超高分子量聚乙烯管材的制備及應用
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)一般指相對分子質量超過150萬的聚乙烯(PE)，而普通PE的相對分子質量一般僅為2萬～30萬，國產UHMWPE的相對分子質量可達400萬-500萬，而德國生產的UHMWPE的相對分子質量高達1000萬。UHM-WPE極高的相對分子質量賦予它極其優異的性能：①極好的耐環境應力開裂性，是普通高密度聚乙烯(HDPE)的200倍、普通塑料的5～10倍；②極強的耐磨性，居塑料首位，是普通塑料的5-7倍、鋼管的7-10倍；③極高的耐沖擊性，沖擊強度在現有塑料中*高，即使在-70℃條件下仍保持相當高的沖擊強度；④優異的自潤滑性，與聚四氟乙烯(PTFE)相當；⑤優良的化學穩定性、電絕緣性、耐疲勞性和耐候性；⑥無毒、不吸水、密度小、不粘附、抗靜電、吸噪音，并且易于機械加工，可著色。因此可以說UHM-WPE是現有的*上等的工程塑料。用其制成的管材與其它塑料管材和金屬管材相比，在許多方面都具有明顯的優勢。現主要介紹UHMWPE管材的制備及應用。
1改性UHMWPE管材的制備
雖然UHMWPE具有上述優異的性能，但正是由于其超高的相對分子質量導致了其熔體粘度極高(達1×108Pa·s)，流動性極差，臨界剪切速率極低，加工時極易產生熔體破裂，很難用常規的塑料成型設備和工藝加工。因此要想用普通擠出設備擠出UHMWPE管材，必須對其進行改性，即通過各種手段改善UHMWPE的流動性，或者對成型設備進行改進，或者采用新的成型加工技術。
(1)液晶聚合物改性
液晶聚合物具有優異的力學性能、耐磨性和流動性，將液晶聚合物與UHMWPE進行原位復合，可使UHMWPE的加工性能得到明顯的改善，并可使其力學性能和耐磨性能得到提高。利用該技術生產的大型耐磨UHMWPE管材，管徑一般在200mm以上，*大擠出管徑可達710mm，其性能指標如表1所示。
表1 大型耐磨UHMWPE管材的性能指標
項目 | 測試方法 | 指標 |
密度/g·cm-3 | GB/T1033-1986 | 0.95 |
拉伸強度/MPa | GB/T1040-1992 | ≥35 |
彎曲強度/MPa | GB/T9341-2000 | ≥30 |
懸臂梁缺口沖擊強度/kJ·m-2(23℃) | GB/T1843-1996 | 不斷 |
摩擦系數 | GB/T3960-1989 | 0.20 |
磨損率/% | GB/T3960-1989 | 0.10 |
(2)有機硅改性
有機硅樹脂*突出的性能是具有優良的耐溫性、優異的耐候性、良好的電絕緣性及成型加性。經有機硅樹脂改性的UHMWPE的加工流動性得到極大的提高，可用普通的擠出設備進行加工。所制備的UHMWPE管材具有極好的耐磨性、耐腐蝕性和耐低溫性，不會發生電化學反應，特別適用于解決當前火力發電廠輸灰管道的結垢問題。
(3)層狀硅酸鹽改性
采用層狀硅酸鹽改性UHMWPE是利用層狀硅酸鹽片層之間結合力較弱、片層間的摩擦系數小的特性。當進行熔體加工時，硅酸鹽片層之間相對滑移，從而可減少UHMWPE大分子之間的無序纏結，提高其熔體的流動性，改善其加工性能。用層狀硅酸鹽改性可以在UHMWPE的聚合過程中進行，經其改性的UHMWPE的熔體流動速率(MFR)為0.02-4g/10min，可以用常規的擠出加工設備進行擠出，其管材的擠出速度比普通UHMWPE的擠出速度快10倍，從而大大降低了UHMWPE管材的生產成本。
另外，可將層狀硅酸鹽與UHMWPE共混制備UHMWPE/層狀硅酸鹽復合材料。其方法是先將層狀硅酸鹽進行有機化處理，然后使其均勻地混合在UHMWPE中，用雙螺桿擠出機擠出造粒。這種UH-MWPE/層狀硅酸鹽復合材料的性能如表2所示。
