王新威，孫勇飛，張玉梅，李建龍，吳向陽(yáng)

（1.上海化工研究院，上海 200062；2.上海聯(lián)樂(lè)化工科技有限公司，上海 201512；3.上海市聚烯烴催化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

0 前言

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）被稱為“21世紀(jì)的神奇塑料”，具有其它材料不可比擬的優(yōu)異性能［1－5］，主要表現(xiàn)如下：

（1）耐磨性能非常優(yōu)異，是其它塑料的5～7倍，鋼鐵的7～10倍，銅的27倍；

（2）抗沖擊強(qiáng)度極高，比PA 6和PP 的高10倍；

（3）能吸收震動(dòng)沖擊能量和防止噪聲；

（4）摩擦因數(shù)很低（0.05～0.11），能自潤(rùn)滑；

（5）不易黏附異物，滑動(dòng)時(shí)有優(yōu)良的抗黏著性；

（6）耐化學(xué)腐蝕；

（7）工作溫度范圍寬廣，從－265 ℃到＋80℃，均能保持很好的韌性和強(qiáng)度；

（8）無(wú)毒，可循環(huán)回收利用。

UHMWPE的制品有：纖維、板材、管材、隔膜、棒材、多孔材和異型材等。UHMWPE及其制品的產(chǎn)業(yè)發(fā)展包括UHMWPE催化劑技術(shù)，UHMWPE樹(shù)脂聚合及產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，UHMWPE 板材、管材、型材專用樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)與制品加工技術(shù)，以及UHMWPE纖維、鋰電池隔膜專用樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)與制備技術(shù)［6－7］等。

1 UHMWPE的應(yīng)用領(lǐng)域

UHMWPE廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、海洋工程、軌道交通、市政建設(shè)、新能源材料等關(guān)鍵領(lǐng)域［8－25］。

1.1 航空航天

（1）大飛機(jī)翼尖 UHMWPE 纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐沖擊，能替代一些飛機(jī)的非高溫部位的金屬材料，用于飛機(jī)翼尖等部件。

（2）輸送介質(zhì)軟管 UHMWPE 管材質(zhì)量輕、柔軟性好、壽命長(zhǎng)、耐低溫性能優(yōu)異，可用于高空飛機(jī)加油管道。

（3）飛機(jī)雷達(dá)罩 UHMWPE 纖維的介電常數(shù)低，介電損耗低，電信號(hào)失真小，透射系數(shù)高，用于雷達(dá)罩基材的性能參數(shù)均高于常用的玻璃纖維的，是制作高性能輕質(zhì)雷達(dá)罩的首選材料。

（4）航天航空用繩索 UHMWPE 纖維具有高模量、高強(qiáng)度，耐低溫性能優(yōu)異等特性，適用于航天降落傘、飛機(jī)懸吊重物的繩索、高空氣球的吊索等。

1.2 國(guó)防軍工

（1）防彈衣及防彈頭盔 UHMWPE 纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能優(yōu)異，其比沖擊吸收能量分別是E玻璃纖維復(fù)合材料、芳綸及碳纖維的1.8倍、2.6倍和3.0倍，成功應(yīng)用于單兵防彈裝備和大型作戰(zhàn)平臺(tái)防彈裝甲上。

（2）防切割手套 UHMWPE 纖維手套是高端的防刺產(chǎn)品，具有耐磨損、抗切割等特點(diǎn)，使用壽命比普通手套的長(zhǎng)4～6倍。

1.3 海洋工程

（1）繩類(lèi)產(chǎn)品 UHMWPE 纖維編織加工成高強(qiáng)度繩索，具有質(zhì)量輕、操作方便、破斷拉力高、可撓性強(qiáng)，還具有耐磨、耐海水腐蝕、抗紫外線、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，比同等直徑的鋼絲纜繩輕87.5%，而強(qiáng)度卻高出50%；與芳綸纖維制成的繩索相比，其直徑減少12%，質(zhì)量減輕52%，而強(qiáng)度提高10%，尤其適用于船用泊繩、拖繩，超級(jí)油輪、近海采油平臺(tái)、燈塔的固定錨繩等海洋工程用纜繩。

（2）漁網(wǎng) UHMWPE 纖維加工的漁網(wǎng)比普通聚乙烯纖維漁網(wǎng)輕50%以上。進(jìn)行捕撈作業(yè)時(shí)，既可增加捕撈量，又可減少拖網(wǎng)的水阻，從而提高速度，降低漁船的能耗，尤其適合于快速發(fā)展的遠(yuǎn)洋捕撈業(yè)。

