超高分子量聚乙烯纤维（通用7篇）
超高分子量聚乙烯纤维 篇1
2014年1月,中石化高桥石化分公司、中国石化北京燕山分公司等单位一线员工用上了超高分子量聚乙烯纤维制作的防切割手套。这些手套具有耐磨损、抗切割等特点,使用寿命比普通手套长4~6倍。超高分子量聚乙烯纤维的应用正在渗入一线,其范围正在扩大。
同时,我国超高分子量聚乙烯纤维的技术也在同步提升。2013年7月,由南京化学工业有限公司研究院、江苏仪征化纤股份有限公司、中国纺织科学研究院联合开发的超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维干法凝胶纺丝工艺工业化成套技术在获得中国石化科技进步一等奖后再传喜讯,采用该项目技术在仪征化纤建设的国内首条干法纺丝工艺UHM-WPE纤维工业化生产线成功生产出50D~300D系列的高附加值细旦产品。这标志着UHMWPE纤维干法纺丝成套技术打破了国外技术垄断。
市场接受度提高
未来超高分子量聚乙烯纤维的应用领域将更加广泛,特别是近年来,由于世界各区冲突和战争不断,恐怖事件蔓延,军事装备工业得到迅猛发展,防弹材料的开发和研究越来越受到重视。过去,大部分防切割手套都是金属手套,这种手套是钢丝手套,由无数小圆环穿编而成。它的作用是在使用切割机械的作业过程中,保护手不被割伤。而如今,超高分子量聚乙烯纤维进入了制作防切割手套领域,使防切割手套的使用性能更加优异,其产品质量更加上了一个台阶。未来超高分子量聚乙烯纤维的应用领域也将更加广泛,特别是近年来,由于世界各地地区冲突和战争不断,恐怖事件蔓延不止,军事装备工业得到迅猛发展,防弹材料的开发和研究越来越受到重视。投入应用的防弹材料品种较多,考虑到使用的方便和舒适,纤维材料逐渐取代了传统的钢铁和陶瓷而成为主流防弹材料。这类纤维包括碳纤维、Kevlar纤维以及超高分子量聚乙烯纤维。它们在防弹领域应用于防弹衣、防弹装甲和防弹头盔,其中UHMWPE因其优越的防弹性能而备受关注。
在“十一五”863计划新材料领域“超高分子量聚乙烯纤维关键技术”重点项目支持下,浙江宁波大成新材料股份有限公司和中国科学院化学研究所等单位承担的超高分子量聚乙烯树脂、纤维和复合材料的综合表征技术等4个课题也取得了重要进展,于2013年上半年通过了技术验收。该项目改进了催化剂和溶剂的性能,研发出两个牌号的纤维级超高分子量聚乙烯树脂,建立了中试装置,形成了2万t/a纤维级超高分子量聚乙烯树脂连续法工业生产能力。该项目研发了纤维表面改性等新技术,开发出大容量非连续冻胶法UHMWPE纤维产业化制备技术,单线产能提高到400t/a以上,同时,高性能、轻量化无纬布防弹衣等系列防弹制品,高速低捻合股UH-MWPE纤维高强绳缆和高等级包覆纱线防切割手套等产品都已实现工业化量产,并取得了良好的经济效益。
在美国供不应求
目前,超高分子量聚乙烯纤维的消费结构为:欧美主要用于防弹衣和武器装备,约占总量的60%~70%,其次是绳缆,约占20%,渔网等约占5%,劳动保护用品大约占5%。日本主要用于绳缆、渔网、防护类,特别是防切割手套。
目前,世界各国对超高分子量聚乙烯纤维的总需求量正在逐渐增长。其中,美国大约占全球总需求量的70%,而且,美国地区市场需求很强劲,一直处于供不应求的状况。本土企业不能满足市场需求,该地区需要进口其他国家的产品。
欧洲地区应用超高分子量聚乙烯纤维制作防弹衣、放弹头盔等防护用品的生产工艺较为成熟。
超高分子量聚乙烯纤维 篇2
关键词：超高分子量聚乙烯,专用料,纤维,性能
超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 纤维, 是继碳纤维和芳纶之后出现的世界第三代特种纤维, 它以相对分子量在100万以上的聚乙烯为原料, 经冻胶纺丝—超倍拉伸的方法制备而成。UHMWPE纤维是目前已工业化纤维材料中比强度和防弹性能最高的纤维, 在同等重量的情况下, 其强度相当于优质钢丝的15倍。UHMWPE纤维还具有优异的耐化学性和耐候性、高能量吸收性、低导电性、可透过X-射线及一定的防水性等特点。出色的性能, 使其在军事、航天航海工程和高性能、轻质复合材料及运动器械等领域有着广阔的应用前景[1]。
UHMWPE纤维制备技术方面国外公司往往具有原料开发到纤维加工的成套技术, 保证了纤维产品的性能稳定并有利于节约成本[2,3,4]。国内UHMWPE原料生产与纤维制备往往分属于不同厂家, 对于UHMWPE纤维结构与性能的研究已有相当数量的研究报道[5,6,7], 但UHMWPE原料性能与纺丝工艺及纤维性能之间还没有建立系统的对应关系, 使得在原料生产与纤维制备之间出现脱节, 导致纤维质量不稳定, 产品以缆绳类、防护类的中低端市场为主。从原料到纤维成套产业化技术的开发特别是UHMWPE的纤维级专用料的开发将最终解决我国UHMWPE纤维与国外同类产品的差距, 满足我国高端市场对UHMWPE纤维的需求。
1UHMWPE发展综述
1.1UHMWPE原料发展现状
