超高分子量聚乙烯生產工藝及材料性能技術參數

1、引言
超高分子量聚乙烯是一種性能優良的工程塑料,廣泛應用于化學工業、食品和飲料加工機械、鑄件、木材加工工業、散裝材料處理、醫療上的人工移植器官、采礦加工機械、紡織機械及交通運輸車輛、體育娛樂設備等領域。它的分子結構與普通聚乙烯的基本相同,但分子量卻高達100萬以上,因而具有不同于普通聚乙烯的一些特殊性能,其中最顯著的應用特性就是能代替鋼材,用來制作管材、化工閥門、泵和密封填料、紡織機械的齒輪和皮結、輸送機的蝸輪桿、軸承、軸瓦、煤塊滑道、各種料斗和筒倉的襯里材料以及食品加工機械的料斗和輥筒、體育用品和溜冰場等。

UHWPE是性能優異的熱塑性工程塑料, 有優異的抗沖, 耐磨,自潤滑等機械性能, 可用于造紙機械, 紡織器材, 化工機械, 物料輸送部門以及食品機械, 文體器械, 高強度模量纖維。在各行業導軌、異型材、耐磨零件、異形件等普遍采用。

2、超高分子量聚乙烯的生產方法和工藝
目前世界各公司均在采用的低壓聚合工藝,超高分子量聚乙烯是由乙烯聚合而成,其合成反應式如下：

2.1超高分子量聚乙烯原料生產采用淤漿法工藝：
超高分子量聚乙烯的生產過程與普通高密度聚乙烯的生產過程相類似,都是采用齊格勒催化劑在一定條件下使乙烯聚合的。也就是說，只要采用齊格勒催化劑并在適當的工藝條件下即可制得超高分子量聚乙烯。
現在，世界上生產超高分子量聚乙烯的各公司均采用齊格勒系催化劑的低壓聚合工藝生產超高分子量聚乙烯。該工藝與高密度聚乙烯的低壓淤漿法工藝十分相近,負載型齊格勒系高效催化劑也比過去更能使催化效率大為提高,并使聚合工藝得以簡化,從而使裝置投資和生產操作費用大幅度降低，使超高分子量聚乙烯的價格成為熱塑性工程塑料中最低廉的一種。超高分子量聚乙烯的生產工藝與低壓淤漿法高密度聚乙烯的生產工藝不同之處僅僅在后階段工藝上超高分子量聚乙烯生產工藝沒有造粒工序，產品呈粉末狀。采用Mg-Ti高效催化劑, 可進行間歇聚合, 長期運轉不需清釜, 聚合產物可達900～1000萬分子量(ISO1628-3標準)，產品外觀為白色粉末。規模在年產1000噸的裝置, 投資約5000萬元。關于超高分子量聚乙烯生產工藝流程，在國外雜志上尚未見發表過。根據國內超高分子量聚乙烯生產工藝并結合國外低壓漿法高密度聚乙烯生產工藝，推測出國外超高分子量聚乙烯專門生產裝置的生產工藝流程如圖1所示：

