超高分子量聚乙烯复合管

1、 超高分子聚乙烯管道简介： 超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(简称UHMWPE)，是分子量150万以上的聚乙烯。分子式：(CH2-CH2)n。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。世界上最早由美国AlliedChemical 公司于1957年实现工业化，此后德国Hoechst公司、美国Hercules公司、日本三井石油化学公司等也投入工业化生产。我国于1964年最早研 制成功并投入工业生产。限于当时条件，产物分子量约150万左右，随着工艺技术的进步，目前产品分子量可达100万40

2、0万以上。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。而且，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）耐低温性能优异，在-40时仍具有较高的冲击 强度，甚至可在-269下使用。 具有普通聚乙烯和其它工程塑料所无可比拟的综合使用性能：1）耐磨性极高，比尼龙66和聚四氟乙烯高4倍，比碳钢高6倍，是目前所有合成树脂中最好的。2）冲击强度很高，为聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，且能在液氮温度（-196）下保持高韧性。3）自润滑性好，其自润滑性与聚四氟乙烯相当，磨擦系数仅为0.070.11；仅为钢材磨擦系数的1/31/4。4）冲击能吸收值在

3、所有塑料中为最高，消音效果很好。5）化学稳定性很高，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质及有机介质的作用。6）抗粘附能力极强，仅次于“塑料王”聚四氟乙烯。7）完全卫生无毒，可用于接触食品和药物。8）密度在所有工程塑料中最小，比聚四氟乙烯轻56%，比聚碳酸酯轻22%；密谋为钢的1/8，等等。由于以上优异的综合使用性能，UHMWPE被欧美国家称为“令人惊异的塑料”而受到重视，在许多行业获得广泛的应用。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）优异的物理机械性能使它广泛应用于机械、运输、纺织、造纸、矿业、农业、化工及体育运动器械等领域，其中以大型包装容器和管道的应用最为广泛。另外，由于超高分子量聚乙烯（

4、UHMW-PE）优异的生理惰性，已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在临床医学上使用。 我公司均使用400万以上分子量的超高分子量聚乙烯 耐磨性（磨擦系数）耐冲击性：自润滑性：名称动摩擦因数UHMW-PE0.100.220.050.100.050.08PTFE0.040.250.040.080.040.05PA660.150.400.140.190.060.11POM0.150.350.100.200.050.10 自润滑水润滑油润滑 材料橡皮-固体石墨-石墨玻璃-玻璃钢-钢玻璃-金属冰-冰摩擦系数140.10.910.580.50.70.050.15 例子内容氧化铁矿贮斗衬里衬里材料：厚

5、度为1/4的UHMWPE的板材介质：氧化铁颗粒度：80%小于30目29%细粉小于100目产量：13000吨/天应用结果：使用一年后，没发现磨损，粘结和“架桥”现象烧结厂的矿石贮仓衬里材料：厚度为1/4的UHMWPE的板材介质：矿石颗料度：0-1水份：4-7%应用结果：使用一年后，板材磨耗0.039(约mm)，没有发生粘结或滞留现象。煤加工过程溜槽衬里材料：厚度为1/4的UHMWPE的板材介质：原烟煤颗料度为0-1/4、灰份25%、硫：4%，产量：600吨/天，应用结果：使用两年后，没发现磨损、粘结、滞留或“架桥”现象。煤的输送料仓衬里材料：厚度为1/4的UHMWPE的板材介质：带有煤灰的煤浆的

6、煤炭颗粒度：0-1/4的UHMWPE板材产量：3000吨/天。应用结果：使用五年后，没发现明显磨损湿的硫酸钙溜槽衬里材料：厚度为1/4的UHMWPE的板材介质：湿的硫酸钙颗粒度：泥浆装应用结果：该溜槽处于运输带下面，通过该溜槽喂料，把硫酸钙进一步加工。衬里使用一年后，没发现明显磨损，也没发生粘结、滞留现象。超高分子量聚乙烯衬板与不锈钢、微晶板对比分析表名称超高板15mm不锈钢6mm微晶板耐化学腐蚀性（强酸强碱）耐不耐耐韧性（受到较大煤块外力）良好不变形不好易变形不好易碎表面附着性不易易不易滑动磨擦系数（对煤）比重7.8-施工结束仓体增加重量（按300m2计算）4500公斤14000公斤1000

