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(yōu)異的使用性能,而且屬于價(jià)格適中、性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料,它幾乎集中了各種塑料的優(yōu)點(diǎn),具有普通聚乙烯和其它工程塑料無可比擬的耐磨、耐沖擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收沖擊能、耐低溫、衛(wèi)生、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實(shí)上,目前還沒有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優(yōu)異性能。
耐磨性
UHMWPE的耐磨性居塑料之冠,并超過某些金屬,圖1為UHMWPE與其它材料耐磨性比較。從圖1可以看出,與其它工程塑料相比,UHMWPE的沙漿磨耗指數(shù)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,以致于用一般塑料磨耗實(shí)驗(yàn)法難以測試其耐磨程度,因而專門設(shè)計(jì)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。
耐沖擊性
UHMWPE的沖擊強(qiáng)度,在所有工程塑料中名列前茅,圖2為UHMWPE與其他工程塑料沖擊強(qiáng)度比較,從圖2中可以看出,UHMWPE的沖擊強(qiáng)度約為耐沖擊PC的2倍,ABS的5倍,POM和PBTP的10余倍。耐沖擊性如此之高,以致于采用通常沖擊試驗(yàn)方法難以使其斷裂破壞。其沖擊強(qiáng)度隨分子量的增大而提高,在分子量為150萬時(shí)達(dá)到大值,然后隨分子量的繼續(xù)升高而逐漸下降。值得指出的是,它在液氮中(-195℃)也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度,這一特性是其它塑料所沒有的。此外,它在反復(fù)沖擊表面硬度更高。
自潤滑性
UHMWPE有極低的摩擦因數(shù)(0.05~0.11),故自潤滑性優(yōu)異。表1為UHMWPE與其他工程塑料摩擦因數(shù)比較。從表1可以看出,UHMWPE的動摩擦因數(shù)在水潤滑條件下是PA66和POM的1/2,在無潤滑條件下僅次于塑料中自潤滑性好的聚四氟乙烯(PTFE);當(dāng)它以滑動或轉(zhuǎn)動形式工作時(shí),比鋼和黃銅加潤滑油后的潤滑性還要好。因此,在摩擦學(xué)領(lǐng)域UHMWPE被譽(yù)為成本/性能非常理想的摩擦材料。
名稱
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摩擦系數(shù)
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自潤滑
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水潤滑
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油潤滑
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UHMWPE
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0.10~0.22
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0.05~0.10
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0.05~0.08
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PTFE
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0.04~0.25
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0.04~0.08
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0.04~0.05
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PA66
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0.15~0.40
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0.14~0.19
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0.06~0.11
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POM
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0.15~0.35
|
0.10~0.20
|
0.05~0.10
|
表1 UHMWPE與其它工程塑料摩擦因數(shù)比較
耐化學(xué)藥品性
UHMWPE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性,除強(qiáng)氧化性酸液外,在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)(荼溶劑除外)。
其在20℃和80℃的80種有機(jī)溶劑中浸漬30d,外表無任何反?,F(xiàn)象,其它物理性能也幾乎沒有變化。
沖擊能吸收性
UHMWPE具有優(yōu)異的沖擊能吸收性,沖擊能吸收值在所有塑料中高,因而噪聲阻尼性能很好,具有優(yōu)良的削音效果。
耐低溫性
UHMWPE具有優(yōu)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(yè)的耐低溫部件。
