一、材料介紹
 
超高分子量聚乙烯英文名ultra-high molecular weight polyethylene(簡稱UHMWPE)，是分子量150萬以上的無支鏈的線性聚乙烯。分子式：—(—CH2-CH2—)—n—，密度：0.920～0.964g/cm3。熱變形溫度(0.46MPa)85℃，熔點(diǎn)130～136℃。
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種線型結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料。
超高分子量聚乙烯是一種高分子化合物，很難加工，并且具有超強(qiáng)的耐磨性、自潤滑性，強(qiáng)度比較高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化性能強(qiáng)，
成型加工
由于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）熔融狀態(tài)的粘度高達(dá)108Pa*s，流動(dòng)性極差，其熔體指數(shù)幾乎為零，所以很難用一般的機(jī)械加工方法進(jìn)行加工。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展，通過對(duì)普通加工設(shè)備的改造，已使超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由最初的壓制-燒結(jié)成型發(fā)展為擠出、吹塑和注射成型以及其它特殊方法的成型。
 
二、加工成型
1.壓制燒結(jié)
(1)壓制燒結(jié)是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）最原始的加工方法。此法生產(chǎn)效率頗低，易發(fā)生氧化和降解。為了提高生產(chǎn)效率，可采用直接電加熱法
(2)超高速熔結(jié)加工法，采用葉片式混合機(jī)，葉片旋轉(zhuǎn)的最大速度可達(dá)150m/s，使物料僅在幾秒內(nèi)就可升至加工溫度。
2.擠出成型
擠出成型設(shè)備主要有柱塞擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)。雙螺桿擠出多采用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)。
3.注塑成型
日本三井石油化工公司于1974年開發(fā)了注塑成型工藝，并于1976年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，之后又開發(fā)了往復(fù)式螺桿注塑成型技術(shù)。1985年美國Hoechst公司也實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的螺桿注塑成型工藝。我國1983年對(duì)國產(chǎn)XS-ZY-125A型注射機(jī)進(jìn)行了改造，成功地注射出啤酒罐裝生產(chǎn)線用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）托輪、水泵用軸套，1985年又成功地注射出醫(yī)用人工關(guān)節(jié)等。
4.吹塑成型
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）加工時(shí)，當(dāng)物料從口模擠出后，因彈性恢復(fù)而產(chǎn)生一定的回縮，并且?guī)缀醪话l(fā)生下垂現(xiàn)象，故為中空容器，特別是大型容器，如油箱、大桶的吹塑創(chuàng)造了有利的條件。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）吹塑成型還可導(dǎo)致縱橫方向強(qiáng)度均衡的高性能薄膜，從而解決了HDPE薄膜長期以來存在的縱橫方向強(qiáng)度不一致，容易造成縱向破壞的問題。
5.輥壓成型
輥壓成型是一種固態(tài)加工方法，即在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的熔點(diǎn)以下對(duì)其施加高壓，通過粒子形變，有效地將粒子與粒子融合。主要設(shè)備是一帶有螺槽的旋轉(zhuǎn)輪和一帶有舌槽的弓形滑塊，舌槽與螺槽垂直。在加工過程中有效地利用了物料與器壁之間的摩擦力，產(chǎn)生的壓力足夠使超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粒子發(fā)生形變。在機(jī)座末端裝有加熱支臺(tái)，經(jīng)過模口擠出物料。如將此項(xiàng)輥壓裝置與擠壓機(jī)聯(lián)用，可使加工過程連續(xù)化。
三、改性

性能

與其它工程塑料相比，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有表面硬度和熱變形溫度低、彎曲強(qiáng)度以及蠕變性能較差等缺點(diǎn)。這是由于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的分子結(jié)構(gòu)和分子聚集形態(tài)造成的，可通過填充和交聯(lián)的方法加以改善。

填充

采用玻璃微珠、玻璃纖維、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二鋁、二硫化鉬、炭黑等對(duì)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）進(jìn)行填充改性，可使表面硬度、剛度、蠕變性、彎曲強(qiáng)度、熱變形溫度得以較好地改善。用偶聯(lián)劑處理后，效果更加明顯。如填充處理后的玻璃微珠，可使熱變形溫度提高30℃。
玻璃微珠、玻璃纖維、云母、滑石粉等可提高硬度、剛度和耐溫性；二硫化鉬、硅油和專用蠟可降低摩擦因數(shù)，從而進(jìn)一步提高自潤滑性；炭黑或金屬粉可提高抗靜電性和導(dǎo)電性以及傳熱性等。但是，填料改性后沖擊強(qiáng)度略有下降，若將含量控制在40%以內(nèi)，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）仍有相當(dāng)高的沖擊強(qiáng)度。