UHMWPE原料最早由美国Allied Chemical公司于1957年实现工业化, 此后德国Hoechst公司、美国Hercules公司、日本三井石油化学公司、荷兰DSM公司等也投入工业化生产[8]。目前, Celanese旗下的Ticona是全球最大的UHMWPE原料供应商, 在工业界中, 拥有最齐全的UHMWPE产品品级, 有GUR® UHMWPE (超高分子量聚乙烯) , GHR® UHMWPE (高分子量聚乙烯) 和VHMW-PE (特高分子量聚乙烯) 以及GHR®和Hostalloy®的UHMWPE注塑和螺杆挤出品级。其中GUR的特殊品级可以用来成型多孔和过滤产品, 也可以作为用于油漆、涂料或基体材料改性的添加剂[9]。目前, 国内UHMWPE纤维生产厂家大多使用Ticona生产的原料。近日有报道称, Ticona在南京20000t的GUR系列UHMWPE生产装置成功启动, 使Ticona在全球UHMWPE的原料生产达到90000t/a[10]。
我国上海高桥化工厂于1964年最早研制成功并投入工业生产, 70年代后期又有广州塑料厂和北京东方石油化工有限公司助剂二厂投入生产。限于当时条件, 产物分子量约150万左右, 随着工艺技术的进步, 目前北京东方石油化工有限公司助剂二厂是国内UHMWPE树脂最大的生产商, 产品分子量可达100万～300万及以上, 产量超过10000t/a。齐鲁石化拥有年产5000t的M300、M400、M500三个牌号的UHMWPE生产能力, 可用于生产工程管材和板材等[11]。上海化工研究院联乐化工科技有限公司通过自主研发催化剂, 已具备年产3000t的生产规模, 推出SLL-2、SLL-3、SLL-4、SLL-5、SLL-6等系列产品, 可以生产分子量在500万以上的产品, 目前正在开发纤维级专用料。
1.2UHMWPE纤维发展现状
UHMWPE纤维最初是由荷兰DSM公司中心实验室的Smith等在1979年研究制得的, 并取得了第1个关于冻胶纺丝技术的专利。之后, DSM公司经历了11年的基础应用研究和工业化试生产, 取得了25个国际性专利。而美国Allied Signal公司 (现为Honeywell公司) 抢先购买了DSM的冻胶纺丝专利, 经改良后取得了自己的专利技术, 率先走向商业化生产。之后, 荷兰DSM与日本的Toyobo公司联手, 走上商业化生产并形成世界性的生产规模。另外, 日本Mitsui公司利用自有的研发技术紧追其后, 也具备商业化生产UHMWPE纤维的能力。目前, 未见日本Mitsui的生产状况报道, 其它3家合计生产能力为7500t/a[12,13]。
国内UHMWPE纤维的研究也已经有20多年的历史, 东华大学化学纤维研究所于1985年在国内率先开始着手UHMWPE冻胶纺丝的基础研究工作。从1993年开始着手研究UHMWPE纤维的产业化工作, 立足于国内原料, 对冻胶纺丝工艺作了比较全面、透彻的研究, 在理论研究和应用研究上做了大量工作, 获得了10余项中国专利, 形成了具有中国特色的成套技术[7,14,15,16]。
国际市场上UHMWPE纤维的产品主要有美国Honeywell公司的Spectra系列, 日本Toyobo和荷兰DSM公司建立联合公司的Dyneema系列及日本Mitsui公司的Tekmilon系列。上述几家公司均有专利技术并已形成从原料到纤维制备的工业化规模生产。我国UHMWPE纤维制备也有相应技术, 生产公司主要有中纺投资北京同益中、湖南中泰、宁波大成等企业, 产量约在1500t/a左右。然而国内从原料到纤维制备的成套产业化技术还不够成熟, 制约了纤维生产与产品性能的稳定性。表1列出国内外UHMWPE纤维的制造厂家及其产品性能[16,17]。
UHMWPE纤维主要应用于军工防护、航空航天和民用领域的特种绳缆。生产企业中美国和日本的纤维产品完全自用, 荷兰DSM公司的产品主要用于出口。在消费领域, 欧美和日本也存在一定的差异, 欧美主要用于制作防弹衣、防弹头盔等防护用品;日本主要用于绳缆、渔网、防护类如防切割手套等。由于UHMWPE纤维的防弹、防刺性能优越, 美国“9·11”事件后, 出于反恐需要, 2001～2007年世界UHMWPE的需求年均增长率为45%。预计2010年世界UHMWPE纤维需求总量约为1.2万t。需求最为强劲的是美国、欧洲等发达国家和地区, 主要用于制作防弹衣、防弹头盔等防护用品。
在我国UHMWPE纤维的消费领域中, 防弹背心用量占61%, 绳网线类约占33%, 其它用途为6%。由于国产UHMWPE纤维产品质量与荷兰DSM公司的产品存在较大差距, 需要进口大量DSM公司的纤维产品。根据产品规格的不同, 每吨进口价格约为36～80万元。未来我国国防现代化建设和公安警察装备建设将使防护用品的需求量快速增长。用以制作防弹服、防刺服、防割手套等的相应需求还尚未能真正启动, 市场应用需求的潜力极大。另一方面, 缆绳业对UHMWPE纤维的应用需求也增长很快, 每年需求将达数百吨。同时, UHMWPE纤维的应用又将增强船舶缆绳的出口竞争能力, 迎来国际缆绳业、国内船舶业的大量客户。预计2010年我国UHMWPE纤维的需求量约为5000t左右。其中军工防护及航空航天特种伞绳领域对UHMWPE纤维的需求量为3000t, 民用需求量为2000t。