7、0公斤施工维护简单方便复杂 工期长复杂 工期长吸水率较小较小较大负载热变形温度100较大较大冲击强度正常较大较小使用寿命10年10年5年技术参数：复合材料 液晶高分子原位复合材料 液晶高分子原位复合材料是指热致液晶高分子(TLCP)与热塑性树脂的共混物，这种共混物在熔融加工过程中，由于TLCP分子结构的刚直性，在力场作用 下可自发地沿流动方向取向，产生明显的剪切变稀行为，并在基体树脂中原位就地形成具有取向结构的增强相，即就地成纤，从而起到增强热塑性树脂和改善加工流 动性的作用。清华大学赵安赤等采用原位复合技术，对超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）加工性能的改进取得了明显的效果22。用TLCP对

8、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）进行改性，不仅提高了加工时的流动性，采用通常的热塑加工工艺及通用设备就能方便地进行加工，而且可保持较高的拉伸强度和冲击强度，耐磨性也有较大提高。聚合填充型复合材料 高分子合成中的聚合填充工艺是一种新型的聚合方法，它是把填料进行处理，使其粒子表面形成活性中心，在聚合过程中让乙烯、丙烯等烯烃类单体在填料粒子表 面聚合，形成紧密包裹粒子的树脂，最后得到具有独特性能的复合材料。它除具有掺混型复合材料性能外，还有自己本身的特性：首先是不必熔融聚乙烯树脂，可保 持填料的形状，制备粉状或纤维状的复合材料；其次，该复合材料不受填料/树脂组成比的限制，一般可任意设定填料的含量；

9、另外，所得复合材料是均匀的组合物，不受填料比重、形状的限制。 与热熔融共混材料相比，由聚合填充工艺制备的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）复合材料中， 填料粒子分散良好，且粒子与聚合物基体的界面结合也较好。这就使得复合材料的拉伸强度、冲击强度与超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）相差不大，却远远好 于共混型材料，尤其是在高填充情况下，对比更加明显，复合材料的硬度、弯曲强度，尤其是弯曲模量比纯超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）提高许多，尤其适 用作轴承、轴座等受力零部件。而且复合材料的热力学性能也有较好的改善：维卡软化点提高近30，热变形温度提高近20，线膨胀系数下降20%以上。因 此，此材料可用

10、于温度较高的场合，并适于制造轴承、轴套、齿轮等精密度要求高的机械零件。采用聚合填充技术还可通过向聚合体系中通入氢或其它链转移剂，控制超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）分子量大小，使得树脂易加工23。 美国专利24用具有酸中性表面的填料：水化氧化铝、二氧化硅、水不溶性硅酸盐、碳酸钙、碱 式碳酸铝钠、羟基硅灰石和磷酸钙制成了高模量的均相聚合填充超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）复合材料。另有专利25指出，在60，1.3MPa 且有催化剂存在的条件下，使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）在庚烷中干燥的 氧化铝表面聚合，可得到高模量的均相复合材料。齐鲁石化公司研究院分别用硅藻土、高岭土作为填料合成了超

11、高分子量聚乙烯（UHMW-PE）复合材料26。超高分子量聚乙烯的自增强 在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）基体中加入超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维，由于基体和纤维具有相同的化学特征，因此化学相容性好，两组 份的界面结合力强，从而可获得机械性能优良的复合材料。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维的加入可使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的拉伸强度 和模量、冲击强度、耐蠕变性大大提高。与纯超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）相比，在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）中加入体积含量为60%的超高 分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维，可使最大应力和模量分别提高160%和60%。这种自增强的