加工

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）樹脂的分子鏈較長，易受剪切力作用發(fā)生斷裂，或受熱發(fā)生降解。因此，較低的加工溫度，較短的加工時(shí)間和降低對(duì)它的剪切是非常必要的。
為了解決超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的加工問題，除對(duì)普通成型機(jī)械進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)外，還可對(duì)樹脂配方進(jìn)行改進(jìn)：與其它樹脂共混或加入流動(dòng)改性劑，使之能在普通擠出機(jī)和注塑機(jī)上成型加工。

共混

共混法改善超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的熔體流動(dòng)性是最有效、最簡便和最實(shí)用的途徑。這方面的技術(shù)多見于專利文獻(xiàn)。共混所用的第二組份主要是指低熔點(diǎn)、低粘度樹脂，有LDPE、HDPE、PP、聚酯等，其中使用較多的是中分子量PE(分子量40萬～60萬)和低分子量PE(分子量<40萬)。當(dāng)共混體系被加熱到熔點(diǎn)以上時(shí)，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）樹脂就會(huì)懸浮在第二組份樹脂的液相中，形成可擠出、可注射的懸浮體物料。
(1)與低、中分子量PE共混
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）與分子量低的LDPE(分子量1，000～20，000，以5，000～12，000為最佳)共混可使其成型加工性獲得顯著改善，但同時(shí)會(huì)使拉伸強(qiáng)度、撓曲彈性等力學(xué)性能有所下降。HDPE也能顯著改善超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的加工流動(dòng)性，但也會(huì)引起沖擊強(qiáng)度、耐摩擦等性能的下降。為使超高分子量聚乙烯（UHMWPE）共混體系的力學(xué)性能維持在一較高水平，一個(gè)有效的補(bǔ)償辦法是加入PE成核劑，如苯甲酸、苯甲酸鹽、硬脂酸鹽、己二酸鹽等，可以借PE結(jié)晶度的提高，球晶尺寸的微細(xì)均化而起到強(qiáng)化作用，從而有效阻止機(jī)械性能的下降。有專利指出，在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）/HDPE共混體系中加入很少量的細(xì)小的成核劑硅灰石(其粒徑尺寸范圍5nm～50nm，表面積100m2/g～400m2/g)，可很好地補(bǔ)償機(jī)械性能的降低。
(2)共混形態(tài)
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的化學(xué)結(jié)構(gòu)雖然與其它品種的PE相近，但在一般的熔混設(shè)備和條件下，它們的共混物都難以形成均勻的形態(tài)，這可能與組份之間粘度相差懸殊有關(guān)。采用普通單螺桿混煉得到的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）/LDPE共混物，兩組份各自結(jié)晶，不能形成共晶，超高分子量聚乙烯UHMWPE基本上以填料形式分散于LDPE基體中。熔體長時(shí)間處理和使用雙輥煉塑機(jī)混煉，兩組份之間作用有所加強(qiáng)，性能亦有進(jìn)一步的改善，不過仍不能形成共晶的形態(tài)。
Vadhar發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用兩步共混法，即先在高溫下將超高分子量聚乙烯UHMWPE熔融，再降到較低溫度下加入LLDPE進(jìn)行共混，可獲得形成共晶的共混物。Vadher用溶液共混法也得到了能形成共晶的超高分子量聚乙烯UHMWPE/LLDPE共混物。
(3)共混物的力學(xué)強(qiáng)度
對(duì)于未加成核劑的超高分子量聚乙烯UHMWPE/PE體系，其在冷卻過程中會(huì)形成較大的球晶，球晶之間存在著明顯的界面，而在這些界面上存在著由分子鏈排布不同引起的內(nèi)應(yīng)力，由此會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，所以與基體聚合物相比，共混物的拉伸強(qiáng)度常常有所下降。當(dāng)受到外力沖擊時(shí)裂紋會(huì)很快地沿球晶界面發(fā)展而導(dǎo)致最后的破碎，因此又引起沖擊強(qiáng)度的下降。
交聯(lián)
交聯(lián)是為了改善形態(tài)穩(wěn)定性、耐蠕變性及環(huán)境應(yīng)力開裂性。通過交聯(lián)，超高分子量聚乙烯UHMWPE的結(jié)晶度下降，被掩蓋的韌性復(fù)又表現(xiàn)出來。交聯(lián)可分為化學(xué)交聯(lián)和輻射交聯(lián)?；瘜W(xué)交聯(lián)是在超高分子量聚乙烯UHMWPE中加入適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑后，在熔融過程中發(fā)生交聯(lián)。輻射交聯(lián)是采用電子射線或γ射線直接對(duì)超高分子量聚乙烯UHMWPE制品進(jìn)行照射使分子發(fā)生交聯(lián)。超高分子量聚乙烯UHMWPE的化學(xué)交聯(lián)又分為過氧化物交聯(lián)和偶聯(lián)劑交聯(lián)。