（3）輸油及輸砂管道 UHMWPE 管材具有良好的耐磨性、耐蝕性、抗沖擊性能和自潤(rùn)滑性能，用于海洋工程中的輸油管和輸砂管時(shí)具有其它金屬及合金管道無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可大大減少由于結(jié)蠟而引起的結(jié)垢堵塞現(xiàn)象；UHMWPE 管道耐低溫，在－40 ℃情況下仍具有良好力學(xué)性能，可在一些極端環(huán)境下完成原油、海砂的輸送。

（4）海洋工程襯板及護(hù)舷板 UHMWPE 具有優(yōu)異的抗沖擊性能及耐海水腐蝕性能，可以塑代鋼，用于港口、船舶及海洋平臺(tái)等不同應(yīng)用領(lǐng)域的輕質(zhì)襯板、護(hù)舷板等。

（5）其它海洋工程產(chǎn)品 UHMWPE 具有優(yōu)異的抗沖擊性、耐低溫性、耐腐蝕性，吸水率低，且韌性好，還具有質(zhì)量輕、成本低、維修費(fèi)用低等特點(diǎn)，可用于海水淡化過(guò)濾材料、海上平臺(tái)用懸浮板、浮標(biāo)等。

1.4 軌道交通與市政工程

（1）橋梁支座墊板 UHMWPE 板材、異型材耐低溫性、抗沖擊性能優(yōu)于聚四氟乙烯的，價(jià)格只有聚四氟乙烯的1／3，可用于鐵路／公路連接器件的耐磨板材、支持架、橋梁護(hù)墊、導(dǎo)軌、橋梁緩沖板等。

（2）隧道施工救援通道 UHMWPE 管道質(zhì)量輕，抗沖擊、抗壓性好，耐磨損、抗老化，且耐化學(xué)腐蝕。用于公路隧道施工應(yīng)急救援通道，連接方式簡(jiǎn)單、拆裝方便，可代替目前使用的鋼管。

（3）市政排污管道 以塑代鋼，用于城市污水、工業(yè)污水傳輸，具有使用壽命長(zhǎng)、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

（4）公路護(hù)欄 UHMWPE 護(hù)欄比常用鋼制波形材料，具有更長(zhǎng)的變形弛豫時(shí)間和更大變形量，對(duì)車(chē)輛和乘員的傷害大大減小，安全性更好，且安裝方便，耐腐蝕。

（5）軌道滑塊 UHMWPE 滑塊磨損小，摩擦阻力小，自潤(rùn)滑性好，無(wú)需任何潤(rùn)滑油，而且使用壽命長(zhǎng)，可大大提高軌道物品的運(yùn)行效率。

（6）蛟龍材料 常用的蛟龍材料為鋼材，加工難度大，不耐酸，易生銹腐蝕。UHMWPE 材料耐磨性能優(yōu)良，吸水率極低，耐酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑等各種腐蝕性介質(zhì)，耐低溫性優(yōu)異，可以在極端條件下完成材料的傳送功能。

1.5 新能源材料

鋰電池隔膜［26－29］UHMWPE隔膜是鋰電池隔膜中的高端產(chǎn)品，綜合性能優(yōu)異，特別在高溫下熔體呈凝膠狀，熔而不塌，對(duì)過(guò)度充電或者溫度升高時(shí)短路、爆炸，具有優(yōu)良的安全保護(hù)作用，是動(dòng)力用鋰電池隔膜材料之首選。隔膜成本約占整個(gè)鋰電池成本的30%～40%，投資回報(bào)率卻可達(dá)到70%。近年來(lái)，我國(guó)鋰電池隔膜年消耗量約8億～10億m2，市場(chǎng)價(jià)值超過(guò)100億元。隨著新能源動(dòng)力汽車(chē)的推廣，鋰電池隔膜的使用量將成倍增長(zhǎng)。

2014年，全球UHMWPE的需求量約為18萬(wàn)噸，其中北美占50%，西歐占30%。與北美及西歐市場(chǎng)相比，UHMWPE 在亞洲的消費(fèi)量相對(duì)較小，僅不足15%。在亞洲各國(guó)中，我國(guó)和日本年消費(fèi)量最大，分別為3.2萬(wàn)噸和0.5萬(wàn)噸。UHMWPE在國(guó)內(nèi)擁有很大發(fā)展?jié)摿?，加快我?guó)UHMWPE產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，解決UHMWPE 產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，提高UHMWPE的應(yīng)用能力，意義重大。

2 UHMWPE的加工技術(shù)

2.1 加工中遇到的困難

UHMWPE 由于相對(duì)分子質(zhì)量大，熔體黏度高，加工困難，主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面［30－31］：

