超高分子量聚乙烯製品注射成型技術

超高分子量聚乙烯製品注射成型技術
一、概述
超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）通常指粘均分子量在150萬以上的線性結構聚乙烯（普通聚乙烯的分子量僅2～30萬），由於分子量極高，具有其它塑膠所無可比擬的耐磨、耐衝擊、耐腐蝕、耐低溫、自潤滑、吸收衝擊能、衛生無毒等綜合特性，故被歐美稱為“令人驚異的塑膠”。已逐步套用於紡織、造紙、包裝、運輸、機械、化工、採礦、石油、農業、建築、電氣、食品、醫療、體育及製冷技術等眾多領域。
二、性能與加工
UHMW-PE具有以下優點：
（1）耐磨性居塑膠之冠，比尼龍66（PA-66）、聚四氟乙烯（PTFE）高4倍，是碳鋼、不鏽鋼的7-10倍。
（2）衝擊強度列塑膠之首，是ABS的5倍，且能在液氮溫度（-196℃）下保持，這是其它任何塑膠所沒有的特性。
（3）優良的耐化學腐蝕性。除強氧化性酸液外，在一定溫度和濃度範圍內能耐各種腐蝕性介質（酸、鹼、鹽）及有機介質（萘溶劑除外），在20℃和80℃的80種有機溶劑中浸滯30天，外表無任何反常現象，其它物理性能也幾乎沒有變化。
（4）衝擊能吸收性為最高值，消音性好。
（5）完全衛生無毒，符合日本衛生協會的標準，並得到美國食品及藥物行政管理局（FDA）和美國農業部（USDA）的同意，可用於接觸食品和藥物，並可植入人體。
（6）摩擦係數極低，富自潤滑性。在水潤滑條件下，其動摩擦係數比PA-66和聚甲醛（POM）低一半。在摩擦學領域被評價為“成本／性能非常理想”的摩擦材料。
（7）不粘附，抗粘附能力與特氟隆相當。
（8）優良的耐低溫性，在液氦溫度（-269℃）下仍具一定延展性。
（9）優良的憎水性，吸水率僅為尼龍的1%。
（10）密度為工程塑膠中最小，只有鋼材的1/8。
（11）價格在工程塑膠中最低。
自五十年代末UHMW-PE樹脂實現商品化以來，其消費量一直保持持續增長的勢頭，八十年代以前世界平均年增長率為8.5%，八十年代以後為16%。目前，世界UHMW-PE總生產能力為80kt/年，我國UHMW-PE生產能力為10kt/年。
然而，UHMW-PE由於極高的熔融粘度（幾乎沒有流動性），難以採用傳統的注射和擠出成型方法，長期以來主要採用間歇式的壓制燒結法生產板材和一些簡單零件，生產效率極為低下，限制了UHMW-PE的套用。
而目前國內外已經得到實際套用的200多種UHMW-PE製品中，絕大部分為不規則的非連續截麵製品，只有採用高效的注射成型方法才可能實現大規模的工業化生產。
北京化工大學塑膠機械及塑膠工程研究所於1997年承擔化工部科技開發項目，研製出UHMW-PE專用注射機及其成型工藝、配方，成功地實現了UHMW-PE的高效注射成型，使UHMW-PE的加工技術繼單螺桿擠出管材技術後又躍上一個新的台階。
1999年UHMW-PE加工技術被列入國家科技部和發展計畫委員會共同編制的《當前優先發展的高技術產業化重點領域指南》，這為UHMW-PE注射成型技術及其製品推廣和套用提供了有利的契機。
三、技術特點
本技術從設備和工藝兩方面相結合，即採用根據UHMW-PE加工特性而專門設計的UHMW-PE注射成型機以及合理的成型工藝和配方，實現了UHMW-PE的高效注射。
由於專用設備與普通設備相比，加工能力大大增強，因而降低了對原料流動改性的要求。將粉狀UHMW-PE樹脂與少量助劑經高速混合機混合均勻後，直接加入注射機料斗即可進行注射成型，省卻了造粒改性工藝和設備，並可得到白色本色製品，製品形狀、尺寸穩定性好，物理機械性能優異。設備高度自動化，操作簡便，根據製品種類可實現單腔、雙腔模或多腔模注射，周期短、效率高，生產效率可達：10-25模/h，與傳統的壓制燒結方法相比，生產效率可提高50倍以上，產品成本低，從而實現UHMW-PE產品的多品種、規模化工業生產。
四、原料、生產工藝及設備
1． 原料