2UHMWPE原料的表征分析
UHMWPE的表观物性主要包括:表观密度、颗粒形态等, 而颗粒形态又包括粒径分布、颗粒内部结构等。表观物性影响UHMWPE的加工过程, 并影响到树脂及其产品的最终性能。国外树脂生产厂家往往根据树脂的不同颗粒形态生产某一领域的专用料。
纤维生产过程中首先要将UHMWPE粉料在待定的溶剂中充分溶解, UHMWPE原料的颗粒大小、粒径分布、蓬松情况等将会影响粒子在溶剂中的溶胀、溶解速度, 从而影响到生产效率, 甚至直接影响到最终制品的性能。如果在纤维生产时UHMWPE粉体存在大颗粒, 而该颗粒在多数粉体充分溶解后仍可能仅仅是溶胀而非溶解, 纺丝时该大颗粒就是一个缺陷点, 拉伸时要么形成扭结不能充分拉伸, 要么在此处发生断裂。另外, 当UHMWPE加工过程中需要与助剂进行混合时, 颗粒形态对于助剂的均匀分散也具有非常重要的意义。当然, 这种原料形态的区别对原料性能的影响仍需不断探索。
3开发UHMWPE纤维级专用料的意义及建议
UHMWPE纤维及其复合材料是国防工业和航空航天工业迫切需要的重要战略物资, 其发展状况本身也反映我国国防科技的发展水平。随着世界军事变革迅猛发展, 对国防战略武器、军事装备及所用材料提出了更高的要求, 如重量轻, 强度高, 能适应苛刻环境, 具有智能、隐身与防护功能等, UHMWPE纤维及复合材料也是关键材料之一。目前, 国内纤维用UHMWPE原料大多根据市场上销售的UHMWPE直接或进行筛分处理后应用于高强高模聚乙烯纤维的生产。
超高分子量聚乙烯纤维 篇3
混凝土作为建筑材料早已普遍应用于各类基础设施的建设,但作为一种脆性多孔材料,普通混凝土通常存在抗拉强度低、抗渗性差等缺陷[1,2],这些缺陷严重制约了混凝土结构的长期安全使用。 针对上述问题,纤维增强混凝土技术应运而生,纤维增强混凝土即以普通混凝土为基材,并在其中均匀地掺入纤维,利用纤维的增强、阻裂、增韧作用,控制混凝土内部裂纹的产生和发展,并使混凝土的各项性能得到显著提高[3]。
研制高性能纤维混凝土,选用的纤维必须具有很高弹性模量和韧性, 才能符合硬化应力-应变关系曲线要求。 在所有纤维中, 超高分子量聚乙烯(Ultra-high Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维比模量和比强度最高, 使得一定量纤维掺入混凝土中能显著提高整体质量, 表现出优良抗裂、增韧能力[4]。 目前,针对UHMWPE纤维混凝土的研究主要集中在力学性能方面[5,6]。 而在工作性、耐久性方面则较少,仅有少数关于抗冻性及抗化学腐蚀性方面的研究[7,8]。
针对上述问题, 本研究拟在混凝土中掺入UHMWPE纤维, 并通过与素混凝土对比, 分析UHMWPE纤维掺量及长度对混凝土坍落度、 离析度、抗氯离子渗透和抗冲磨性能的影响,可为进一步开展该种纤维混凝土研究提供基础。
1试验概况
1.1原材料
水泥:P·O 42.5 级水泥。
粉煤灰:镇江产Ⅰ级粉煤灰。
细骨料:天然河砂,细度模数2.8。
粗骨料:二种级配玄武岩碎石,粒径分别为5~20mm和20~40mm,质量比例为4∶6。
减水剂:江苏产JM-PCA(Ⅰ)型聚羧酸系高效减水剂。
水:自来水。
纤维:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维,分别选取6mm和12mm两种长度, 以U6 和U12 表示,纤维的物理性能参数见表1。
1.2 配合比
纤维的体积掺量分别为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%,并与无纤维素混凝土比较,具体试验配合比见表2。
1.3 试验方法
为保证拌料均匀,纤维混凝土拌制采用二次加水法,即先投入砂、石和70%的水(减水剂事先称量好并溶于水中)拌制30s,再加水泥拌制30s,然后将剩余的30%水全部倒入搅拌机搅拌60s, 最后再缓慢加入纤维,搅拌120s。 UHMWPE纤维混凝土的坍落度、含气量、抗冲磨性、氯离子渗透性等的测定参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》[9]进行,其中,抗冲磨试验采用水下钢珠法,氯离子渗透性试验采用电量法。
当纤维混凝土发生离析后,粗骨料下沉,纤维砂浆上浮, 使得成型后的混凝土底部纤维量较少,不利于充分发挥纤维的性能。 离析度试验通过称量计算振捣后不同高度层内骨料所占拌合混凝土的比值, 得到纤维混凝土拌合物粗骨料分布情况,试验步骤如下:
kg/m3
(1)选用Ф150mm×300mm PVC管,并沿高度方向均切三层,即每层层高100mm。 三层PVC管用胶带胶粘,外套同尺寸PVC管,确保层间拼接紧密无漏隙,防止浇筑时模板变形漏浆。
(2)将混凝土拌合物装入PVC管后用Ф25mm振捣棒振动20s使其密实。
(3) 抹平表面, 静置30min后用钢板将每层混凝土取出称重,筛洗砂浆,待骨料达到饱和面干状态后称重,计算每层比值,建立离析度(segregation coefficient, SC)指标,SC值越大,表明离析情况越严重[10],计算公式见式(1)和(2),试验步骤示意图如图1 所示。