12、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）材料尤其适用于生物 医学上承重的场合，而用于人造关节的整体替换是近年来才倍受关注的，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）自增强材料的低体积磨损率可提高人造关节的使用寿命。合金化超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）除可与塑料形成合金来改善其加工性能外(见3.2.1和3.2.3)，还可获得其它性能。其中，以PP/超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）合金最为突出。 通常聚合物的增韧是在树脂中引入柔性链段形成复合物(如橡塑共混物)，其增韧机理为“多重银纹 化机理”。而在PP/超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）体系，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）对PP有明显的增韧作用，这

13、是“多重裂纹”理论所无法 解释的。国内最早于1993年报道采用超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）增韧PP取得成功，当超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的含量为15%时，共 混物的缺口冲击强度比纯PP提高2倍以上29。最近又有报道，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）与含乙烯链段的共聚型PP共混，在超高分子量聚乙烯 （UHMW-PE）的含量为25%时，其冲击强度比PP提高一倍多30。以上现象的解释是“网络增韧机理”31。 PP/超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）共混体系的亚微观相态为双连续相，超高分子量聚乙烯 （UHMW-PE）分子与长链的PP分子共同构成一种共混网络，其余PP构成一个PP网络，二

14、者交织成为一种“线性互穿网络”。其中共混网络在材料中起到 骨架作用，为材料提供机械强度，受到外力冲击时，它会发生较大形变以吸收外界能量，起到增韧的作用；形成的网络越完整，密度越大，则增韧效果越好。 为了保证“线性互穿网络”结构的形成，必须使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）以准分子水平分散在PP基体中，这就对共混方式提出了较高的要求。北京化工大学有研究发现：四螺杆挤出机能将超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）均匀地分散在PP基体中，而双螺杆挤出机的共混效果却不佳。 EPDM能对PP/超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）合金起到增容的作用。由于EPDM具备 的两种主要链节分别与PP和超高分子量聚乙烯

15、（UHMW-PE）相同，因而与两种材料都有比较好的亲合力，共混时容易分散在两相界面上。EPDM对复合共 晶起到插入、分割和细化的作用，这对提高材料的韧性是有益的，能大幅度地提高缺口冲击强度。 另外，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）也可与橡胶形成合金，获得比纯橡胶优良的机械性能，如耐摩擦性、拉伸强度和断裂伸长率等。其中，橡胶是在混合过程中于超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的软化点以上进行硫化的。复合化超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）可与各种橡胶(或橡塑合金)硫化复合制成改性PE片材，这些片材可进一步与金属板材制成复合材料。除此之外，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）还可复合在塑料表面以提高

16、耐冲击性能。在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）软化点以上的温度条件下，将含有硫化剂的未硫化橡胶片材与超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）片材压制在一起，可制得剥离强度较高的层合制品，与不含硫化剂的情况相比，其剥离强度可提高数十倍。用这种方法同样可使未硫化橡胶与塑料的合金(如EPDM/PA6、EPDM/PP、SBR/PE)和超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）片材牢固地粘接在一起。技术参数：改性 物理机械性能的改进与其它工程塑料相比，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）具有表面硬度和热变形温度低、弯曲强度以及蠕变性能较差等缺点。这是由于超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的分子结构和分子聚集形态造成的

17、，可通过填充和交联的方法加以改善。填充改性采用玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、炭黑等对超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）进行填充改性，可使表面硬度、刚度、蠕变性、弯曲强度、热变形温度得以较好地改善。用偶联剂处理后，效果更加明显。如填充处理后的玻璃微珠，可使热变形温度提高30。玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉等可提高硬度、刚度和耐温性；二硫化钼、硅油和专用蜡可降低摩擦因数，从而进一步提高自润滑性；炭黑或金属粉可提高抗静电性和导电性以及传热性等。但是，填料改性后冲击强度略有下降，若将含量控制在40%以内，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）仍有相当高的冲击强度。交联

18、交联是为了改善形态稳定性、耐蠕变性及环境应力开裂性。通过交联， 超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的结晶度下降，被掩盖的韧性复又表现出来。交联可分为化学交联和辐射交联。化学交联是在超高分子量聚乙烯（UHMW- PE）中加入适当的交联剂后，在熔融过程中发生交联。辐射交联是采用电子射线或射线直接对超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）制品进行照射使分子发生交 联。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的化学交联又分为过氧化物交联和偶联剂交联。过氧化物交联过氧化物交联工艺分为混炼、成型和交联三步。混炼时将超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）与过氧化物熔融共混，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）在过 氧化物作用

