超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料，它的分子结构与普通聚乙烯(PE)完全相同，但相对分子质量可达(1-4)×10⁶。随着相对分子质量的大幅度升高，UHMWPE表现出普通PE所不具备的优异性能，如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等。

    由于UHMWPE分子链很长，易发生链缠结，熔融时熔体黏度高达10⁸Pa·s，熔体流动性差且临界剪切速率很低，因此容易导致熔体破裂，使其成型加工困难。为改善UHMWPE的加工成型性能，需要对其流动性进行改性，而物理改性是主要的手段。

    1 UHMWPE的物理改性

    物理改性不改变分子构型，但可以赋予材料新的性能。目前常用的物理改性方法主要有:(1)将UHMWPE与低熔点、低黏度的树脂共混改性；(2)加入流动改性剂，以降低UHMWPE的熔体黏度，改善其加工性能，使之能在普通挤出机和注射机上加工；(3)液晶高分子原位复合材料改性等。

    1.1 共混改性

    共混改性是改善UHMWPE熔体流动性最有效、简便的途径。共混时所用的第二组分主要是指低熔点、低黏度的树脂，如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚酯等。目前使用较多的是HDPE和LDPE。当共混体系被加热到熔点以上时，UHMWPE就会悬浮在第二组分的液相中，形成可挤出、可注射的悬浮体物料。

    将UHMWPE与LDPE(或HDPE)共混可使其成型加工性能获得显著改善。但共混体系在冷却过程中会形成较大的球晶，球晶之间有明显的界面。在这些界面上存在着由分子链排布不同引起的内应力，由此会导致产生裂纹，所以与基体聚合物相比，共混物的拉伸强度有所下降。当受外力冲击时，裂纹会很快沿球晶界面发展而断裂，引起冲击强度降低。为保持共混体系的力学性能，可以采用加入适量成核剂，如硅灰石、苯甲酸、苯甲酸盐、硬脂酸盐、己二酸盐的方法阻止其力学性能下降。

    Dumoulin等对UHMWPE与中相对分子质量聚乙烯(MMWPE)的共混物进行了研究。在双辊混炼温度175℃，混炼时间10min；密炼温度185-200℃，密炼时间10min的条件下，制备了UHMWPE含量小于或等于6%(质量分数，以下同)的共混物。在上述条件下制备的共混物的流变性能得到极大改善。

    Veda等对UHMWPE与MMWPE的共混物进行了研究。结果表明，UHMWPE与MMWPE在给定条件下能共结晶。但加入MMWPE后，共混物的冲击性能、耐磨性能有所下降。为保持力学性能，在共混体系中加入成核剂。

    专利介绍了一种UHMWPE共混改性方法。将70%的UHMWPE与30%的PE共混，用共混物挤出的制品拉伸强度为390MPa，断裂伸长率为290%，用带缺口试样进行Izod冲击试验时，试样不断裂。

    专利报道，将79.18%的UHMWPE(相对分子质量3.5×10⁶)，19.19%的普通PE(相对分子质量6.0×10⁵)，0.13%的成核剂(热解硅石，粒径5-50μm，表面积100-400m²/g)熔融混合，所得共混物可在普通注射机上成型，产品的抗冲击性、耐磨性等物理机械性能优于不加成核剂的共混物。

    Vadhar等对UHMWPE与线型低密度聚乙烯(LLDPE)共混物进行了研究。采用同步和顺序投料方式，在密炼机、混料机中制备UHMWPE与LLDPE共混物。同步投料即在密炼温度180℃时，将两种组分同时加入密炼机内混炼；顺序投料即在250℃时先将UHMWPE树脂加入混料机中混炼，然后将其冷却到180℃，再加入LLDPE继续混炼。

    实验结果表明，投料方式对共混物的流变性能和力学性能影响极大。差示扫描量热及小角激光散射图像分析仪分析表明，顺序投料方式制备的共混物中，UHMWPE和LLDPE组分之间发生共结晶现象而且两种组分的混合均匀程度优于同步投料方式制备的共混物。由于采用顺序投料方式时，加工成型温度降低，因此不会出现熔体破裂现象。