產品規格及指標：900萬及500萬分子量。
特性粘度＞2200ml/g，
密度：0.935-0.945g/ml，
堆密度：0.35-0.4g/ml，

沖擊強度>150KJ/平方米,
抗拉強度：30～40MPa，
斷裂伸長率>300％，
吸水率小于0.2％。


2.2催化劑的制備
將負載型齊格勒催化劑（如氯化鎂或乙氧基鎂上載有TiCl4催化劑)、烷鋁、如三乙基鋁、己烷溶劑配至一定濃度后用泵打入聚合釜。
2.3聚合
將高純度乙烯、氫氣、催化劑連續不斷地加人聚合反應器中，在80℃及0.98MPa條件下進行淤漿聚合（時間4h)，聚合熱采用聚合釜夾套冷卻及氣體外循環方式除去。聚合物的分子量通過高速工業氣相色譜儀對聚合釜中氣相乙烯和氫的成分進行自動測定來控制，然后用微型電子計算機進行氫-烯比值的計算,并將計算結果作為進聚合釜氫流量調節的給定值，從而實現工業色譜的閉環控制。通過調節聚合釜的各條件（或通過特種催化劑）來控制聚合物的分子量分布。得到的聚合物漿液靠本身的壓力壓到閃蒸釜中，將溶解于溶劑中的少量未反應的乙烯在閃蒸釜中分離出來，由壓縮機升壓后返回聚合釜。
2.4分離及干燥
聚合工段送來的淤漿由離心機分離成濾餅和母液，濾餅經汽提后在蒸汽轉筒干燥器??閃蒸干燥器、沸騰床干燥器、干燥成粉末，干燥后的粉末狀聚合物用氮氣輸送到粉末料斗中。離心機分離出來的母液一部分循環至聚合釜，余下的經汽提后送至溶劑回收工段。從干燥器出來的氣體進人洗滌塔用己烷洗滌，經冷卻器冷卻，回收氣體中的少量己烷后循環使用。
2.5分篩、摻混和包裝
超高分子量聚乙烯粉末進人分篩機，按粒徑尺寸分成幾種不同的規格，不同粒徑規格的超高分子量聚乙烯粉末用氮氣輸送到各自的粉末料倉。超高分子量聚乙烯粉末從料倉經計量器計量后進人摻混機，與進人摻混機的各種添加劑相混合。摻混后的超高分子量聚乙烯（或未經摻混的超高分子量聚乙烯）粉末經風送到包裝料斗,再經包裝機包裝作為成品出廠。
2.6溶劑回收
從分離干燥工段來的溶劑己烷,加入少量堿液中和并用水洗去除雜質,再通過己烷汽提塔分離成低分子量聚合物（低聚物）和己烷,低聚物在熔融狀態下,從塔底排出。從塔頂出來的己烷在己烷脫水塔中除去水分,再經分子篩、己烷干燥器進一步脫除微量水分后,供催化劑和聚合工段使用。
2.7低聚物處理
低聚物貯槽中熔融狀低聚物經切片機切成片狀后送至界區外,另行處理和使用。
2.8性能
雖然超高分子量聚乙烯在結構上與均普通聚乙烯相同，但由于超高分子量聚乙烯的相對分子質量比一般聚乙烯要高得多(普通聚乙烯相對分子質量一般為2萬一30萬，而超高分子量聚乙烯—般為200萬以上)，因此便賦與它許多普通聚乙烯所沒有的優良性能，下面逐一介紹：
2.9.1優良性能
(1)耐磨損性能超高分子量聚乙烯的耐磨損性能居塑料之首，比碳鋼、黃銅還耐磨數倍。圖2—l表示在沙漿磨損法測試下，超高分子量聚乙烯的磨損性能與其他材料的磨損性能比較結果。試驗條件為：沙漿由2份水、3份沙組成；試件的轉速900r／min；運轉時間7h。
 

(2)沖擊性能超高分子量聚乙烯的沖擊強度是現有塑料中的最高值，即使在—70攝氏度時仍有相當高的沖擊強度。圖2—2為超高分子量聚乙烯的沖擊強度與其他幾種常見工程塑料的沖擊強度比較。

(3)自潤滑超高分子量聚乙烯具有很好的自潤滑件能，摩擦系數小，它的摩擦系數可以和聚四氟乙烯(PTFE相媲美，如表2—1所示：與鋼、銅配對使用時不易產生粘著磨損，并且對配偶件磨損?。?
 