式中:
H———试件高度,300mm;
s———层厚,100mm;
Gi———每层粗骨料质量;
Ci———每层混凝土质量;
G———配合比中粗骨料质量,1180kg;
C———配合比混凝土质量,2394kg。
2试验结果与分析
2.1坍落度
坍落度试验结果如图2 所示。
由图2 可知:1混凝土的坍落度随着纤维掺量的增加而逐渐减小,其中6mm纤维混凝土坍落度从0.05%掺量时的126mm降至0.2%时的89mm,降幅约为29.4%,12mm纤维则从132mm降至97mm,降幅约为26.5%;2相同掺量下,拌合物中纤维长度越长,坍落度越大。 这是因为掺入纤维后,大量水泥浆包裹其表面,导致骨料间水泥浆量减少,摩擦阻力变大,因此,拌合物流动性变差,坍落度变小。 同时,分散的纤维在混凝土中呈三维网状结构,对骨料流动起到阻滞作用,也对拌合物坍落度有影响。 由于短纤维根数较多,刚度更大,因此,上述阻滞作用更强,坍落度降低更明显。
2.2 离析度
离析度试验结果见图3。
由图3 可见,SC值随着掺量增加而逐渐减小,短纤维SC值始终低于长纤维, 其中, 掺量为0.1%时,6mm和12mm纤维混凝土的SC值分别为0.06和0.1,相比素混凝土降幅分别为45.5%和9.1%;掺量0.15%时,降幅约为72.7%和18.2%;掺量0.2%时降幅约为81.8%和36.4%。 由于纤维掺量越高,长度越短,其形成的网状结构越密,对粗骨料下沉的阻滞作用越明显,越能保证混凝土内部浆体骨料均匀分布,有效改善离析,对纤维分散性有利。
2.3 氯离子渗透
氯离子渗透试验结果见图4。
由图4 可见, 氯离子电通量随着UHMWPE纤维掺量增加而逐渐降低并趋于稳定,且始终低于无纤维的素混凝土(3604.2C),其中6mm纤维掺量达到0.15%后,电通量变为1879.6C,混凝土氯离子渗透等级由“中等”降至 “低”,降低了一个量级,如表3 所示。
试验结果表明, 掺入UHMWPE纤维能明显提高混凝土的抗氯离子渗透性能。 这是因为:一方面混凝土硬化过程中会产生不均匀收缩,导致混凝土内部产生许多微裂缝,这些裂纹贯通后形成渗流通道,而纤维的跨接作用可有效限制微裂缝的产生和发展,将混凝土微裂纹尺寸控制在较小水平;另一方面, 试验发现UHMWPE纤维混凝土含气量随着纤维掺量增加而增大(图5),即随着纤维的掺入,拌合物内部气泡数量增多,间距减小,从而阻断了毛细管通路,降低了毛细管作用,有效提高了混凝土的渗透性。
此外,相同纤维掺量情况下,短纤维混凝土的抗渗性能较强。 这是因为:一方面由离析度试验可知纤维越短,混凝土离析度越低,纤维分布越均匀,从而可以更好地阻滞收缩裂缝的发展,抑制内部渗流通道的产生;另一方面,混凝土成型后,粗骨料间被纤维砂浆所填充,而当纤维长度较大,超过相邻骨料间距时,纤维分布无法沿骨料中心连线方向分布, 导致当出现垂直骨料中心连线方向收缩裂缝时,纤维无法对其产生充分有效抑制,因此,抗渗性能降低。
2.4 抗冲磨
试验结果如图6 所示。
由图6 可见, 随着纤维掺量的增加,UHMWPE纤维混凝土抗冲磨强度逐渐增大,尤其掺入6mm纤维后抗冲磨性能提高明显。 相比素混凝土,掺量为0.15% 和0.2% 时, 抗冲磨强度分别提高21% 和42%。 相同掺量下,短纤维抗冲磨强度较高,且随着掺量增多,两种长度纤维混凝土抗冲磨强度差值逐渐增大, 其中在0.15%掺量时差幅约为14%, 而在0.2%掺量时差幅达到近30%。
这可能是因为:1纤维的增韧阻裂效应减少了混凝土中的裂缝,改善了耐磨性;2纤维能使混凝土离析度明显降低,即表层粗骨料更多,离表面更近,因此,更早承受冲磨作用,提高了基体的抗冲磨性能。UHMWPE纤维混凝土离析度与抗冲磨强度关系曲线(图7)表明,两者具有较强的相关性,即SC值越大,抗冲磨强度越低。
相比长纤维,短纤维在骨料间分布走向受骨料间距影响较小,能更有效限制该处裂缝发展,并且混凝土离析度更低,因此,抗冲磨性能更优。
3 结论
(1)混凝土坍落度随着UHMWPE纤维掺量的增加而逐渐减小,且在相同掺量下,拌合物中纤维长度与坍落度成正比关系。
(2)纤维可以改善混凝土拌合物离析问题, 由此提高纤维分布均匀性,同时,纤维越短,混凝土离析度越低,纤维分布越均匀。
(3)由于UHMWPE纤维的阻裂增韧和引气作用,使得纤维掺量越大,长度越低,混凝土氯离子抗渗性能越强。
(4) 掺入UHMWPE纤维可以提高混凝土抗冲磨性能,且短纤维提高性能更为明显。
参考文献
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超高分子量聚乙烯研发概述 篇4
关键词：聚乙烯,超高分子量,催化剂,聚合工艺
超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是一种新型的热塑型工程塑料, ASTMD4020和ISO11542定义的超高分子量聚乙烯平均分子量分别为大于310万和100万。高分子量使其具有优良的性能, 其耐冲击、耐磨、吸收冲击能、卫生无毒、密度较小、自润滑、不易粘附等综合性能为普通聚乙烯和其它工程塑料所不可比。可广泛应用于纺织、建筑、交通、国防等诸多领域。