    Gongde Liu等问的研究表明，PP能很好地改善UHMWPE的流动性能，使其容易在单螺杆挤出机中加工成型。

    尹德荟等研究表明，UHMWPE/HDPE/CaSt₂体系在保持较高力学性能的同时，又具有很好的加工流动性能。

    李炳海等研究了UHMWPE/HDPE共混物的流动性能。当HDPE的含量为20%-30%，熔体流动速率(MFR)为1.0-10.0g/10min时，共混物的流动性能达到峰值，而后随HDPE含量的增加共混物流动性能下降；当HDPE含量大于80%时，共混体系的流动性能才明显提高。这说明HDPE对UHMWPE分子链的解缠结和增缠结作用同时存在且相互竞争，竞争结果主要取决于两者组成比、黏度比等因素的共同作用。

    袁辉等研究了HDPE、PP及PA对UHMW-PE流动性的影响。结果表明，当HDPEGC7260加入量为10%-50%时，共混物的MFR为3.31-20.94g/10min；PP加入量为10%-50%时，共混物的MFR为2.19-20.00g/10min。当PA含量大于40%时，共混物的流动性能才有较大提高。

    齐东超等用超支化聚(酯-酰胺)对UHMWPE进行改性。研究表明，超支化聚(酯-酰胺)加入量为5%时，可有效改善UHMWPE的流动性能，且对相对分子质量较小的UHMWPE效果更好。

    1.2 流动改性剂改性

    流动改性剂可以促进UHMWPE基体长链分子的解缠，并在其大分子之间起润滑作用，改善大分子链间的能量传递，使链段的相对滑动变得容易，从而改善聚合物的流动性。流动改性剂的选择标准是分散性好，能与UHMWPE相容而且热稳定性好。

    UHMWPE常用的流动改性剂主要有聚乙烯蜡、氧化聚乙烯、石蜡、硬脂酸盐、硬脂酸、硬脂醇以及脂肪族碳氢化合物及其衍生物等。

    Herten等研制出一种名为Acuflow的树脂添加剂，将其用作UHMWPE的流动改性剂，可使UHMWPE在普通注射机及挤出机上加工成型，加工温度为150-300℃，压力10-40MPa。

    专利报道，将UHMWPE与一种复合流动改性体系共混，在φ50mm，长径比为20的单螺杆挤出机上用共混物挤出宽300mm、厚312mm的片材，其力学性能见表1。共混体系包括含15-30个碳的饱和脂肪醇5-15份(A组分)；石油烃环戊二烯树脂5-15份(B组分)(相对分子质量为500-2000，软化点为70-130℃)；低相对分子质量PE10-15份(C组分)(相对分子质量1000-2000)，流动改性剂总用量为15-35份。A组分的作用是减少物料在出口模时因不稳定流动而产生熔体破裂；B组分的作用是促进物料输送；C组分的作用是改善熔体流动性，增强挤出能力。

    专利报道，将UHMWPE、流动改性剂、含有双键的单体和自由基引发剂搅拌混炼得到共混物。共混物的挤出稳定性和流动性良好，主要用于纺丝。

                         表1  挤出片材力学性能

    注:UHMWPE为100份时，挤出片材的冲击强度为500J/m，磨耗率为0.50%，断裂强度为39.0MPa，伸长率为440%。

    徐定宇等制备了一种复合流动改性剂MS2，添加少量MS2(0.6%-0.8%)后，UHMWPE的熔点下降10℃以上，拉伸强度下降不明显，能在普通注射机上注塑成型。

    张炜等研究了烯烃类润滑剂FM4对UHMWPE流动性能的影响。结果表明，随着FM4含量增加，共混物的MFR增大。当FM4含量为20%时，曲线出现拐点，随后MFR迅速上升；当FM4含量从20%增至30%时，共混物的MFR由0.71g/10min增至2.54g/10min。

    1.3 液晶高分子(LCP)原位复合材料改性

    LCP原位复合材料是指热致液晶高分子与热塑性树脂的共混物，这种共混物在熔融加工过程中因其分子结构的刚直性，在力场作用下可自发地沿流动方向取向，产生明显的剪切变稀行为，并在基体树脂中原位就地形成具有取向结构的增强相，从而起到增强热塑性树脂和改善加工流动性的作用。

    用LCP对UHMWPE进行改性，不仅可以提高其加工流动性，而且可采用普通热塑加工工艺及通用设备进行加工，能使UHMWPE保持较高的拉伸强度和冲击强度，其耐磨性也有较大提高，不足之处是加工温度高达250-300℃。

