标题：超高分子量聚乙烯制品注射成型技术
　一、概述 
超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）通常指粘均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯（普通聚乙烯的分子量仅2～30万），由于分子量极高，具有其它塑料所无可比拟的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐低温、自润滑、吸收冲击能、卫生无毒等综合特性，故被欧美称为“令人惊异的塑料”。已逐步应用于纺织、造纸、包装、运输、机械、化工、采矿、石油、农业、建筑、电气、食品、医疗、体育及制冷技术等众多领域。
性能与加工
UHMW-PE具有以下优点： 
（1）耐磨性居塑料之冠，比尼龙66（PA-66）、聚四氟乙烯（PTFE）高4倍，是碳钢、不锈钢的7-10倍。 
（2）冲击强度列塑料之首，是ABS的5倍，且能在液氮温度（-196℃）下保持，这是其它任何塑料所没有的特性。 
（3）优良的耐化学腐蚀性。除强氧化性酸液外，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质（酸、碱、盐）及有机介质（萘溶剂除外），在20℃和80℃的80种有机溶剂中浸滞30天，外表无任何反常现象，其它物理性能也几乎没有变化。 
（4）冲击能吸收性为最高值，消音性好。 
（5）完全卫生无毒，符合日本卫生协会的标准，并得到美国食品及药物行政管理局（FDA）和美国农业部（USDA）的同意，可用于接触食品和药物，并可植入人体。 
（6）摩擦系数极低，富自润滑性。在水润滑条件下，其动摩擦系数比PA-66和聚甲醛（POM）低一半。在摩擦学领域被评价为“成本／性能非常理想”的摩擦材料。 
（7）不粘附，抗粘附能力与特氟隆相当。 
（8）优良的耐低温性，在液氦温度（-269℃）下仍具一定延展性。 
（9）优良的憎水性，吸水率仅为尼龙的1%。 
（10）密度为工程塑料中最小，只有钢材的1/8。 
（11）价格在工程塑料中最低。 
自五十年代末UHMW-PE树脂实现商品化以来，其消费量一直保持持续增长的势头，八十年代以前世界平均年增长率为8.5%，八十年代以后为16%。目前，世界UHMW-PE总生产能力为80kt/年，我国UHMW-PE生产能力为10kt/年。 
然而，UHMW-PE由于极高的熔融粘度（几乎没有流动性），难以采用传统的注射和挤出成型方法，长期以来主要采用间歇式的压制烧结法生产板材和一些简单零件，生产效率极为低下，限制了UHMW-PE的应用。 
而目前国内外已经得到实际应用的200多种UHMW-PE制品中，绝大部分为不规则的非连续截面制品，只有采用高效的注射成型方法才可能实现大规模的工业化生产。 
北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所于1997年承担化工部科技开发项目，研制出UHMW-PE专用注射机及其成型工艺、配方，成功地实现了UHMW-PE的高效注射成型，使UHMW-PE的加工技术继单螺杆挤出管材技术后又跃上一个新的台阶。 
1999年UHMW-PE加工技术被列入国家科技部和发展计划委员会共同编制的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》，这为UHMW-PE注射成型技术及其制品推广和应用提供了有利的契机。
技术特点
本技术从设备和工艺两方面相结合，即采用根据UHMW-PE加工特性而专门设计的UHMW-PE注射成型机以及合理的成型工艺和配方，实现了UHMW-PE的高效注射。 
由于专用设备与普通设备相比，加工能力大大增强，因而降低了对原料流动改性的要求。将粉状UHMW-PE树脂与少量助剂经高速混合机混合均匀后，直接加入注射机料斗即可进行注射成型，省却了造粒改性工艺和设备，并可得到白色本色制品，制品形状、尺寸稳定性好，物理机械性能优异。设备高度自动化，操作简便，根据制品种类可实现单腔、双腔模或多腔模注射，周期短、效率高，生产效率可达：10-25模/h，与传统的压制烧结方法相比，生产效率可提高50倍以上，产品成本低，从而实现UHMW-PE产品的多品种、规模化工业生产。
原料
UHMW-PE树脂粉料（北京助剂二厂M2，分子量250万～300万）；少量其它助剂。
设备规格参数
UHMW-PE注射成型机基本型为UZ300型，为电脑全自动注射成型机，主要包括注射系统、锁模系统、液压系统、电气系统等。其参数见表2。 
表2 UZ300型注射机规格参数 
项目 
参数 
螺杆直径 /mm 
45 
螺杆长径比 
21 
理论注射容积 /cm3 
286 
理论注射量 /g （UHMW-PE） 
267 
注射压力 /MPa 
191 
注射速率 /（g/s） 
108 
锁模力 /kN 
1200 
拉杆有效间距 /mm 
400×400 
高速混合机（另购）：GH-200型混合机，总容积200L。 
5．产品性能指标 
见表3。 
表3 产品性能指标 
项目 
单位 
测试标准 
指标 
冲击强度 