1 催化剂及聚合工艺
1.1 催化剂
目前超高分子量聚乙烯聚合用催化剂主要包括传统Z-N催化剂、茂金属催化剂、非茂金属催化剂等。
(1) Z-N催化剂。Z-N催化剂是超高分子量聚乙烯生产最主要的催化剂之一。三井株式会社通过间歇淤浆聚合方法制取的催化剂, 其堆积密度达到0.30g/cm3之高。R.Jamjah等发现, 运用传统Z-N催化剂, 随着Al/Ti摩尔比的增加, 所得产品粉末的相对分子质量是不断降低的。R.L.Jones Jr等人通过气相聚合, 在反应釜聚合得到相对分子量高达5.6×106, 而且颗粒均匀的粉末。
(2) 茂金属催化剂。该催化剂的高活性、单一活性中心的特点, 使其能有效控制共聚物分子结构, 使乙烯与位阻较大烯烃的共聚得以实现。Dow公司的方法是, 采取强Lewis酸化合物处理, 首先得到高效阳离子催化剂, 再用该剂生产, 解决了窄分子量分布和产品加工性能之间的矛盾。日本三菱公司则联合Exxon公司, 通过气相工艺制取了Exxpol茂金属催化剂, 有40余个牌号。
(3) 非茂金属催化剂。近年, 非茂金属催化剂研发亦十分活跃, 对这类催化剂制取产品进行分析, 结果表明所制取的聚烯烃表现出优良的性能。Equistar公司已经开发了能生产窄分子量分布和组成范围的非茂金属催化剂。用此催化剂生产出的产品的透明度较高、抗冲击性能优良, 而且加工容易。另外该类催化剂具有合成产率较高、成本降低、相对简单等优点, 已发展为聚合催化剂的新关注点, 超高分子量聚乙烯工业定然与这几种催化剂共同发展。
1.2 聚合工艺
超高分子量聚乙烯的聚合工艺只有两种:气相工艺与淤浆工艺。因为流化床操作存在堵塞和热点和催化剂的研发问题, 该操作很不易于控制, 所以气相法生产工艺目前还不能系统的应用在工业生产中;淤浆工艺主要分为环管工艺和搅拌釜工艺, 超高分子量聚乙烯中约有三分之二是采用连续搅拌釜聚合工艺。
2 应用领域
2.1 用于内衬材质
优异的抗冲击性能、耐磨性能、不黏附性、自润滑性、卫生无毒等特点, 使得超高分子量聚乙烯可被广泛应用为各种内衬材质。如用于斗式提升机的进料口和出料口的接料挡板及内衬板, 以降低物料的破碎, 并降低机筒磨损;用于刮板输送机的塑料托轮、耐磨导轨条, 还可以作为刮板及机壳耐磨衬板, 设备综合性能得以提高;用于煤仓内壁衬板, 煤仓壁磨损快和堵料的问题很容易便得以解决;另外, 还可以用于汽车蓄电池隔板。
2.2 管道材质
该材料不仅具有优秀的自润滑性、耐腐蚀性、耐磨性、无毒性等优点, 还兼具内压强度高、耐低温、不结垢、耐冲击、轻便、噪声小等优点于一身, 从而气体、液体以及固体物质, 均可以通过该材料管道来输送。输送气体涵盖天然气、煤气、燃气等, 可输送液体也涵盖相当广泛, 如农药、海水、石油、油脂、水煤浆等均可输送, 可输送的固体含矿粉、粮食、粉煤灰等多种多样, 还可输送玻璃、化纤、建材等。
2.3 高性能型材
为降低产品的成本, 提高产品的使用和安全性能, 可以使用该材料加工各式各样的齿轮、轴套、轴瓦、滚轮等, 而且, 其应用还不止于此, 例如在纺织行业中打梭棒、连接器、扫花杆、缓冲块、杆轴套等, 几乎所有部件都可使用此材料, 另外可用做摆动后梁齿轮、凸轮、弹棉机、皮结、轴承衬瓦、皮结盖板、缓冲器挡板、滚轮, 来承受相当可观的力量。
2.4 用于安保方面
国防、航天航空等方面也可大量使用超高分子量聚乙烯, 用作头盔、防弹衣、轻型车辆、甚至用于坦克装甲以及缆绳等领域, 其上佳的耐冲击、耐磨性足以抵御炸弹。
2.5 薄膜板材
1mm以下厚度的材质, 令人难以想象, 被用来做煤仓底垫, 这种薄膜板材具有非常稳定的化学性质, 用于接触腐蚀性溶液和溶剂的环境完全胜任, 这当然得益于其集抗腐蚀性、耐溶剂、耐磨损性、耐离子聚积性和耐冲击性于一身的特点。另外, 也完全可以用作食品药品包装。
2.6 用于医学临床
随着医学的不断发展, 对人工髋关节的髋臼、人工膝关节的衬垫, 以及血液泵、组织支架等提出更高要求, 在不断筛选各种材质之后, 医学界将目光投向了具有优良的生物相容性的超高分子量聚乙烯。目前, 医学临床应用已取得很大成功, 例如人工髋关节髋臼部件, 保证金属或陶瓷材质股骨头的往复、旋转有充分活动空间;用作人工膝关节衬垫, 承受骨骼间的摩擦;用作长期使用的血液泵材料;用作组织支架, 和堆积成型技术相结合, 制备如人耳组织支架等形状复杂的多孔支架。
3 结束语
就当前技术水平而言, 世界范围内的技术难题, 仍然是超高分子量聚乙烯的加工, 因为已有的采用注塑和挤出等方法加工的, 绝大多数都仅限于较低分子量聚乙烯的加工。相信随着催化剂技术的发展, 产品加工技术的改进, 在生产和应用方面, 超高分子量聚乙烯定会实现突破, 消费量亦必将持续增加。
参考文献
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[2]朱西华.超高分子量聚乙烯UHMWPE板运用于储运煤仓[J].中国西部科技, 2007 (01) .