過氧化物

過氧化物交聯(lián)工藝分為混煉、成型和交聯(lián)三步?；鞜挄r(shí)將超高分子量聚乙烯UHMWPE與過氧化物熔融共混，超高分子量聚乙烯UHMWPE在過氧化物作用下產(chǎn)生自由基，自由基偶合而產(chǎn)生交聯(lián)。這一步要保證溫度不要太高，以免樹脂完全交聯(lián)。經(jīng)過混煉后得到交聯(lián)度很低的可繼續(xù)交聯(lián)型超高分子量聚乙烯UHMWPE，在比混煉更高的溫度下成型為制件，再進(jìn)行交聯(lián)處理。
超高分子量聚乙烯UHMWPE經(jīng)過氧化物交聯(lián)后在結(jié)構(gòu)上與熱塑性塑料、熱固性塑料和硫化橡膠都不同，它有體型結(jié)構(gòu)卻不是完全交聯(lián)，因此在性能上兼有三者的特點(diǎn)，即同時(shí)具有熱可塑性和優(yōu)良的硬度、韌性以及耐應(yīng)力開裂等性能。
國外曾報(bào)道用2，5-二甲基-2，5雙過氧化叔丁基己炔-3作交聯(lián)劑，但國內(nèi)很難找到。清華大學(xué)用廉價(jià)易得的過氧化二異丙苯(DCP)作為交聯(lián)劑進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：DCP用量小于1%時(shí)，可使沖擊強(qiáng)度比純超高分子量聚乙烯UHMWPE提高15%～20%，特別是DCP用量為0.25%時(shí)，沖擊強(qiáng)度可提高48%。隨DCP用量的增加，熱變形溫度提高，可用于水暖系統(tǒng)的耐熱管道。（考慮到材料加工溫度，DCP不太可行？）

偶聯(lián)劑

超高分子量聚乙烯UHMWPE主要使用兩種硅烷偶聯(lián)劑：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。偶聯(lián)劑一般要靠過氧化物引發(fā)，常用的是DCP，催化劑一般采用有機(jī)錫衍生物。
硅烷交聯(lián)超高分子量聚乙烯UHMWPE的成型過程首先是使過氧化物受熱分解為化學(xué)活性很高的游離基，這些游離基奪取聚合物分子中的氫原子使聚合物主鏈變?yōu)榛钚杂坞x基，然后與硅烷產(chǎn)生接枝反應(yīng)，接枝后的超高分子量聚乙烯UHMWPE在水及硅醇縮合催化劑的作用下發(fā)生水解縮合，形成交聯(lián)鍵即得硅烷交聯(lián)超高分子量聚乙烯UHMWPE。

輻射交聯(lián)

在一定劑量電子射線或γ射線作用下，超高分子量聚乙烯UHMWPE分子結(jié)構(gòu)中的一部分主鏈或側(cè)鏈可能被射線切斷，產(chǎn)生一定數(shù)量的游離基，這些游離基彼此結(jié)合形成交聯(lián)鏈，使超高分子量聚乙烯UHMWPE的線型分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)。經(jīng)一定劑量輻照后，超高分子量聚乙烯UHMWPE的蠕變性、浸油性和硬度等物理性能得到一定程度的改善。
用γ射線對(duì)人造超高分子量聚乙烯UHMWPE關(guān)節(jié)進(jìn)行輻射，在消毒的同時(shí)使其發(fā)生交聯(lián)，可增強(qiáng)人造關(guān)節(jié)的硬度和親水性，并且使耐蠕變性得以提高，從而延長其使用壽命。
 
高能電子束輻照工藝配方推薦：
生產(chǎn)工藝：采用頓美@交聯(lián)劑作為交聯(lián)劑按照1%量加入到UPE +乙醇（無水）溶液，高速攪拌器下混合，混合后懸浮液在80℃條件下真空烘1h。得到混合物在20MPa,200℃的條件下壓制1h.得到模具進(jìn)行隨機(jī)冷卻工藝（冷卻工藝放入冷壓機(jī)中水壓冷10min，或者無水冷壓1h，或者隨機(jī)冷卻）。輻照設(shè)備采用電子束輻照或鈷源輻照，輻照劑量 2MeV(20000eV)。頓美@交聯(lián)劑可來電頓美公司提供樣品測(cè)試，相關(guān)工藝技術(shù)咨詢。
 
 
四、應(yīng)用
超高分子量聚乙烯UHMWPE纖維是當(dāng)今世界上第三代特種纖維，強(qiáng)度高達(dá)30.8cN/dtex,比強(qiáng)度是化纖中最高的，又具有較好的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐光等優(yōu)良性能。它可直接制成繩索、纜繩、漁網(wǎng)和各種織物：防彈背心和衣服、防切割手套等，其中防彈衣的防彈效果優(yōu)于芳綸。國際上已將超高分子量聚乙烯UHMWPE纖維織成不同纖度的繩索，取代了傳統(tǒng)的鋼纜繩和合成纖維繩等。超高分子量聚乙烯UHMWPE纖維的復(fù)合材料在軍事上已用作裝甲兵器的殼體、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、頭盔等；體育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。