超高分子量聚乙烯是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。其发展十分迅速，20世纪80年代以前，世界平均年增长率为8.5%，进入80年代以后，增长率高达15%～20%。而我国的平均年增长率在30%以上。1978年世界消耗量为12000～12500t，而到1990年世界需求量约5万吨，其中美国占70%。2007~2009年中国逐步成为世界工程塑料工厂，超分子量聚乙烯产业发展十分迅速。 中国超高分子量聚乙烯管材在2001年被科学技术部国科计字(2000)056号文件列为国家科技成果重点推广计划，属化工类新材料、新产品。国家计委科技部将超高分子量聚乙烯管材列为当前优先发展的高科技产业重点领域项目。 由于超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）熔融状态的黏度高达108 Pa*s，流动性极差，其熔体流动速率几乎为零，所以很难用一般的机械加工方法进行加工。PE-UHMW的加工技术得到了迅速发展，通过对普通加工设备的改造，已使PE-UHMW由最初的压制-烧结成型发展为挤出、吹塑和注射成型以及其它特殊方法的成型。 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。超高速熔结加工法，采用叶片式混合机，叶片旋转的最大速度可达150 m/s，使物料仅在几秒内就可升至加工温度。 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。
20世纪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。我国于1994年底研制出Φ45型超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）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。 我国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。 PE-UHMW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。PE-UHMW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。
以冻胶纺丝—超拉伸技术制备高强度、高模量聚乙烯纤维是70年代末出现的一种新颖纺丝方法。荷兰DSM公司最早于1979年申请专利，随后美国Allied公司、日本与荷兰联合建立的Toyobo-DSM公司、日本Mitsui公司都实现了工业化生产。中国纺织大学化纤所从1985年开始该项目的研究，逐步形成了自己的技术，制得了高性能的PE-UHMW纤维。 PE-UHMW冻胶纺丝过程简述如下：溶解PE-UHMW于适当的溶剂中，制成半稀溶液，经喷丝孔挤出，然后以空气或水骤冷纺丝溶液，将其凝固成冻胶原丝。在冻胶原丝中，几乎所有的溶剂被包含其中，因此PE-UHMW大分子链的解缠状态被很好地保持下来，而且溶液温度的下降，导致冻胶体中PE-UHMW折叠链片晶的形成。这样，通过超倍热拉伸冻胶原丝可使大分子链充分取向和高度结晶，进而使呈折叠链的大分子转变为伸直链，从而制得高强度、高模量纤维。 PE-UHMW纤维是当今世界上第三代特种纤维，强度高达30.8cN/dtex,比强度是化纤中最高的，又具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐光等优良性能。它可直接制成绳索、缆绳、渔网和各种织物：防弹背心和衣服、防切割手套等，其中防弹衣的防弹效果优于芳纶。国际上已将PE-UHMW纤维织成不同纤度的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳等。UHMW-PE纤维的复合材料在军事上已用作装甲兵器的壳体、雷达的防护外壳罩、头盔等；体育用品上已制成弓弦、雪橇和滑水板等。 润滑挤出(注射)成型技术是在挤出(注射)物料与模壁之间形成一层润滑层，从而降低物料各点间的剪切速率差异，减小产品的变形，同时能够实现在低温、低能耗条件下提高高粘度聚合物的挤出(注射)速度。产生润滑层的方法主要有两种：自润滑和共润滑。 PE-UHMW的自润滑挤出(注射)是在其中添加适量的外部润滑剂，以降低聚合物分子与金属模壁间的摩擦与剪切，提高物料流动的均匀性及脱模效果和挤出质量。外部润滑剂主要有高级脂肪酸、复合脂、有机硅树脂、石蜡及其它低分子量树脂等。挤出(注射)加工前，首先将润滑剂同其它加工助剂一起混入物料中，生产时，物料中的润滑剂渗出，形成润滑层，实现自润滑挤出(注射)。 有专利报道：将70份石蜡油、30份PE-UHMW和1份氧相二氧化硅(高度分散的硅胶)混合造粒，在190℃的温度下就可实现顺利挤出(注射)。 PE-UHMW的共润滑挤出(注射)有两种情况，一是采用缝隙法将润滑剂压入模具中，使其在模腔内表面和熔融物料间形成润滑层；二是与低黏度树脂共混，使其作为产物的一部分。 如：生产PE-UHMW薄板时，由定量泵向模腔内输送SH200有机硅油作润滑剂，所得产品外观质量有明显提高，特别是由于挤出变形小，增加了拉伸强度。 辊压成型是一种固态加工方法，即在PE-UHMW的熔点以下对其施加高压，通过粒子形变，有效地将粒子与粒子融合。主要设备是一带有螺槽的旋转轮和一带有舌槽的弓形滑块，舌槽与螺槽垂直。在加工过程中有效地利用了物料与器壁之间的摩擦力，产生的压力足够使PE-UHMW粒子发生形变。在机座末端装有加热支台，经过模口挤出物料。如将此项辊压装置与挤压机联用，可使加工过程连续化。 把PE-UHMW树脂粉末在140～275℃之间进行1～30 min的短期加热，发现PE-UHMW的某些物理性能大大改善。用热处理过的PE-UHMW粉料压制出的制品和未热处理过的PE-UHMW制品相比，前者具有更好的物理性能和透明性，制品表面的光滑程度和低温力学性能大大提高。 采用射频加工PE-UHMW是一种崭新的加工方法，它是将PE-UHMW粉末和介电损耗高的炭黑粉末均匀混合在一起，用射频辐照，产生的热可使PE-UHMW粉末表面发生软化，从而使其能在一定压力下固结。用这种方法可在数分钟内模压出很厚的大型部件，其加工效率比PE-UHMW常规模压加工高许多倍。 将PE-UHMW溶解在挥发溶剂中，连续挤出，然后经一个热可逆凝胶／结晶过程，使其成为一种湿润的凝胶膜，蒸除溶剂使膜干燥。由于已形成的骨架结构限制了凝胶的收缩，在干燥过程中产生微孔，经双轴拉伸达到最大空隙率而不破坏完整的多孔结构。这种材料可用作防水、通氧织物和耐化学品服装，也可用作超滤／微量过滤膜、复合薄膜和蓄电池隔板等。与其它方法相比，由此法制备的多孔PE-UHMW膜具有最佳的孔径、强度和厚度等综合性能。 超高分子量聚乙烯由于粘度极高，无法采用普通的螺杆式加工方法，长期以来受限于压制烧结方法生产板材等极其简单的制品，生产效率极为低下，而对于形状复杂、需求量极高的各种耐磨、耐冲击、耐腐蚀零部件则必须依靠先进的注射成型方法。UHMWPE的相对分子质量极高，熔体特性和一般热塑性塑料截然不同，给成型加工带来很大困难。为此，2024年10月24日举行的“2024超高分子量聚乙烯创新发展论坛”将邀请北京化工何继敏授将呈现关于“超高分子量聚乙烯挤出、注塑成型技术及装备的研究与应用”的演讲。
图文来源：高性能树脂及应用