超高分子量聚乙烯纤维 篇5
UHMW-PE管材具有最优异的耐磨、耐腐蚀性、自润滑、抗粘附、不结垢等特点, 这是其它任何塑料管材都无可比拟的, 管材的性能/价格比最优。可替代钢管、铸铁管、不锈钢管、尼龙管、聚四氟乙烯管、石棉水泥管等用于颗粒、粉状物料及浆体、固液混合物的输送 (以中、大口径管材为主) , 可广泛用于冶金、矿山、电力、煤炭、建筑等行业。
尽管超高分子量聚乙烯有着极其优异的性能, 但是由于它具有极高的粘度, 很低的临界剪切速率, 因此其制品的成型加工尤为困难。长期以来, 由于国内UHMW-PE成型技术及其装备比较落后, 与先进国家的差距较大, 因而UHMW-PE制品至今还未能大量投入大工业化生产, 仅限于以压制——烧结或柱塞压出成型方法为主的小批量生产, 产品种类主要是板材、棒材等简单截面制品, 生产效率和产量都较低, 制品质量很难保证, 生产能耗和制品成本很高, 这些不仅限制了我国对UHMW-PE树脂的市场需求和应用, 而且使得国内UHMW-PE树脂原料的80%-90%不得不以低廉的价格销往国外。随着我国UHMW-PE化工行业规模的扩大, 以及国内对UHMW-PE制品应用领域的拓展和市场消费要求的日益增长, 尽快提高UHMW-PE制品的加工技术水平, 实现高效率、高产量的工业化连续生产, 是我国化工领域急需解决的一个难题。
北京化工大学在塑料加工机械行业有着丰富的设计制造经验, 在此基础上研制开发了超高分子量聚乙烯注射成型工艺及装备, 成功实现了UHMW-PE注塑制品的工业化连续生产, 使UHMW-PE的注塑加工技术跃上一个新的台阶。设备主要技术性能达到国际同类技术的先进水平。本项目的开发将大大增加UHMW-PE树脂的国内用量, 解决了原料生产厂对加工技术提高的要求, 为众多行业提供了性能优良的配件, 具有非常广泛的经济、社会及环境效益。
单位:北京化工大学科技园科技发展中心
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邮编:100029
超高分子量聚乙烯纤维 篇6
1 前言
超高分子量聚乙烯分子量决定了其具有优异性能, 使其具有了广泛的应用领域, 但由于其熔体特性和普通聚乙烯等一般热塑性又不同, 给加工带来极大的困难, 主要表现在以下几个方面。
1.1 熔融粘度高、流动性差
普通聚乙烯的流动性能, 一般可用熔体流动速率 (MFR) 表示, 它是在温度190℃, 负荷为2.16kg时测定的, 可热塑性加工的聚乙烯的流动速率一般在0.03~30g/10min范围内, 而UHMWPE熔融时成为橡胶状高粘弹体, 其熔体流动速率在2.16kg负荷加大10倍, 即21.6kg条件下仍为0, 粘度高达109Pa·S, 流动性极差, 用常规单螺杆挤出加时, 熔体抱住螺杆一起旋转, 根本无法挤出, 形成典型的“料塞”[2]。
1.2 摩擦因数小
摩擦因数极低, 使得粉料在进料过程中容易在加料段发生打滑, 无法向前推进。
1.3 临界剪切速率低
熔体破裂出现时的剪切速率称为临界剪切速率, 相对分子质量极高的超高分子量聚乙烯在剪切速率很低 (10-2/s) 时就可能产生熔体破裂现象 (普通聚乙烯的挤出临界剪切速率为102/s) , 挤出加工时常会遇到由于熔体破裂而引起的裂纹现象。
1.4 成型温度范围窄, 易氧化降解
由于以上四个加工难点制约了增强超高分子量聚乙烯的挤出加工, 也制约了其推广应用, 但他的优异的各项物理性能又吸引了社会各界, 竟相开发研制, 高分子材料开发应用被列入国家科技部八大高新技术领域获重点支持项目。本项目探索了以反向开槽料筒保证超高分子量聚乙烯稳定挤出和提高生产效率的方法。
2 实验
2.1 原料
超高分子量聚乙烯:M-II型, 东方石化北京助剂二厂;
润滑剂:PE-Wax, 进口;
其他:石墨, 炭黑等。
2.2 设备
自制反向开槽单螺杆挤出机。长径比为25;电机功率37kW。
2.2.1 挤出条件分析
由于超高分子量聚乙烯在熔融状态下呈高粘弹体, 熔体几乎不流动, 使用普通单螺杆挤出机会形成“料塞”, 根本无法挤出物料。目前使用的超高分子量聚乙烯单螺杆挤出机采用特殊料筒开槽方式配特殊螺杆挤出, 料筒上根据直径大小开有数量不等的均布的圆弧槽[2], 以达到送料目的, 但存在送料不稳定问题。料筒反向螺旋槽且截面为直槽形, 可稳定的输送物料。
