超高相对分子质量聚乙烯管材配方设计与应用

毛泽鹏 张军

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京，210009）

超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）相对分子质量在150万以上，极高的相对分子质量使它具有普通聚乙烯（PE）管材、其他工程塑料管材和很多金属管材所不及的优异性能。目前，国内外研究人员在改进UHMWPE加工性能，提高其耐磨性、强度、硬度，改善流动性，降低摩擦系数等方面进行了大量的研究。

1 UHMWPE 管材材料选择与配方设计

1.1 UHMWPE树脂

UHMWPE与普通PE结构相同，存在熔体黏度高、流动性差、对热剪切不敏感、容易发生剪切断裂或受热发生降解等缺陷，给成型加工带来很大困难。现阶段，UHMWPE管材主要包括螺杆挤出成型和柱塞挤出成型等方法。国内UHMWPE管材一般选择树脂黏均相对分子质量为200万～700万，相对分子质量越大，给加工带来的困难也越大，且需采用特殊设计的挤出设备。“粉体近熔点挤出成型”理念是近期提出的［1］，依据此理念已成功挤出了相对分子质量高达1 050万的UHMWPE管材。

1.2 抗氧剂

由于UHMWPE与普通PE的分子结构完全相同，可认为两者热降解机理相同，均按自由基连锁反应机理进行。通常，UHMWPE管材的挤出加工温度比PE管材高100℃左右，挤出熔体温度一般在220～270℃，很容易引起分子链断裂导致降解，故抗氧剂使用尤显重要。

一般用于UHMWPE的抗氧剂主要有酚类（主抗氧剂）和亚磷酸酯类（辅抗氧剂）。对于受阻酚／亚磷酸酯复合抗氧体系，在抗氧剂种类一定的条件下受阻酚和亚磷酸酯的质量比在1∶（1～3）最佳［2］。

1.3 耐磨剂

研究表明，适量添加经表面处理过的石墨、Al2O3，SiC、二硫化钼（MoS2）、炭黑、聚苯酯、聚丙烯（PP）、玻璃纤维、钛酸钾晶须、聚四氟乙烯、石英砂、超细玻璃微珠等，均可有效提高UHMWPE管材的耐磨性。

Liu G发现，在UHMWPE中添加PP可以明显提高其耐磨性和加工性能［3］。磨损试验中，纯UHMWPE表面可看到明显的划痕沟槽和裂纹，而 UHMWPE／PP共混物表面不明显。UHMWPE主要发生粘着磨损和疲劳磨损［4］，在长时间磨损中，会导致部分聚合物碎片剥落，这些碎片并不随时间延长而明显增加，UHMWPE／PP耐磨性能的改善可能是由于接触面间存在的棒状碎片，有效减少了磨损。

1.4 加工助剂

1.4.1 润滑剂

UHMWPE加工常用润滑剂有固体石蜡或石油提取物、聚乙烯蜡及硬脂酸锌［5］等。

在重均相对分子质量为100万～500万的UHMWPE中添加重均相对分子质量500～10 000、质量分数为0.1%～25.0%的含多个酸性基团的聚合物（优选乙烯－丙烯酸共聚物）及多官能团羧酸盐（优选硬脂酸盐），共混过程中，乙烯－丙烯酸共聚物的酸性基团被硬脂酸盐中和，产生一定数量离子交联，这些交联结构起到了内、外润滑剂的作用，使UHMWPE能够在加工温度150～300 ℃、压力10～40MPa下连续挤出加工［6］。

1.4.2 低相对分子质量树脂

在UHMWPE中添加中低相对分子质量聚乙烯、低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚酯、PP及橡胶等，均可以降低UHMWPE的熔体黏度，改善流动性。然而，此类助剂改善UHMWPE流动性的同时，一般是以牺牲制品的冲击强度、耐磨性及硬度为代价的。常用的改善方法是加入成核剂，如山梨醇缩醛类、山梨醇、对羟基苯甲酸、硬脂酸盐、滑石粉及硅藻土等，成核剂可以提高UHMWPE的结晶度，使生成的球晶小而均匀，有效阻止了力学性能下降。

在UHMWPE中添加质量分数5%～30%的中等相对分子质量PE及少量成核剂热解硅石时，对UHMWPE的物理性能影响不大，但能有效降低加工温度，缩短加工时间［7］。

1.4.3 层状硅酸盐

在UHMWPE中添加层状硅酸盐（主要指高岭土、滑石、蒙脱土和云母），利用硅酸盐片晶之间摩擦因数小的特点，使UHMWPE的流动性得到改善，并保留其原有的物理机械性能。Wen J利用纳米蒙脱土改性UHMWPE时，采用接触压力7MPa、磨损长度15mm、往复频率1Hz的磨损条件，发现添加10%（质量分数）纳米蒙脱土时具有最低摩擦系数，同时在油田污水条件下其摩擦系数和磨损率均远小于聚酰胺（PA）材料［8］。