UHMW-PE樹脂粉料（北京助劑二廠M2，分子量250萬～300萬）；少量其它助劑。
2．生產工藝
3．設備規格參數
UHMW-PE注射成型機基本型為UZ300型，為電腦全自動注射成型機，主要包括注射系統、鎖模系統、液壓系統、電氣系統等。其參數見表2。
表2 UZ300型注射機規格參數
項目
參數
螺桿直徑 /mm
45
螺桿長徑比
21
理論注射容積 /cm3
286
理論注射量 /g （UHMW-PE）
267
注射壓力 /MPa
191
注射速率 /（g/s）
108
鎖模力 /kN
1200
拉桿有效間距 /mm
400×400
高速混合機（另購）：GH-200型混合機，總容積200L。
5．產品性能指標
見表3。
表3 產品性能指標
項目
單位
測試標準
指標
衝擊強度
J/m
GB1843-80
≥ 600
拉伸強度
MPa
GB1040-79
≥15-20
斷裂伸長率
%
GB1040-79
≥250
磨損量
mg
GB3960-83
≤0.9
五、套用與市場
UHMW-PE以其獨特的使用性能在國民經濟中發揮重要作用，其套用涉及化工機械、紡織機械、造紙機械、食品及包裝機械、採礦機械、一般機械、電氣、低溫工程、醫療、體育及日常生活用品等領域，用作耐衝擊、耐磨損、耐腐蝕、耐低溫、自潤滑的零部件。如：各種輪狀（滾輪、托輪、滑輪、星形輪、鏈輪、齒輪、凸輪、葉輪等）、套狀（無油潤滑軸承、軸瓦、軸套、襯套等）、軸狀（如銷軸、滾軸、聯軸節、軸桿等）、板片狀（墊片、墊圈、密封圈、法蘭、填料、砧板等）、塊狀（滑塊、偏心塊、防磨條等），以及其它複雜形狀的製品如紡織皮結、水錶頂尖、閥門、計數螺桿、鏈條、斷路器、高壓噴嘴、人工髖關節等。
UHMW-PE在實際使用中獲得良好的效果。如：使用UHMW-PE皮結代替紡織機械上的水牛皮結，其耐衝擊次數由原來的1×106次增加到5×106～6×106次；酒廠輸瓶機上安裝UHMW-PE托輪代替原來的金屬託輪，設備維修周期由過去的一、兩個月延長到半年以上，輸瓶機也比以前平穩、輕快；水錶廠水錶頂尖僅一個廠就需140萬隻，試用UHMW-PE替代水錶中的金屬頂尖、襯套，廠方反映壽命延長、效果好；UHMW-PE製成的鏈輪、鏈節、鏈條及組合鏈條，在國外套用已有二十年以上的歷史，在國內初步套用，用戶反映其優點多：產品重量輕，減小了慣性力，改善了機器的運行性能，降低了驅動鏈條所需要的能源消耗、運行成本及噪音，並改善了工作環境，使用壽命長等；肉雞生產線滑架輪使用進口的尼龍雙列向心非標準滾動軸承直接用作滾輪使用，價格昂貴，滾珠有時生鏽，並且內外圈磨損後有滾珠掉落現象，UHMW-PE滾輪通過試用效果良好，價格僅為原滑架輪的1/8；礦井罐籠的滾動罐耳上的滾輪原為橡膠製品，因受摩擦和撞擊，約使用7天就需更換，而UHMW-PE製成的滾輪後，使用壽命達6個月；化肥工業中的一種硫酸注射噴嘴，原來用聚丙烯（PP）材料，改用UHMW-PE後，壽命提高5倍；小型軸流泵上的水潤滑軸套，原來用的是橡膠、銅等材料，存放期間易受環境氣候的影響而發霉、生鏽，不能繼續使用，而用UHMW-PE軸套就不存在這些現象，而且重新使用時不需清理，主機運轉自如、平穩，壽命大大延長；用UHMW-PE材料代替陶瓷工業的滾壓頭，其價格只是後者的1/6，而使用壽命提高了3～5倍。國內通過壓制燒結法生產的推車滾輪、烤麻機配件、踏中桿轉子、紡織皮結等都已得到實際套用。
UHMW-PE注射製品生產效率高、產品價格低、附加值高。以152-35型機械密封彈簧座為例，原採用聚四氟乙烯（PTFE）材料，製品單重42g，每個售價5.04元（12萬元/t），製品售價/原料成本＝1.5，而採用UHMW-PE注射成型，製品單重35g，每個若售價3.50～4.90元（10～14萬元/t），製品售價/原料成本＝7～10，故UHMW-PE注射製品性能/價格比極優。
通過注射成型技術可實現各種UHMW-PE零部件的大批量生產，取代碳鋼、銅、尼龍、聚甲醛、聚四氟乙烯等材料。