2.2.2 实验模具
成型制品为管材, 其直径大, 壁厚薄, 从挤出机中挤出的物料经分流塑化, 再经过适当的收敛压缩, 定型才能得到合格制品。压缩比太大, 挤出困难, 压缩比太小, 则从机头流出的条带状物料和经模具分流塑化的疏松物料密实度不够。经计算和实验对比, 压缩比取16-20较为理想。实验用模具为∮250*12管材模具。
2.2.3 其他要求
超高分子量聚乙烯的临界剪切速率极低, 料层间速度差要求极小, 否则, 则会导致熔体破裂。故要求流道壁一定要平整光滑, 实现物料在流道壁上的滑移, 一般采用螺杆和模具镀硬鉻抛光的方法减小壁面对流料的阻力。
3 工艺
3.1 工艺条件制定
3.1.1 管材挤出工艺流程
3.1.2 挤出温度设定管材挤出工艺流程, 如图1所示
挤出温度根据物料熔融塑化实验确定, 并根据挤出的环境温度、主机转速等进行调整, 环境温度高主机转速快挤出温度设定低一些, 否则相反。
挤出温度设定, 见表1。
3.1.3 冷却定型
超高分子量聚乙烯管材挤出利用口模和风冷进行冷却定型, 模具定型段的几何尺寸和形状是关键。
3.2 几种料筒对挤出的影响
由于超高分子量聚乙烯在熔融状态下呈高粘弹体, 流动性几乎为零, 其挤出全凭螺杆旋转产生的旋转压力实现, 但在普通挤出机中物料易抱住螺杆一起旋转, 造成“料塞”。又因其摩擦系数又极小, 推进比较困难。这些问题造成了挤出的难题。
下面以挤出∮250*12管材为例说明:
3.2.1 直槽料筒的挤出现象
直槽料筒挤出机中, 料筒内壁上开有沿轴向直线均布的六条圆弧槽。在未装模具的情况下, 按加工工艺要求当达到挤出条件后, 开机挤出, 当转速达到80r/min时, 变频器电流在24~27A间波动, 挤出正常。但挤出物料呈间断性不连续状;当转速提高到180r/min时, 物料出现碎裂状。安装上机头后重复以上操作, 在80r/min时, 管材挤出正常平稳, 内外壁平整光滑, 但当转速提高到180r/min时, 管材挤出出现明显的间歇跳动现象。
3.2.2 反向开槽的挤出现象
反向开槽螺杆挤出机中, 料筒内壁上的圆弧槽呈和螺杆反向的螺旋形, 螺旋升角易大。未装模具的情况下, 按挤出工艺挤出, 当转速达到80r/min时, 变频器电流趋于稳定, 挤出平稳, 物料密实光滑。当转速提高到180r/min时, 物料仍无明显变化, 当转速提高到280r/min时, 略显粗糙。安装上机头后重复以上操作, 在80r/min时, 管材挤出正常平稳, 内外壁平整光滑;当转速提高到180r/min时, 管材挤出仍无变化;转速提高到280r/min时出管仍平稳正常, 逐步将转速提高到360r/min时, 管材出现定型不好的现象, 调整外冷却风后正常。
3.3 挤出工艺条件对挤出的影响
超高分子量聚乙烯分子量的高低、环境温度的变化对挤出温度的设定有直接的影响;同时, 挤出温度的设定对挤出质量和挤出效果起关键的作用;因不是本课题研究的内容, 故不累述。
3.4 挤出过程特殊现象及影响因素分析
直槽料筒挤出机中, 料筒上的圆弧槽起到了阻断熔体使熔体在螺杆旋转推力作用下沿圆弧槽向前移动的作用, 保证了物料的挤出。但从电流波动较大, 挤出物料呈间断性不连续状分析, 物料在料筒中的输送仍然不够平稳, 挤出时引起管材的间歇跳动挤出, 将直接影响到制品的质量。
反向开槽螺杆挤出机中, 因圆弧槽旋向同螺杆在料筒中的旋转方向一致, 对挤出物料有少许让步作用。
可防止熔体剪切破裂, 增加物料的挤出量, 提高生产效率。同时, 可以大幅度提高挤出速度, 说明有效地克服了“料塞”和摩擦因数小引起的不送料等困难。合理的模具流道和结构也是提高产量的前提条件。
4 结论
1) 料筒带反向螺旋槽的挤出机在相同的工艺条件下, 大幅度提高螺杆转速也可以得到外观和内在质量均很好的管材。挤出速度快, 能有效地防止物料的降解。
2) 要得到好的制品, 必须是物料在模具流道内近乎整体平移, 表层和内层无相对位移。物料在流道壁面上要滑移, 改善壁面的光滑性是提高质量的一种手段。
参考文献
[1]刘廷华, 陈利民, 徐鸣.超高分子量聚乙烯/HDPE共混体系反向双螺杆挤出成型[J].中国塑料, 2001 (4) .