（1）熔體黏度高 普通聚乙烯的流動(dòng)性能用熔融指數(shù)表示，一般在0.033 0g／10min范圍內(nèi)，而超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的熔體黏度非常高，熔融指數(shù)測(cè)不出。普通聚乙烯熔融時(shí)呈黏流態(tài)，從口模擠出后立即下垂；而熔融的UHMWPE 從高溫口模擠出時(shí)具有一定的“剛度”，表現(xiàn)為高黏彈態(tài)。采用螺桿擠出時(shí)，UHMWPE 容易在壓縮段堵塞，包附螺桿一起旋轉(zhuǎn)而無(wú)法擠出。其變化過(guò)程為：“粉末—半固體—高黏彈體”。

（2）臨界剪切速率低 UHMWPE 在剪切速率很低（0.01／s）時(shí)就可能產(chǎn)生熔體破裂現(xiàn)象；而普通高密度聚乙烯則在剪切速率達(dá)100／s時(shí)才會(huì)出現(xiàn)熔體破裂現(xiàn)象。因此，在UHMWPE 擠出成型時(shí)，擠出速率不能快，否則，會(huì)造成熔體破裂，表面出現(xiàn)裂紋。在注射成型時(shí)，由于噴流而出現(xiàn)多孔或脫層現(xiàn)象。

（3）摩擦因數(shù)小 UHMWPE 的摩擦因數(shù)極低，即使在熔融狀態(tài)時(shí)也是如此，因此，在進(jìn)料過(guò)程中容易在加料段發(fā)生打滑，無(wú)法向前推進(jìn)。這也是螺桿擠出加工時(shí)遇到的另一難題。

（4）成型溫度范圍窄 易氧化降解。

2.2 主要的加工方法［32－38］

由于UHMWPE 的難加工性，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)主要以燒結(jié)模壓成型的方法加工。隨著加工裝備、加工工藝的改進(jìn)，以及UHMWPE 改性技術(shù)的提升，UHMWPE的擠出成型獲得較大發(fā)展。流動(dòng)改性的UHMWPE 可用于加工高耐磨抗沖擊的UHMWPE 管材；特別是溶液法用于UHMWPE纖維的制備?；诼輻U擠出成型的凍膠紡絲技術(shù)，使UHMWPE加工成為世界第三代高性能纖維—高強(qiáng)度、高模量聚乙烯纖維。

（1）模壓成型 包括模壓－燒結(jié)法、模壓－燒結(jié)－模壓法、快速模壓－燒結(jié)法等工藝技術(shù)，其中模壓－燒結(jié)法是目前用量最大、最原始的方法。它是給模具裝料加壓后，將模具和原料一起放到加熱爐中加熱、塑化，隨后取出冷卻，最后取出制品。在此成型工藝中，關(guān)鍵是控制壓力、燒結(jié)溫度和時(shí)間。模壓成型是制備板材、濾芯等的重要加工方法。

（2）擠出成型 包括單螺桿擠出成型、雙螺桿擠出成型、固態(tài)擠出成型、柱塞式擠出成型及氣輔擠出成型、共潤(rùn)滑擠出成型等工藝，其中螺桿擠出成型使用范圍廣。UHMWPE 改性料的單螺桿擠出可制備不同口徑和壁厚的管道材料；溶液法的雙螺桿擠出成型可制備高性能的UHMWPE纖維和高功能的UHMWPE隔膜等。

（3）注塑成型 注塑成型工藝目前處于推廣應(yīng)用階段，對(duì)樹(shù)脂及加工設(shè)備有較高要求，可進(jìn)行異型材等復(fù)雜件的加工。

（4）其它成型 包括射頻加工成型、激光燒結(jié)法等工藝技術(shù)，其中激光燒結(jié)法是在激光的作用下使物料熔融，并燒結(jié)成固體。激光燒結(jié)設(shè)備有3個(gè)小室，中間的小室是成型室，其內(nèi)有“粉體床”，制品在該室成型，兩旁是供料室。每個(gè)小室都有一個(gè)由活塞控制的平臺(tái)。供料室內(nèi)的平臺(tái)遞增式地向上移動(dòng)以提供新的粉體層；成型室內(nèi)的平臺(tái)遞減式地向下移動(dòng)，這樣下一粉體層就能夠疊放在先前的燒結(jié)層上。其原理類(lèi)似于近年發(fā)展迅速的3D 打印技術(shù)。

