動板、犁具外襯板、退土機的刮板、挖土機鏟斗的內襯、翻斗車車廂的內襯等,可大幅度提高工作效率,減少能耗。
2.3文體用品
利用UHMWPE的自潤滑性和耐磨性及耐寒性,可用語滑冰、滑雪板底板,歐美主要採用UHMWPE製造;用UHMWPE覆蓋滑雪道(層厚20mm),滑板最高速度可達110km/h。
日本三井石油化學公司製造的UHMWPE滑冰場,1975年在Kagoshima縣對外開放,其造價為一般滑冰場的1/4。
3、以耐腐蝕性和不吸水性為主的套用
UHMWPE具有優良的化學穩定性和不吸水性,可用做各種溶液存儲設備的鋪面材料和大型包裝容器,如浮筒、接水槽,汽油箱、農藥容器以及用語太陽能設備的退水容器等。這也是UHMWPE目前套用最廣泛的領域之一。
UHMWPE容器具有優良的落下衝擊強度。如果將容器裝水20kg,從高空跌落至10mm厚的鐵板上,普通聚乙烯容器的破壞高度僅為9M,而UHMWPE容器可高達15M以上。
4、以衛生無毒性為主的套用
4.1、食品、飲料工業
UHMWPE具備食品工業所要求的無毒性、耐水性及非黏著性。被指定為可直接與食品接觸使用的材料。可用於啤酒、清涼飲料、調味品等的輸送線。輸送物品時,可以防止瓶子等的破損,降低噪音,減少輸送帶、輸送螺桿等的磨損,並可減少電力損耗,它還可用來製造肉食、牛奶以及糖果蜜餞和麵包食品生產設備的零部件。
4.2、醫療
UHMWPE具有優異的生理惰性和生理適應性,經美國食品及藥物行政管理局、農業部批准,可在醫藥幾與人體接觸的領域使用,如作為心臟瓣膜、矯形外科零件、人工關節及節育植入體等的臨床使用,是理想的醫用高分子材料。有UHMWPE製成的腕臼和金屬股骨組成的人工髖關節,耐磨性和安全性比PTFE更為優異。世界上已有數十萬人接受了這類人工關節的置換。
5、其他性能的套用
5.1、耐低溫性套用
UHMWPE具有優異的耐低溫性能,可套用於各種冷凍機械中,並可作為核工業的耐低溫部件,在低溫超導領域中是較為理想的絕緣材料。UHMWPE對放射線具有優良的遮蔽效果,故可用作原子能
發電站的遮蔽板。
5.2、電絕緣性能套用
UHMWPE電絕緣性能良好,尤其是介電損耗角正切值低,可用於製造電鍍槽、輥子及在高頻和超高頻區間工作的絕緣子、絕緣拖架、電纜管道、短路器、電纜端子和其它電氣裝置。
優勢
與其它工程塑膠相比,UHMWPE耐熱性、剛度和硬度偏低,但可以通過“填充”和“交聯”等方法來改善;從耐熱性來看,UHMWPE的熔點(136℃)與普通聚乙烯大體相同,但因其分子量大,熔融粘度高,故加工難度大。