J/m 
GB1843-80 
≥ 600 
拉伸强度 
MPa 
GB1040-79 
≥15-20 
断裂伸长率 
% 
GB1040-79 
≥250 
磨损量 
mg 
GB3960-83 
≤0.9
应用
UHMW-PE以其独特的使用性能在国民经济中发挥重要作用，其应用涉及化工机械、纺织机械、造纸机械、食品及包装机械、采矿机械、一般机械、电气、低温工程、医疗、体育及日常生活用品等领域，用作耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、耐低温、自润滑的零部件。如：各种轮状（滚轮、托轮、滑轮、星形轮、链轮、齿轮、凸轮、叶轮等）、套状（无油润滑轴承、轴瓦、轴套、衬套等）、轴状（如销轴、滚轴、联轴节、轴杆等）、板片状（垫片、垫圈、密封圈、法兰、填料、砧板等）、块状（滑块、偏心块、防磨条等），以及其它复杂形状的制品如纺织皮结、水表顶尖、阀门、计数螺杆、链条、断路器、高压喷嘴、人工髋关节等。
市场
UHMW-PE在实际使用中获得良好的效果。如：使用UHMW-PE皮结代替纺织机械上的水牛皮结，其耐冲击次数由原来的1×106次增加到5×106～6×106次；酒厂输瓶机上安装UHMW-PE托轮代替原来的金属托轮，设备维修周期由过去的一、两个月延长到半年以上，输瓶机也比以前平稳、轻快；水表厂水表顶尖仅一个厂就需140万只，试用UHMW-PE替代水表中的金属顶尖、衬套，厂方反映寿命延长、效果好；UHMW-PE制成的链轮、链节、链条及组合链条，在国外应用已有二十年以上的历史，在国内初步应用，用户反映其优点多：产品重量轻，减小了惯性力，改善了机器的运行性能，降低了驱动链条所需要的能源消耗、运行成本及噪音，并改善了工作环境，使用寿命长等；肉鸡生产线滑架轮使用进口的尼龙双列向心非标准滚动轴承直接用作滚轮使用，价格昂贵，滚珠有时生锈，并且内外圈磨损后有滚珠掉落现象，UHMW-PE滚轮通过试用效果良好，价格仅为原滑架轮的1/8；矿井罐笼的滚动罐耳上的滚轮原为橡胶制品，因受摩擦和撞击，约使用7天就需更换，而UHMW-PE制成的滚轮后，使用寿命达6个月；化肥工业中的一种硫酸注射喷嘴，原来用聚丙烯（PP）材料，改用UHMW-PE后，寿命提高5倍；小型轴流泵上的水润滑轴套，原来用的是橡胶、铜等材料，存放期间易受环境气候的影响而发霉、生锈，不能继续使用，而用UHMW-PE轴套就不存在这些现象，而且重新使用时不需清理，主机运转自如、平稳，寿命大大延长；用UHMW-PE材料代替陶瓷工业的滚压头，其价格只是后者的1/6，而使用寿命提高了3～5倍。国内通过压制烧结法生产的推车滚轮、烤麻机配件、踏中杆转子、纺织皮结等都已得到实际应用。 
UHMW-PE注射制品生产效率高、产品价格低、附加值高。以152-35型机械密封弹簧座为例，原采用聚四氟乙烯（PTFE）材料，制品单重42g，每个售价5.04元（12万元/t），制品售价/原料成本＝1.5，而采用UHMW-PE注射成型，制品单重35g，每个若售价3.50～4.90元（10～14万元/t），制品售价/原料成本＝7～10，故UHMW-PE注射制品性能/价格比极优。 
通过注射成型技术可实现各种UHMW-PE零部件的大批量生产，取代碳钢、铜、尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯等材料。
一般加工技术
(1)压制烧结 
压制烧结是UHMWPE最原始的加工方法。此法生产效率颇低，易发生氧化和降解。为了提高生产效率，可采用直接电加热法〔1〕；另外，Werner和Pfleiderer公司开发了一种超高速熔结加工法〔2〕，采用叶片式混合机，叶片旋转的最大速度可达150m/s，使物料仅在几秒内就可升至加工温度。 
(2)挤出成型 
挤出成型设备主要有柱塞挤出机、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。双螺杆挤出多采用同向旋转双螺杆挤出机。 
60年代大都采用柱塞式挤出机，70年代中期，日、美、西德等先后开发了单螺杆挤出工艺。日本三井石油化学公司最早于1974年取得了圆棒挤出技术的成功。北京化工大学于1994年底研制出Φ45型UHMWPE专用单螺杆挤出机，并于1997年取得了Φ65型单螺杆挤出管材工业化生产线的成功。
(3)注塑成型 
日本三井石油化工公司于1974年开发了注塑成型工艺，并于1976年实现了商业化，之后又开发了往复式螺杆注塑成型技术。1985年美国Hoechst公司也实现了UHMWPE的螺杆注塑成型工艺。北京塑料研究所1983年对国产XS-ZY-125A型注射机进行了改造，成功地注射出啤酒罐装生产线用UHMWPE托轮、水泵用轴套，1985年又成功地注射出医用人工关节等。 
(4)吹塑成型 
UHMWPE加工时，当物料从口模挤出后，因弹性恢复而产生一定的回缩，并且几乎不发生下垂现象，故为中空容器，特别是大型容器，如油箱、大桶的吹塑创造了有利的条件。UHMWPE吹塑成型还可导致纵横方向强度均衡的高性能薄膜，从而解决了HDPE薄膜长期以来存在的纵横方向强度不一致，容易造成纵向破坏的问题。