表2 UHMWPE/層狀硅酸鹽復合材料的性能
項目 | 數值 |
MFR/g·(10min)-1 | 0.2-2.4 |
拉伸屈服強度/MPa | 26-32 |
缺口沖擊強度/kJ·m-2(23℃) | 100-120 |
彎曲強度/MPa | 20-22 |
彎曲彈性模量/GPa | 0.6-0.8 |
熱變形溫度/℃ | 80 |
磨損率/% | 0.019-0.020 |
從表2可看出，共混法制得的UHMWPE/層狀硅酸鹽復合材料基本上保持了原UHMWPE的優良特性，特別是其熔體流動性得到了很大的改善，可用普通的塑料加工設備生產。同時層狀硅酸鹽的補強作用使UHMWPE的耐磨性和耐溫性得到了提高。目前用層狀硅酸鹽熔融共混改性的納米UHMWPE管材專用料已經推向市場。
2增強UHMWPE管材的制備
2.1改進擠出工藝
采用新穎的雙向拉伸工藝制備增強UHMWPE管材，其具體制造方法是，在UHMWPE中填充炭黑、聚乙烯蠟等，將物料置于擠出機中進行塑化并高壓擠出，擠出的原料進入非中心進料分流模具中，再通過分流模具經過塑化、固化及脫模后得到管材型坯，然后在強力牽引機牽引下使型坯通過雙向拉伸模具在加熱狀態下拉伸，冷卻定型后，切割成管材。該工藝生產的管材壁薄，成本比普通UHMWPE管材降低35%。
2.2復合增強
(1)鋼管/UHMWPE復合工藝
**種方法為“縮徑法”。首先選用外徑比所選用鋼管內徑大2%-5%、相對分子質量為100萬～300萬的UHMWPE管材，使其通過縮徑機縮徑，使得UHMWPE管材的外徑比鋼管的內徑略小些，在牽引機的作用下，UHMWPE管材通過定徑導向套進入到鋼管中，經過一段時間后，因UHMWPE管材具有記憶功能，它就會與鋼管緊密地復合在一起。
**種方法是，首先對鋼管進行法蘭焊接，然后截取UHMWPE管材，將其內襯于鋼管，再對UHM-WPE管材進行加熱、保溫、翻邊、冷卻定型。內層UHMWPE管材與外層帶法蘭的鋼管之間采用間隙配合，復合管材兩端處UHMWPE管外翻與鋼管法蘭貼合構成連接密封面，形成整體的結構。內襯的UHMWPE翻直角邊，能保證管道工程的嚴密性，承受壓力可達6MPa。用此法可生產大口徑薄壁UH-MWPE管材，*大口徑達530mm。
(2)金屬網骨架增強
金屬網骨架增強UHMWPE管材采用雙層鋼絲纏繞并以高分子粘結層融合，以UHMWPE作管材內壁，管材外壁為HDPE層，在管材內壁與管材外壁之間設置浸有高強度粘結劑的高強度過塑鋼絲網，三者以融合的方式形成整體結構。這樣不僅使增強的鋼絲處于無縫的有效保護之中，而且可使加強結構層與內、外管壁完全融合而不會出現縫隙界面，由此可防止管內的壓力或腐蝕性介質可能對管材造成的侵蝕或損壞，使管材質量和使用可靠性大大提高。該種管材具有類似鋼管的低線性膨脹系數、抗蠕變性和防紫外線照射性，且雙面防腐，導熱系數低，冬季使用外壁不需保溫，夏季使用亦不結露，節能性好；與其它管材相比，相同口徑管材壁厚減薄，壓力等級提高，*高壓力可達16MPa；管材聯接采用電熱熔聯接，聯接處的性能與管材性能相同，可以用作耐溫耐壓管材。
3UHMWPE管材新的加工技術
中國科學院與江蘇聯冠科技發展有限公司合作，提出了一種新的加工理念——近熔點擠出理念。該理念把粉料推進壓實和采用低溫加工結合起來，并結合低溫擠壓、控制塑化等技術將加熱和冷卻均在同一模具中進行，設計出適用于UHMWPE粉料和粒料擠出成型的單螺桿擠出裝置。將物料在擠出機中的輸送過程看作為輸送、壓實、預熱的固相流動過程，當UHMWPE熔體到達出口端時已初步定型。這種工藝操作簡化了通常擠出管材的定型工序，避免了大量蓄熱導致UHMWPE的受熱分解。