    赵安赤采用高性能LCP，加入特定助剂后与UHMWPE进行共混，用原位复合自增强技术制备的UHMWPE/LCP复合材料，极大地改善了UHMWPE的流动性。当UHMWPE/LCP(质量比)分别为5:95，20:80，30:70时，复合材料的MFR为0.015，8.070，24.740g/10min。

    Aiello等将LCP与UHMWPE进行共混，可以改善UHMWPE的流动性能。

    2 加工成型工艺

    UHMWPE常见的成型工艺有:模压成型、挤出成型和注射成型等。

    2.1 模压成型

    模压成型主要指压制烧结工艺和传递模塑法，是UHMWPE最早的加工方法。压制烧结是将UHMWPE粉末在室温下置于模具中，加压制成有一定强度和密度的坯件，然后在规定的温度下烧结成型。传递模塑法是介于模压和注塑之间的一种成型工艺，可分为柱塞式传递模塑和螺杆传递模塑。模压成型工艺的特点是成本低、设备简单、投资少、不受UHMWPE相对分子质量高低的影响；缺点是生产效率低、劳动强度大、产品质量不稳定，只能生产一些形状相对简单的制品，而且不能连续生产。

    在其他成型工艺还不成熟的情况下，世界各国主要采用模压成型工艺加工UHMWPE制品。

    2.2 挤出成型

    挤出成型主要包括单螺杆挤出、双螺杆挤出和柱塞式挤出。采用挤出成型工艺可以生产UHMWPE管材、棒材、板材以及各种型材等。日本三井油化公司于1974年实现了单螺杆挤出UHMWPE技术的商业化。

    薛平等用单螺杆实现了UHMWPE管材的连续挤出。张禹飞等研制出生产UHMWPE管材、棒材等的STJ系列柱塞式挤出机。

    北京化工大学在专门研制的单螺杆挤出机上实现了UHMWPE的连续挤出，能顺利挤出各种规格的管材与棒材，使用的UHMWPE黏均分子量达到2.85×10⁶。

    日本三井油化公司介绍了一种吹塑挤出UHMWPE薄膜的新工艺。采用该工艺可以制备纵向拉伸比(6-30):1，吹胀比(6-10):1，薄膜厚度5-140μm的UHMWPE薄膜。

    2.3 注射成型

    注射成型时物料在高压下呈喷射流动状，利于充模，使制品保持尺寸稳定。采用注射成型方法可以生产各种不规则、复杂、非连续截面的UHMWPE制品。

    1974年日本三井油化公司开发出注射成型工艺，于1976年实现工业化，使用该工艺的注塑机实际上是柱塞注射和压缩模塑的结合。之后，该公司又成功研制出复式螺杆注塑机。

    德国鲁尔化学公司1981年用D170型复式螺杆注塑机加工出UHMWPE制品。美国Hoechs公司于1985年实现了UHMWPE的螺杆注射成型工艺。1983年北京塑料研究所用经过改良的国产XS-ZY-A125型复式螺杆注塑机成功注塑出UHMWPE滚轮、水泵的轴套以及对制品要求较高的人工髋臼等产品。

    刘玉风等用德国Battenfeld公司的高压高速注射机，对UHMWPE的注射成型工艺进行了研究。结果表明，注射温度对UHMWPE影响较小；提高注射压力可显著改善UHMWPE的流动性；注射速度应先增大后递减。

    赵琨制造出UHMWPE-金属复合结构密封环。这种新型密封环在泥沙中的使用时间是普通密封环的10倍。

    言丞杰发明了用UHMWPE制备人工关节的制造方法。由UHMWPE制备的人工关节，耐磨性和安全性比聚四氟乙烯更优异。

    2.4 其他成型工艺

    2.4.1 吹塑成型

    UHMWPE耐冲击性强，耐磨损性高，因此可制成高强度制品且制品尺寸稳定，壁厚均匀。吹塑成型的UHMWPE主要用于大型中空制品，如国外普遍采用商品名为Shodecs Super的UHMWPE专用吹塑料生产汽车油箱、滚筒等。吹塑成型工艺在国外较为成熟，但国内还未实现工业化生产。

    2.4.2 热塑性加工

    热塑性加工是指UHMWPE的二次加工，如把较厚的UHMWPE板通过热滚筒的滚压变成薄板；或用类似金属冲压的方法把UHMWPE加压加温，然后通过模具成型制成各种零部件如轴套、齿轮、滚轮等。

    此外，还有冲压成型、焊接成型、滚塑成型以及冻胶仿丝等成型工艺。

    3 结语