超高分子量聚乙烯的性能分析与应用探究

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）一般是指相对分子质量在150×104以上的聚乙烯，是一种新型工程塑料。平均相对分子质量为200×104的UHMWPE，其密度仅为0.935g／cm3，比其他所有工程塑料都低，一般比PTFE低50％以上比聚甲醛低30％以上，因此其制品具有轻量化的特点。超高分子量聚乙烯具有多种优良的力学性能、物理性能、化学性能，非常耐磨损，耐腐蚀，耐冲击，自润滑、摩擦因数小，吸水率低，不易黏附异物，卫生无毒，可回收利用以及耐低温等，特别是其耐磨性尤为突出。其不足是耐热性能差、硬度低、拉伸强度低阻燃性能差。

1.超高分子量聚乙烯的性能数据（见表2-56）

表2-56 超高分子量聚乙烯的性能

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2.力学性能

（1）耐冲击性 UHMWPE的冲击强度在整个工程塑料中名列前茅。即使在低温下也能保持优异的耐冲击性，甚至在液氮中（－196℃）也具有良好的冲击强度，这一特性是其他塑料所不具备的。其冲击强度开始随相对分子质量的增大而提高，在相对分子质量为150×104左右达到最大值，其后随相对分子质量的升高而逐渐下降。UHMWPE的冲击强度约为聚碳酸酯的2倍，ABS的5倍，PA聚甲醛和PBT的10余倍。

（2）耐磨性 超高分子量聚乙烯的耐磨性居塑料之首，比碳钢、黄铜高数倍，并且随着相对分子质量的增大其耐磨性还能进一步提高。图2-3所示为超高分子量聚乙烯与其他材料的耐磨性比较，试验条件为：砂浆由2质量份水、3质量份砂组成；试件的转速900r／min；运转时间7h。

（3）自润滑性 UHMWPE自润滑性优异，动摩擦因数很低，可以和聚四氟乙烯媲美。表2-57列举了UHMWPE与其他工程塑料动摩擦因数的比较。可以看出，UHMWPE的动摩擦因数在水润滑条件下是PA66和POM的1／2，在无润滑条件下仅次于塑料中自润滑性最好的PT-FE。当它以滑动或转动形式工作时，比钢和黄铜添加润滑油后的滑动性能还要好。而且UHMWPE的价格又较低，因此，在摩擦学领域，被誉为成本性能比非常理想的摩擦材料

图2-3 UHMWPE与其他材料的耐磨性比较

表2-57 UHMWPE与其他工程塑料动摩擦因数的比较

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（4）拉伸强度 UHMWPE的拉伸屈服强度与相对分子质量及密度有关，随着相对分子质量的增大和密度的下降，拉伸屈服强度也随之下降；但当密度为0.94g／cm3或相对分子质量超过150×104时，拉伸屈服强度的变化较小，基本上趋于一个定值。而拉伸断裂强度仅与相对分子质量有关，密度对其影响基本上可以忽略不计。与拉伸屈服强度相反，随着相对分子质量的增大，拉伸断裂强度则相应有所提高。

2.热性能

UHMWPE的耐热性不高，使用温度一般在100℃以下。但由于它的相对分子质量极大，因而它的热变形温度和维卡软化点都高于普通高密度聚乙烯。UH-MWPE的熔点（136℃）与普通高密度聚乙烯大体相同，然而超高分子量聚乙烯具有非常优良的耐低温性能，在所有塑料中是最佳的，脆化温度在－70℃以下即使在液态氦温度（－269℃）下仍具有一定的冲击强度和耐磨性。工作温度范围为－265～100℃，低温到－195℃时，仍能保持很好的韧性和强度，不致脆裂可以用于低温部件、管道，以及核工业等极低温情况。

3.电性能

与普通聚乙烯相同，UHMWPE的分子链仅由碳、氢元素组成，UHMWPE的各项电性能与相对分子质量的大小无关，所以具有优异的电绝缘性能。它的体积电阻率高达1016～1018Ω·cm，介质损耗角正切为（2～3）×10－4。

4.耐化学药品性

超高分子量聚乙烯具有优良的耐化学药品性能。除荼溶剂外，它几乎不溶于任何有机溶剂。UHMWPE在20℃和80℃的温度下，能在甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、四氯化碳、醋酸乙酯、醋酸丁醋、四氢呋喃、三氯乙烯、二氯乙烷、异丙醇、溴乙烷、四氯乙烯、乙醚、乙二醇单甲醚甲乙酮、醋酸丙酯、醋酸异丙酯、二烷、乙二醇、汽油、庚烷、正己烷、环己烷、二硫化碳、异戊醇、乙酯、甲基异丁基酮、苯甲醇等80余种有机溶剂的任何一种溶剂中浸渍30d，外表无任何反常现象，各种性能也几乎没有变化。这是由于超高分子量聚乙烯在分子结构上没有官能团，而且几乎没有支链和双键以及结晶度高等因素。但它在浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、卤代烃以及芳香烃等溶剂中不稳定，并且随着温度升高氧化速度加快。

5.吸水率

超高分子量聚乙烯的吸水率在工程塑料中是最小的（见表2-58），这是由于超高分子量聚乙烯的分子链仅由碳、氢元素组成，分子中无极性基团，所以吸水率极低。因此，制品即使是在潮湿环境中也不会因吸水而使尺寸发生变化，同时也不会影响制品的精度和耐磨性等力学性能，并且在成型加工前原料不需要干燥处理。

表2-58 几种常见工程塑料的吸水率

6.应用

超高分子量聚乙烯综合性能最佳，已被广泛用于机械、电器、包装容器、化工设备、交通运输、材料储运、输送管道、医疗和体育器材等领域。主要制品有：板材类、管材类、棒材和成品，其中成品包括齿轮、轴承、轴套、滚轮、导轨、滑块、衬块等。从制品的加工工艺上又可分为模压成型、机械加工、挤出成型、注射成型、冲压成型、吹塑成型、辊压成型、热塑性加工成型和拉丝成型等。