衛(wèi)生性
UHMWPE衛(wèi)生,完全符合日本衛(wèi)生協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn),并得到美國食品及藥物行政管理局和美國農(nóng)業(yè)部的認(rèn)可,可用于接觸食品和藥物。
不粘性
UHMWPE表面吸附能力非常微弱,其抗粘符能力僅次于塑料中不粘性好的PTFE,因而制品表面與其它材料不易粘符。
吸水性小
UHMWPE吸水率很低;一般小于0.01%,僅為PA66的1%,因而在成型加工前一般不必干燥處理。
密度
表2為UHMWPE與其它工程塑料密度比較。由表2可知,UHMWPE的密度比其它所有工程塑料都低,一般比PTFE低56%,比POM低33%,比PBTP低30%,因此其制品非常輕便。
名稱
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相對密度
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UHMWPE密度比其低/%
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PTFE
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2012
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56
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POM
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1.41
|
33
|
PBTP
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1.31
|
30
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PC
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1.20
|
22
|
PA
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1.02—1.14
|
8—18
|
UHMWPE
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0.94
|
表2 UHMWPE 與其它工程塑料密度比較
拉伸強(qiáng)度
由于UHMWPE具有朝拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征,所以有無可匹敵的拉伸強(qiáng)度,因此可通過凝膠紡絲法制得彈性模量和強(qiáng)度的纖維,其拉伸強(qiáng)度高達(dá)3~3.5GPa,拉伸彈性模量高達(dá)100~125GPa;纖維比強(qiáng)度是迄今已商品化的所有纖維中高的,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(yōu)良的電氣絕緣性能,比HDPE更優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性,比HDPE更好的耐疲勞性及耐r-射線能力。
編輯本段應(yīng)用
目前UHMWPE已在紡織、造紙、包裝、運(yùn)輸、進(jìn)寫、化工、采礦、石油、建筑、電氣、食品、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并開始進(jìn)入常規(guī)兵器、船舶、汽車等領(lǐng)域。今后還將擴(kuò)大到宇航和原子能等領(lǐng)域。
耐磨性和耐沖擊性為主的應(yīng)用
1.1、紡織機(jī)械
紡織機(jī)械是UHMWPE早應(yīng)用的領(lǐng)域,早在1958年,就有幾家公司用UHMWPE制造紡織機(jī)械零件,如取代韌性材料中耐用的水牛皮制作的織機(jī)上的皮結(jié),承受40~180次/min長期振動沖擊,其壽命可達(dá)水牛皮結(jié)的5~6倍。目前,國外在每臺織機(jī)上應(yīng)用的UHMWPE零件平均有30件左右,如投梭器、打梭棒、齒輪、聯(lián)結(jié)器、掃花桿、緩沖塊、桿軸套、擺動后梁等耐沖擊磨損零件。
1.2、造紙機(jī)械
造紙機(jī)械是應(yīng)用UHMWPE的第二個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,約在1960年,在一臺削木機(jī)的傳送裝置上次安裝了UHMWPE防磨條,對底板和鏈條起到良好的保護(hù)作用,使用5a基本上無磨損。據(jù)估計(jì),防磨條的壽命要比鏈條的壽命高一倍以上,UHMWPE和不銹鋼、楓木、澆鑄型聚氨脂及層壓酚醛塑料等耐磨材料都層作為吸水箱蓋板使用,但重要的是UHMWPE蓋板對吸水箱上不銹鋼絲網(wǎng)的阻力大大低于其它材料,因此可使昂貴的不銹鋼死網(wǎng)的使用壽命延長。今天,造紙工業(yè)所需UHMWPE用量占總量的10%,如采用UHMWPE制造造紙機(jī)的刮水板、吸水箱蓋板、壓密部件、接頭等;此外UHMWPE也可用來制造造紙機(jī)械的密封軸桿、偏導(dǎo)輪、刮 刀、過濾器等零部件。
1.3、包裝機(jī)械
UHMWPE的高耐磨性、低摩擦因數(shù)和不粘性,使其在包裝機(jī)械中比某些金屬和其它塑料更適用,可代替磷青銅和氟塑料。
用UHMWPE取代改性氟塑料制作導(dǎo)軌、傳送裝置的滑塊座、固 定 板等,不僅大大降低了設(shè)備費(fèi)用,而且可延長使用壽命10~50倍。
一條液體洗滌劑生產(chǎn)線裝置上的計(jì)時(shí)星輪,用UHMWPE取代原來的層壓熱固性塑料后,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(fèi)用,有UHMWPE制造的計(jì)時(shí)螺桿,也已在許多裝瓶線上作為標(biāo)準(zhǔn)部件使用。
西方一個(gè)大啤酒廠,用UHMWPE制作了一條約1.6km長的板帶式瓶子傳送帶,比用磷青銅制作的傳送帶耐用幾倍。