3 UHMWPE的研究方向

為了擴(kuò)大UHMWPE 的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)UHMWPE高性能、高功能材料的發(fā)展，須建立超高新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟；集成UHMWPE高效催化、專用樹(shù)脂開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品加工與改性的成套技術(shù)，保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定和功效性能提升；發(fā)展基于新型UHMWPE 樹(shù)脂材料的先進(jìn)紡絲技術(shù)、熱致相分離制膜技術(shù)、高效熔融擠管技術(shù)、樹(shù)脂復(fù)合注塑技術(shù)等，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的高端特種功能材料及其產(chǎn)品的應(yīng)用需求，從而帶動(dòng)汽車(chē)、能源、航空航天、海洋、國(guó)防、醫(yī)療、建筑等國(guó)家重要領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)品更新。主要研究方向包括：

（1）UHMWPE 高效催化劑與樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化能力提升

UHMWPE的催化劑技術(shù)是樹(shù)脂及其制品研究的核心技術(shù)，直接決定著樹(shù)脂及其制品的關(guān)鍵性能與市場(chǎng)應(yīng)用。開(kāi)發(fā)不同功能、性能的UHMWPE樹(shù)脂，須研究開(kāi)發(fā)不同系列的UHMWPE 催化劑，通過(guò)調(diào)整催化劑制備條件和聚合工藝，充分發(fā)揮催化劑的潛能，優(yōu)化聚合條件，解決工程化放大的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)控制樹(shù)脂的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布，分子鏈的支化程度，樹(shù)脂的粒徑及其分布、密度等，生產(chǎn)不同性能的UHMWPE樹(shù)脂。

（2）UHMWPE加工工藝的研究

針對(duì)耐磨抗沖擊板材、管材，高端纖維，鋰電池隔膜等制品，開(kāi)發(fā)UHMWPE 專用樹(shù)脂，同時(shí)設(shè)計(jì)并形成相應(yīng)的凍膠紡絲（濕法路線和干法路線）、熔融紡絲、燒結(jié)、模壓成型、柱塞擠出、注塑擠出、熱致相分離等成型工藝，獲得性能優(yōu)良的高性能纖維、管材、板材、型材、薄膜、濾材等產(chǎn)品。

（3）UHMWPE產(chǎn)品的改性與應(yīng)用研究

克服UHMWPE 材料固有的缺點(diǎn)，開(kāi)展UHMWPE的改性技術(shù)研究，滿足市場(chǎng)需求。如通過(guò)物理共混或化學(xué)處理等方法提高UHMWPE 產(chǎn)品的復(fù)合性能、抗蠕變性能、耐高溫性能等，擴(kuò)大UHMWPE材料在汽車(chē)、能源、航空航天、高鐵橋梁、市政建設(shè)、海洋工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。

（4）建立UHMWPE評(píng)價(jià)表征技術(shù)服務(wù)平臺(tái)

建立健全UHMWPE 專用樹(shù)脂、管材、板材、型材、纖維、隔膜到復(fù)合材料成套表征技術(shù)和結(jié)構(gòu)特征分析體系，形成表征與評(píng)價(jià)方法，建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是世界上已掌握UHMWPE 樹(shù)脂及其產(chǎn)品生產(chǎn)、加工技術(shù)的國(guó)家之一，但與世界先進(jìn)水平相比，UHMWPE的生產(chǎn)、應(yīng)用仍然存在一定差距。主要表現(xiàn)在：產(chǎn)品牌號(hào)相對(duì)單一，產(chǎn)品的性能及其穩(wěn)定性不佳；加工技術(shù)須提高；不同產(chǎn)品的應(yīng)用與市場(chǎng)推廣須加強(qiáng)；企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較小。

上?；ぱ芯吭涸赨HMWPE 催化技術(shù)、UHMWPE 樹(shù)脂聚合與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，以及UHMWPE材料的改性、加工技術(shù)等方面擁有一定的科研基礎(chǔ)，擁有板材壓制、管材擠出、纖維紡絲、隔膜成型等多套的UHMWPE 加工改性的小試和中試裝置，具備完善的UHMWPE 樹(shù)脂及制品的評(píng)價(jià)與檢測(cè)平臺(tái)。2015 年將形成萬(wàn)噸級(jí)的UHMWPE 產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。作為理事長(zhǎng)單位，上?；ぱ芯吭号c國(guó)內(nèi)20多家UHMWPE 行業(yè)的核心單位發(fā)起建立“超高新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”。上?；ぱ芯吭簩⑴c國(guó)內(nèi)同仁一起打造UHMWPE產(chǎn)業(yè)鏈，為我國(guó)UHMWPE 的穩(wěn)步、快速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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