1.4.4 液晶高分子

清华大学赵安赤利用液晶高分子材料（LCP）改性UHMWPE，取得很大突破。分散相LCP在熔融时处于液晶态，流动性好，故而带动基体材料UHMWPE流动，极大改善了基体材料的流动性，提高了材料的耐磨性和其他力学性能［9］。

国内专利CN101134827A选择UHMWPE 100～400份、液晶高分子材料10～20份、增韧剂15～30份、改性剂0.5～1.5份，其中液晶高分子材料选自牌号为LCP2125，LCP4008，LCP4008L中的任意一种；该改性UHMWPE管材拉伸强度28.5～32.0MPa，冲击强度150kJ／m2，断裂伸长率达420%～470%，无磨损，耐疲劳（拉伸次数）强度80万次以上，环刚度18～19MPa，具有良好的加工流动性，满足熔融连续挤出要求，完全适合煤矿用的各种管材［10］。

1.5 填料

UHMWPE管材中常用的填料包括玻璃微珠、碳纤维、Al2O3，SiO2、滑石粉、CaCO3、高岭土、针状硅灰石、云母、粉煤灰及硅藻土等。这些填料的加入可以提高UHMWPE的热变形温度，改善管材的强度、硬度、刚性、蠕变性及尺寸稳定性等。

Tong J利用硅灰石纤维改性UHMWPE，当硅灰石纤维质量分数不大于20%时，可明显改善UHMWPE的耐磨性；当质量分数为10%时，其耐磨性达到最大，材料磨损表面无明显的划痕和犁沟迹象，局部有不同程度的粘着和塑性变形迹象［11］。Edward G.Howard指出填料的形状、粒度大小及热处理等对材料的性能有很大影响，UHMWPE中填充高岭土，随着填料尺寸变得越小或者越大时，材料的模量变大，拉伸强度变小；热处理的主要目的是除去填料中的水分，以免影响填料与基材界面的黏结力［12］。

2 UHMWPE 管材的应用

目前，大多数塑料或金属管材在输送介质时，主要以水作为输送物质的载体，而各种固体颗粒、粉体、浆体（固液混合物）、腐蚀性流体等的输送，磨损工况比水作为载体更加恶劣。因此，又相继开发了特种金属管、特种塑料管、普通塑料／金属复合管、特种塑料／金属复合管。

2.1 UHMWPE特种管材应用

UHMWPE管材输送阻力比金属管小25%，使用寿命比金属管提高10倍左右，是固体、液体、气体三态物质均可输送的高性能工程塑料管材。具体可用于尾矿、泥浆输送、电厂粉煤灰输送及固体粉料输送等。

2.2 UHMWPE／金属复合管材应用

针对UHMWPE管强度低、模量低、耐压性能不足、易蠕变等缺点，利用金属管与UHMWPE管复合可得到综合性能优越的UHMWPE钢塑复合管。其输送压力在3MPa以上，最高可达16 MPa。对于长距离、高压力物料输送，具有潜在优势。其推广使用领域如下：

（1）尾矿输送：莱钢集团鲁南矿业公司［13］对尾矿输送系统进行改造时，考虑到输送压力较大，输送距离较长，故采用UHMWPE钢塑复合管替代原铸铁管道。改造后的管道摩擦阻力小、耐磨损、耐腐蚀、寿命长，节省了人工和电能。

（2）天然气输送：西气东输工程中天然气输送压力多在10MPa以上，且属长距离输送。天然气中含有的H2S气体，可使钢管发生应力腐蚀破裂。采用UHMWPE钢塑复合管，利用内管的耐腐蚀和外管的高耐压性，可有效解决这些问题。

（3）原油输送：传统原油输送中，附着力强的分子会粘附在钢管内壁，形成蜡结，使输油效率降低，严重时，导致凝管事故。同时，多采用阴极保护防止管道腐蚀。UHMWPE钢塑复合管可从根本上解决这些难题。

3 总结

对于UHMWPE，长期以来国内外只能采用压制烧结和柱塞推压等间歇法加工板材、棒材等，管材加工一直难以发展。近年来，随着研究人员在配方设计上不断改进、成型设备上不断创新，UHMWPE管材的挤出成型工艺日趋成熟，生产效率不断提高，应用领域也不断拓宽。尤其是UHMWPE钢塑复合管，其性能等各项指标满足各种恶劣环境下使用，在国内外市场中具有广阔的发展空间。

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［4］ Liu G，Chen Y，Li H.A study on sliding wear mechanism of ultrahigh molecular weight polyethylene／polypropylene blends［J］.Wear，2004，256（11）：1088－1094.

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［13］ 钱曦胤，齐共录.超高分子量聚乙烯复合管在尾矿输送中的应用［J］.金属矿山，2002，313（7）：61－62.