19、下产生自由基，自由基偶合而产生交联。这一步要保证温度不要太高，以免树脂完全交联。经过混炼后得到交联度很低的可继续交联型超高分子量聚乙烯 （UHMW-PE），在比混炼更高的温度下成型为制件，再进行交联处理。超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）经过氧化物交联后在结构上与热塑性塑料、热固性塑料和硫化橡胶都不同，它有体型结构却不是完全交联，因此在性能上兼有三者的特点，即同时具有热可塑性和优良的硬度、韧性以及耐应力开裂等性能。国外曾报道用2，5-二甲基-2，5双过氧化叔丁基己炔-3作交联剂11，但国内很难找到。清华大学用廉价易得的过氧化二异丙苯(DCP) 作为交联剂进行了研究12，结果发现：DCP用量小于

20、1%时，可使冲击强度比纯超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）提高15%20%，特别是DCP 用量为0.25%时，冲击强度可提高48%。随DCP用量的增加，热变形温度提高，可用于水暖系统的耐热管道。偶联剂交联超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）主要使用两种硅烷偶联剂：乙烯基硅氧烷和烯丙基硅氧烷，常用的有乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷。偶联剂一般要靠过氧化物引发，常用的是DCP，催化剂一般采用有机锡衍生物。硅烷交联超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的成型过程首先是使过氧化物受热分解为化学活性很 高的游离基，这些游离基夺取聚合物分子中的氢原子使聚合物主链变为活性游离基，然后与硅烷产生接枝反应，接

21、枝后的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）在水 及硅醇缩合催化剂的作用下发生水解缩合，形成交联键即得硅烷交联超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）。辐射交联在一定剂量电子射线或射线作用下，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）分子结构中的一部分主链或侧链可能被射线切断，产生一定数量的游离基，这些游离 基彼此结合形成交联链，使超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的线型分子结构转变为网状大分子结构。经一定剂量辐照后，超高分子量聚乙烯（UHMW- PE）的蠕变性、浸油性和硬度等物理性能得到一定程度的改善。用射线对人造超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）关节进行辐射，在消毒的同时使其发生交联，可增强人造关节的硬度和

22、亲水性，并且使耐蠕变性得以提高13，从而延长其使用寿命。有研究14表明，将辐照与PTFE接枝相结合，也可改善超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的磨损和蠕变行为。这种材料具有组织容忍性，适于体内移植。技术参数：加工性能改进 超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）树脂的分子链较长，易受剪切力作用发生断裂，或受热发生降解。因此，较低的加工温度，较短的加工时间和降低对它的剪切是非常必要的。为了解决超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的加工问题，除对普通成型机械进行特殊设计外，还可对树脂配方进行改进：与其它树脂共混或加入流动改性剂，使之能在普通挤出机和注塑机上成型加工，这就是2.2.2中介绍的润滑挤出(注射)

23、。共混改性 共混法改善超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）的熔体流动性是最有效、最简便和最实用的途径。目前，这方面的技术多见于专利文献。共混所用的第二组份主 要是指低熔点、低粘度树脂，有LDPE、HDPE、PP、聚酯等，其中使用较多的是中分子量PE(分子量40万60万)和低分子量PE(分子量 2200ml/gPowder, concentration in decahydronaphthalene:0,0002 g/ml堆积密度g/cmDIN 53466powderMECHANICAL PROPERTIES,MECHANICAL PROPERTIES, measured under standa

24、rd conditions,ISO 291-23/50屈服应力 17MPaISO 527, part 1/2;test speed 50 mm/minMulti-purpose test specimen(ISO 3167)屈服延伸率 50%ISO 527, part 1/2;test speed 50 mm/minMulti-purpose test specimen(ISO 3167)拉伸弹性模量MPaISO 527, part 1/2;test speed 1 mm/minMulti-purpose test specimen(ISO 3167)拉伸蠕变模量， 1 hour valueMPaISO 899, part 1;elongation