(4)吸水性超高分子量聚乙烯的吸水量在工程塑料中是最小的，如表2—2所水。這是出于超高分子量聚乙烯的分子鏈僅由碳氫元素組成，分子中無極性基團所以吸水度極低。出此制品即使足夠潮濕的環境個也不會因吸水而使尺寸發生變化，同時也不會影響制品的精度和耐磨性等機械性能，并且在成型加工前原料也不需要干燥處理。

2.9.2超高分子量聚乙烯常用性能指標
表2-3是超高分子量聚乙烯常見物理、機械性能、熱性能以及電性能等指標。

(1)耐化學藥品性能超高分子量聚乙烯具有優良的耐化學藥品性能，在一定溫度、濃度范圍內許多腐蝕性介質(酸、堿、鹽)及有機溶劑也對它也無可奈何。這是由于超高分子量聚乙烯在分子結構上沒有官能團，而且幾乎沒有支鏈和雙鍵以及結晶度高等因素的緣故。但它在濃硫酸、濃鹽酸、濃硝酸、鹵化烴以及芳香焊等溶劑中不穩定．并且隨著溫度方向氧化速度加快。

(2)衛生無毒超高分子量聚乙烯衛生無毒，符合日本協會標準，并得到美國食品及藥物行政管理局和美國農業部的認證，能夠直接接觸食品和藥品。

(3)不粘附件超高分子量聚乙烯表面吸附力很小，其抗粘附能力僅次于塑料中不粘性最好的聚四氟乙烯，制品表面不易帖附異物。

(4)耐低溫性超高分子量聚乙烯具有非常優良的低溫性能，在所有材料中是最佳的，即使在液態氯溫度(-269℃)下仍有一定沖擊強度和耐磨性。所以用于低溫部件、管道以及核工業等極低溫情況。超高分子量聚乙烯還具有優良的電絕緣性能、減振吸收沖擊能大、應力集中小等優點。超高分子量聚乙烯的耐候性也很優良，勵候性主要是耐紫外線照射能力。影響超高分子量聚乙烯耐候件的主要因素是分子鏈中不飽和基團的種類、數量和相對分子質量等。相對分子質量中的不飽和基團(特別是反式次亞乙烯基和亞乙烯基等)越少、相對分子質量越大，則耐候性越好。

3.影響因素
測試制品的相對分子質量可以反映超高分子量聚乙烯成型加工工藝上的各個參數選擇是否合理，主要驗證的工藝參數有：抗氧劑種類選擇的合理性、燒結溫度的高低、燒結時間的長短、壓力的大小以及冷卻速率等等?？寡鮿┯欣诜乐钩叻肿恿烤垡蚁┭趸到?；燒結溫度高燒結速率快，節省加熱時間，但溫度不能過高，若溫度過高則將出現明顯降解，降低超南分子量聚乙烯的性能；同樣，燒結時間短會出現制品中間存有生料，但若燒結時間過長也會使超高分子量聚乙烯降解；制品的冷卻速度雖然不會使超向分子量聚乙烯降解，但是若冷卻速率過快會降低制品的結品度，影響其機械性能和耐磨性等。
4.結語
近年來,隨著超高分子量聚乙烯在開發應用方面的研究進展,超高分子量聚乙烯的優異特性已逐漸被人們所認識,它的應用范圍也越來越廣泛了。2003年普通高密度聚乙烯的價格在600一700元八之間,而超高分子量聚乙烯的價格在1000元/t左右,兩者成本相當,銷售價格卻不同,可見生產超高分子量聚乙烯的經濟效益比生產普通高密度聚乙烯要好?？梢灶A計,隨著加工技術的發展和應用領域的不斷開發,超高分子量聚乙烯的消費量將不斷增加,發展將十分迅速,因此,超高分子量聚乙烯的生產制備和應用也必將成為人們關注的重點。

參考文獻
許長青主編.合成樹脂及塑料手冊.北京：化學工藝出版社1995.6
劉廣劍.超高分子量的改性·模壓成型工藝及其承載能力的研究.
劉廣劍.改性超高分子量聚乙烯的性能及應用.煤礦機械1997.7
李志良等.超高分子量聚乙烯的性能、加工及應用.現在化工與應用.1986.5;1~10
石安福等.超高分子量聚乙烯的性能、成型加工及應用塑料科技1987.1;12~19