國外一個(gè)汽車組裝廠的輸送線上,鏈條驅(qū)動鏈輪使小車在鋼板傳送平臺上運(yùn)動,由于鏈條與鋼板的摩擦,鏈條極易損壞。采用UHMWPE板材替換鋼板,使磨損大大降低,同時(shí)也減少了動力消耗。
1.4、通用機(jī)械
由于UHMWPE具有優(yōu)良的耐磨性、耐沖擊性,它在機(jī)械制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,可制作各種齒輪、凸輪、葉輪、滾輪、滑輪、軸承、軸瓦、軸套、削軸、墊片、密封墊、彈性聯(lián)軸節(jié)、螺釘?shù)葯C(jī)械零部件。
以自潤滑性和不粘性為主的應(yīng)用
2.1、材料儲運(yùn)
UHMWPE可制作裝煤、水泥、石灰、礦粉、鹽、谷物之類粉狀材料的料斗、料倉、滑槽的襯里,由于它具有優(yōu)良的自潤滑性、不粘性,可使上述粉狀材料對儲運(yùn)設(shè)備不發(fā)生粘附現(xiàn)象,保證穩(wěn)定輸送。
煤、礦粉、糧食等的料斗過去采用不銹鋼襯里進(jìn)行裝箱運(yùn)輸,現(xiàn)改用UHMWPE襯里,長期使用時(shí),可減少發(fā)熱現(xiàn)象,寶鋼運(yùn)送礦石的料斗采用UHMWPE,要比原先采用的金屬材料使用壽命提高10~50倍。用UHMWPE制作料斗襯里便于施工、成本低,所以大發(fā)電廠輸送煤的加料斗也采用了UHMWPE襯里。
采煤場的煤溜槽采用UHMWPE制造,可降低傾斜角度,從而提高開采量。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用于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(shí),管內(nèi)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(nèi)襯等方面,用傳統(tǒng)金屬材料時(shí),遇到寒冷潮濕天氣,物料就會凍結(jié)在金屬上,而采用UHMWPE則不會,從而大大減少了卸貨時(shí)間。在散裝貨船的自卸漏斗上內(nèi)襯一層UHMWPE板材后,平均卸貨時(shí)間由原來的16~20h減少到8h。
2.2農(nóng)業(yè)、建筑機(jī)械
UHMWPE自潤滑性優(yōu)異,泥土在其表面容易滑動,而不會發(fā)生粘著,而且其耐沖擊性、耐磨損性優(yōu)良,適于制作農(nóng)業(yè)和建筑機(jī)械的零部件。如聯(lián)合收割機(jī)的滑動板、犁具外襯板、退土機(jī)的刮板、挖土機(jī)鏟斗的內(nèi)襯、翻斗車車廂的內(nèi)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,歐美主要采用UHMWPE制造;用UHMWPE覆蓋滑雪道(層厚20mm),滑板高速度可110km/h。
日本三井石油化學(xué)公司制造的UHMWPE滑冰場,1975年在Kagoshima縣對外開放,其造價(jià)為一般滑冰場的1/4。
以耐腐蝕性和不吸水性為主的應(yīng)用
UHMWPE具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和不吸水性,可用做各種溶液存儲設(shè)備的鋪面材料和大型包裝容器,如浮筒、接水槽,氣油箱、農(nóng) 藥容器以及用語太陽能設(shè)備的退水容器等。這也是UHMWPE目前應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域之一。
UHMWPE容器具有優(yōu)良的落下沖擊強(qiáng)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(dá)15M以上。
以衛(wèi)生性為主的應(yīng)用
4.1、食品、飲料工業(yè)
UHMWPE具備食品工業(yè)所要求的性、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??捎糜谄【啤⑶鍥鲲嬃稀⒄{(diào)味品等的輸送線。輸送物品時(shí),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,并可減少電力損耗,它還可用來制造肉食、牛奶以及糖果蜜餞和面包食品生產(chǎn)設(shè)備的零部件。
4.2、醫(yī)療
UHMWPE具有優(yōu)異的生理惰性和生理適應(yīng)性,經(jīng)美國食品及藥物行政管理局、農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn),可在醫(yī)藥幾與人體接觸的領(lǐng)域使用,如作為心 臟瓣膜、矯形外科零件、人工關(guān)節(jié)及節(jié)育植入體等的臨床使用,是理想的醫(yī)用高分子材料。有UHMWPE制成的腕臼和金屬股骨組成的人工髖膝關(guān)節(jié),耐磨性和安全性比PTFE更為優(yōu)異。目前上已有數(shù)十萬人接受了這類人工關(guān)節(jié)的置換其他性能的應(yīng)用
?
5.1、耐低溫性應(yīng)用
UHMWPE具有優(yōu)異的耐低溫性能,可應(yīng)用于各種冷凍機(jī)械中,并可作為核工業(yè)的耐低溫部件,在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域中是較為理想的絕緣材料。UHMWPE對放射線具有優(yōu)良的遮蔽效果,故可用作原子能
發(fā)電站的遮蔽板。
5.2、電絕緣性能應(yīng)用
UHMWPE電絕緣性能良好,尤其是介電損耗角正切值低,可用于制造電鍍槽、輥?zhàn)蛹霸诟哳l和頻區(qū)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
與其它工程塑料相比,UHMWPE耐熱性、剛度和硬度偏低,但可以通過“填充”和“交聯(lián)”等方法來改善;從耐熱性來看,UHMWPE的熔點(diǎn)(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。
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