超高分子量聚乙烯纤维 篇7
轨道交通高架线无碴轨道铺设无缝线路,当温度变化或桥梁承受机车车辆荷载产生挠曲时,桥面与铺设于其上的焊接长钢轨要发生相对位移,钢轨要纵向移动,必须克服钢轨与扣压件及钢轨与轨下胶垫间的摩擦阻力。阻力越大,桥面与钢轨之间的相互作用力越大。减小这种阻力,可使桥墩受力减小,从而降低桥梁工程造价。减小这种相互作用力的有效方法是减小扣件阻力,日本山阳新干线桥上板式轨道就是采用这种办法。我国以往在普通铁路桥上采取的办法是扣件松紧搭配,即每隔若干轨枕布置扣紧的扣件,其他轨枕采用零扣压力或扣压力极小的扣件。这种方式使扣件类型繁多,运营中扣件受力往往不均。而小阻力扣件系统采用同一种较低阻力的扣件,可以保证每个扣件受力较均匀。
减小弹条的扣压力,降低轨下垫板的摩擦系数,是实现高架桥上扣件系统低阻力的关键。
2 超高分子量聚乙烯轨下垫板
我国轨下垫板的形式常采用橡胶垫板,为减小摩擦力,也常采用橡胶垫板上粘贴不锈钢板的复合胶垫。
超高分子量聚乙烯(简称UHMWPE)是一种耐磨性很好的热塑性工程塑料,因为它的摩擦系数很低,仅为0.05～0.11,所以作者在2005年将它压制成轨下垫板进行试验。
结合轨下垫板的实际使用环境和受力情况,作者选用了分子量不小于200万的材料将其压制成轨下垫板。
UHMWPE轨下垫板的结构如图1所示。
垫板中间的光滑平板部分为承轨面,两侧凹槽为放置轨距块而设计,A值限定的凹槽用于卡住减振器的铁座,限制垫板的左右及沿轨向的移动;B值根据轨距块的尺寸来设定;尺寸168是UIC60轨使用轨距块时的尺寸。垫板表面光滑平整。我们对其进行了大量试验并在试验成功后将其应用于线路。
3 试验情况
3.1 纵向阻力试验
在扣压件的扣压力相同及扣压件和钢轨的接触情况相同时,钢轨轨底和轨下垫板的摩擦系数可以通过系统的纵向阻力试验来体现。
钢轨扣件系统的纵向阻力试验按照EN 13146-1∶2002进行。我们使用深圳地铁3号线使用的“科隆蛋”轨道减振器扣件系统,扣压件采用扣压力为6 kN～7 kN的小阻力弹条(扣压力按照EN 13146-7测定)。轨下垫板分别采用了超高分子量聚乙烯、粘有不锈钢板的复合垫板和橡胶,每种材料选两件样品,下称样品1和样品2。
将约500 mm长短钢轨用扣件组装在减振器承轨台上,减振器用螺栓在试验台上固定。对钢轨施加纵向拉力,记录荷载及钢轨相对于轨枕的纵向位移。从荷载—位移曲线上可得出产生非弹性位移之前钢轨所承受的最大纵向力(见图2)。
三种不同材料的垫板纵向阻力(每组扣件)试验结果见表1。
深圳3号线小阻力扣件系统的纵向阻力设计值为每组扣件3 kN～4 kN,从表1中的分析可以看出,仅UHMWPE垫板可以满足使用要求。
3.2 疲劳试验
钢轨扣件系统的组装试验按照EN 13146-4∶2002进行。垂向载荷8 kN～40 kN,横向载荷为垂向载荷的0.5倍,300万次循环加载,加载频率3 Hz～5 Hz,扣件系统的各个部件均未损坏。轨底横向移动量不大于2.5 mm,轨距扩张单边(即轨头移动)不超过4 mm。完全符合设计的要求。复合垫板的摩擦力也较小,因此,它在很多线路上有大量的应用。
4 实际应用状况
UHMWPE用于高架桥,作为轨下垫板使用,在国内最早是北京地铁5号线,此线路自2007年10月开通至今,运行状况良好,轨下垫板未发现磨损。2008年建设的深圳地铁3号线也大量采用了这种垫板,现在正在修建的北京地铁大兴线、亦庄线、昌平线等的高架桥路段也已经确定了采用这种结构。
5 社会效益与经济效益
UHMWPE轨下垫板与大量在小阻力扣件系统中使用的复合垫板相比,除了摩擦系数较小外,其他方面特点对比见表2。
此外,超高分子量聚乙烯还有极好的耐磨性、突出的抗冲击性、自润滑性、噪声阻尼性、耐核辐射性等。它无毒、无味,其制品已经可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料用于纺织、食品机械、运输、医疗等部门,并且正逐步显示出它的优越性。
综上,使用超高分子量聚乙烯作为轨下垫板可以达到更好的使用性能且有很多优异的特点,近年来,随着超高分子量聚乙烯加工技术的不断发展,相信它作为轨下垫板使用有很好的前景。
参考文献
[1]肖俊恒,赵汝康,杜功立.高架桥无碴轨道用小阻力弹性扣件的设计研究[J].铁道建筑,2002(9):18-21.
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[3]田品华,程振廷.武汉轨道交通1号线一期工程车站及高架线设计[J].现代城市轨道交通,2004(5):26-28.
[4]李桂保,张建峰.我国重载铁路使用热塑性弹性体轨下垫板的探讨[J].铁道建筑,2007(10):82-84.