UHMWPE

UHMWPE（超高分子量聚乙烯）是一種分子具有線型結構的綜合性能優異能的熱塑性工程塑膠，分子量高達150萬以上。密度小，具有很好的耐磨性、自潤滑性、抗衝擊性、耐腐蝕性等等。

基本介紹

• 中文名：超高分子量聚乙烯
• 外文名：ultra high molecular weight polyethylene
• 分子式：—(CH2-CH2)n—
• 分子量：150萬以上
• 熔點：130～136℃
• 結構類型：線型

前言

根據美國菲利普石油公司的劃分方法，分子量在150萬以上的聚乙烯稱為“UHMWPE”即Ultra-high molecular weight PE ，中文稱超高分子量聚乙烯。德國赫斯特（Hoechst）公司、美國赫爾克樂斯（Hercules）公司和日本三井石油化學公司是世界上生產UHMWPE的三大公司，中國主要生產廠家是北京助劑二廠、上海高橋石化公司化工廠,中國石化齊魯石化分公司。

性能

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，目前還沒有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優異性能。

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。

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。

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的動摩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。

摩擦係數
名稱	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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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	2.12	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

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%。

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。

生產方法

超高分子量聚乙烯，可以用生產普通高密度聚乙烯的方法經過改變工藝條件控制分子量來製得。生產方法有齊格勒法、索爾維法和溶液法。

齊格勒法

齊格勒法即低壓聚合法。它採用四氧化鈦和烷基鋁G 乙基鋁或二乙基氣化鋁)為催化劑，以庚烷或汽油為溶劑，在60-90℃ 和常壓條件下進行聚合。反應裝置一般採用釜式反應器或立式塔型反應器。採用塔型反應器時， 塔底應安裝多層式攪拌螺旋槳。

齊格勒法的生產工藝是:先把懸浮於溶劑中的催化劑和乙烯原料一起送入反應裝置進行聚合，聚合為放熱反應，需冷卻至規定的反應溫度;然後將聚合反應生成物放至催化劑分解槽中，加入甲醇，使催化劑分解;最後經過濾、乾燥，即得到平均分子量為100萬-500萬的UHMWPE 產品。

索爾維法

索爾維法把菲利浦法所採用的環型反應器和以含鎂化合物為載體的齊格勒高效催化劑結合起來的一種新生產方法。

索爾維法以四氯化鈦為催化劑，以烷基鋁化合物等為活化劑，催化劑載體多選用經灼燒成大孔徑的MgCl2或MgCl OH)。此法的特點是將催化劑吸附到比表面大的載體上，讓晶體結構鋪展開，使大部分過渡金屬原子起到聚合活性中心的作用，催化劑效率可達50-600kg 4Tio。

聚合反應在閉環狀反應管中進行，外有冷水夾套，內有高速渦輪攪拌器使催化劑絡合， 並與通入的乙烯和調節密度的共聚單體混合。反應溫度80-90℃，乙烯分壓l.OMPa，反應時間2-3h。生成的漿液經離心過濾，濾餅用蒸汽汽提，除去殘餘溶劑，再經氣流乾燥，可製得平均分子量為150 萬-600 萬的UHMWPE。

溶液法

溶液法以Cr03 為催化劑，Al₂O₃-SiO₂ 為載體，採用C6 烷烴為溶劑，在聚合物熔點溫度以上170-180℃) 進行聚合反應，壓力控制在1.96-2. 94MPa 範圍內;再以乙烯和少量共聚單體己烯為原料，聚合反應時將乙烯及聚乙烯均溶解於溶劑中呈均相反應體系;聚合反應結束後經閃蒸除去乙烯，再經離心分離、濃縮、冷卻析出聚合物。用此法可製得平均分子量大於100萬的UHMWPE。

套用

目前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。

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製造紡織機械零件，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。目前，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。

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，可用於滑冰、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。

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、農藥容器以及用於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。

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膝關節，耐磨性和安全性比PTFE更為優異。目前世界上已有數十萬人接受了這類人工關節的置換。

其他套用

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。

不足之處

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。