中科院寧波材料技術和工程研究所采用近熔點擠出模頭設計、優化的擠出工藝及大口徑薄壁管材的冷軋技術，在UHMWPE的屈服應力下，不但使之順利成型，而且憑借UHMWPE管材的形狀記憶功能，解決了無粘結劑的鋼管/塑料管材的復合問題，*大限度地保持了UHMWPE優異的物理、力學性能。
4UHMWPE管材的應用
大多數塑料管材或金屬管材在輸送介質時，主要以水作為輸送物質的載體，而各種固體顆粒、粉體、漿體的輸送因輸送量大、各種固體粉料與管壁的接觸面積大，其磨損和腐蝕比水作為載體時更為嚴重，傳統的金屬管道難以滿足使用要求，普通塑料管道更無法勝任和承受。表3給出了UHMWPE管材的應用領域。
表3 UHMWPE管材的應用領域
輸送介質類別 | 應用領域 |
固體、粉體 | 糧食加工、飼料、油脂、釀酒、農藥、**、紡織、化纖、玻璃、機械、建筑材料、散裝運輸、化工、合成樹脂、礦粉、粉煤灰、原鹽 |
漿體 | 煤炭、礦業、水煤漿、冶金、熱電、鹽業、鹽湖清淤、疏浚、市政排污、水處理 |
流體、氣體
| 酸、堿、鹽、石油、船舶、海水利用、水井工程、市政排水、燃氣工業 |
從表3可看出，UHMWPE管材作為一種高耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐低溫、自潤滑、不結垢、內壓強度高、噪音小、無毒、輕便的新型塑料管材，是固體、液體、氣體三態物質均可輸送的高性能工程塑料管材。
山東龍口電廠安裝了一段層狀硅酸鹽改性UH-MWPE管道用于輸送灰渣，經1年多的使用，該段管道無結垢，其磨損量不超過10%，使用效果很好。
利用鋼管/UHMWPE復合管材來替代現行的純鋼制成的油井抽油管，可提高使用壽命4倍以上，并且可以充分利用一些舊鋼管來制備這種復合管，可節約資源，降低成本。
魯南礦業公司選礦廠采用山東東方管業公司生產的鋼管/UHMWPE復合管材解決了生產中磨損、腐蝕、堵礦等問題。萊蕪礦業有限公司業莊鐵礦和谷家臺鐵礦、廣西維尼綸廠、鄭州新力電力有限公司在選用UHMWPE管材改造舊管道后，解決了易結垢、腐蝕嚴重、清洗困難、工人勞動強度高等問題。由于UHMWPE管材安裝方便、使用壽命長，不僅節約了大量的人力，而且節約了大量的資金，經濟效益明顯。表4列出了鄭州新力電力有限公司在回水系統使用UHMWPE管材改造前后的效果對比。由表4可見，UHMWPE管材的優勢明顯。
表4 鄭州新力電力公司回水系統改造效果
項目 | 改造前 | 改造后 |
管道水量 | 嚴重偏離設計值 | 滿足設計要求 |
管道內壁結垢狀況 | 很厚 | 輕微 |
管道中閥門損壞 | 1年2次進行更換 | 正常操作 |
管道酸洗 | 1年耗資10萬元以上 | 無須酸洗 |
工人勞動強度 | 1年20個工作日 | 1年2個工作日 |
5結語
以上僅列舉了幾種改性UHMWPE管材和增強UHMWPE管材的制備，人們對UHMWPE管材的開發和研究遠遠不限于此。
在材料改性方面，還有中低相對分子質量PE改性、流動改性劑改性、無機粘土改性、納米材料改性等。在加工技術方面，劉鵬波等采用輻照技術提高UHMWPE的加工流動性；北京化工大學研制出新型高效的單螺桿擠出機；青島遠東塑料工程有限公司利用自行設計制造的立式推壓燒結加工設備成功開發UHMWPE薄壁管材等。特別是上海聯海橡塑科技有限公司研發了高性能的UHMWPE管材制造及其管材連接技術順利實現了產業化，該技術的研發成功標志著我國的UHMWPE管材制造業已達到了該領域的國際先進水平。
可以肯定，隨著對UHMWPE改性研究的不斷深入，新的成型加工技術及工藝的不斷開發，UHM-WPE的優異性能將會得到*大的發揮，UHMWPE管材的實際應用將得到進一步的推廣，其應用領域必將越來越廣泛。