姜雪楓(大慶石化公司,黑龍江 大慶 163714)
超高分子量聚乙烯研發(fā)概述
姜雪楓
(大慶石化公司,黑龍江 大慶 163714)
本文論述超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的催化劑體系及聚合工藝,從應用領域對我國超高分子量聚乙烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行分析,綜述超高分子量聚乙烯的研發(fā)狀況。我國在引進國外先進技術和經(jīng)驗的同時,應同時加大對適合加工產(chǎn)品所需的技術及設備,以及相關催化劑研發(fā)工作。
聚乙烯;超高分子量;催化劑;聚合工藝
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一種新型的熱塑型工程塑料,ASTMD4020和ISO11542定義的超高分子量聚乙烯平均分子量分別為大于310萬和100萬。高分子量使其具有優(yōu)良的性能,其耐沖擊、耐磨、吸收沖擊能、衛(wèi)生無毒、密度較小、自潤滑、不易粘附等綜合性能為普通聚乙烯和其它工程塑料所不可比??蓮V泛應用于紡織、建筑、交通、國防等諸多領域。
1.1 催化劑
目前超高分子量聚乙烯聚合用催化劑主要包括傳統(tǒng)Z-N催化劑、茂金屬催化劑、非茂金屬催化劑等。
(1)Z-N催化劑。Z-N催化劑是超高分子量聚乙烯生產(chǎn)最主要的催化劑之一。三井株式會社通過間歇淤漿聚合方法制取的催化劑,其堆積密度達到0.30g/cm3之高。R.Jamjah等發(fā)現(xiàn),運用傳統(tǒng)Z-N催化劑,隨著Al/Ti摩爾比的增加,所得產(chǎn)品粉末的相對分子質量是不斷降低的。R.L.Jones Jr等人通過氣相聚合,在反應釜聚合得到相對分子量高達5.6×106,而且顆粒均勻的粉末。
(2)茂金屬催化劑。該催化劑的高活性、單一活性中心的特點,使其能有效控制共聚物分子結構,使乙烯與位阻較大烯烴的共聚得以實現(xiàn)。Dow公司的方法是,采取強Lewis酸化合物處理,首先得到高效陽離子催化劑,再用該劑生產(chǎn),解決了窄分子量分布和產(chǎn)品加工性能之間的矛盾。日本三菱公司則聯(lián)合Exxon公司,通過氣相工藝制取了Exxpol茂金屬催化劑,有40余個牌號。
(3)非茂金屬催化劑。近年,非茂金屬催化劑研發(fā)亦十分活躍,對這類催化劑制取產(chǎn)品進行分析,結果表明所制取的聚烯烴表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。Equistar公司已經(jīng)開發(fā)了能生產(chǎn)窄分子量分布和組成范圍的非茂金屬催化劑。用此催化劑生產(chǎn)出的產(chǎn)品的透明度較高、抗沖擊性能優(yōu)良,而且加工容易。另外該類催化劑具有合成產(chǎn)率較高、成本降低、相對簡單等優(yōu)點,已發(fā)展為聚合催化劑的新關注點,超高分子量聚乙烯工業(yè)定然與這幾種催化劑共同發(fā)展。
1.2 聚合工藝
超高分子量聚乙烯的聚合工藝只有兩種:氣相工藝與淤漿工藝。因為流化床操作存在堵塞和熱點和催化劑的研發(fā)問題,該操作很不易于控制,所以氣相法生產(chǎn)工藝目前還不能系統(tǒng)的應用在工業(yè)生產(chǎn)中;淤漿工藝主要分為環(huán)管工藝和攪拌釜工藝,超高分子量聚乙烯中約有三分之二是采用連續(xù)攪拌釜聚合工藝。
2.1 用于內襯材質
優(yōu)異的抗沖擊性能、耐磨性能、不黏附性、自潤滑性、衛(wèi)生無毒等特點,使得超高分子量聚乙烯可被廣泛應用為各種內襯材質。如用于斗式提升機的進料口和出料口的接料擋板及內襯板,以降低物料的破碎,并降低機筒磨損;用于刮板輸送機的塑料托輪、耐磨導軌條,還可以作為刮板及機殼耐磨襯板,設備綜合性能得以提高;用于煤倉內壁襯板,煤倉壁磨損快和堵料的問題很容易便得以解決;另外,還可以用于汽車蓄電池隔板。
2.2 管道材質
該材料不僅具有優(yōu)秀的自潤滑性、耐腐蝕性、耐磨性、無毒性等優(yōu)點,還兼具內壓強度高、耐低溫、不結垢、耐沖擊、輕便、噪聲小等優(yōu)點于一身,從而氣體、液體以及固體物質,均可以通過該材料管道來輸送。輸送氣體涵蓋天然氣、煤氣、燃氣等,可輸送液體也涵蓋相當廣泛,如農(nóng)藥、海水、石油、油脂、水煤漿等均可輸送,可輸送的固體含礦粉、糧食、粉煤灰等多種多樣,還可輸送玻璃、化纖、建材等。
2.3 高性能型材
為降低產(chǎn)品的成本,提高產(chǎn)品的使用和安全性能,可以使用該材料加工各式各樣的齒輪、軸套、軸瓦、滾輪等,而且,其應用還不止于此,例如在紡織行業(yè)中打梭棒、連接器、掃花桿、緩沖塊、桿軸套等,幾乎所有部件都可使用此材料,另外可用做擺動后梁齒輪、凸輪、彈棉機、皮結、軸承襯瓦、皮結蓋板、緩沖器擋板、滾輪,來承受相當可觀的力量。
2.4 用于安保方面
國防、航天航空等方面也可大量使用超高分子量聚乙烯,用作頭盔、防彈衣、輕型車輛、甚至用于坦克裝甲以及纜繩等領域,其上佳的耐沖擊、耐磨性足以抵御炸彈。
2.5 薄膜板材
1mm以下厚度的材質,令人難以想象,被用來做煤倉底墊,這種薄膜板材具有非常穩(wěn)定的化學性質,用于接觸腐蝕性溶液和溶劑的環(huán)境完全勝任,這當然得益于其集抗腐蝕性、耐溶劑、耐磨損性、耐離子聚積性和耐沖擊性于一身的特點。另外,也完全可以用作食品藥品包裝。
2.6 用于醫(yī)學臨床
隨著醫(yī)學的不斷發(fā)展,對人工髖關節(jié)的髖臼、人工膝關節(jié)的襯墊,以及血液泵、組織支架等提出更高要求,在不斷篩選各種材質之后,醫(yī)學界將目光投向了具有優(yōu)良的生物相容性的超高分子量聚乙烯。目前,醫(yī)學臨床應用已取得很大成功,例如人工髖關節(jié)髖臼部件,保證金屬或陶瓷材質股骨頭的往復、旋轉有充分活動空間;用作人工膝關節(jié)襯墊,承受骨骼間的摩擦;用作長期使用的血液泵材料;用作組織支架,和堆積成型技術相結合,制備如人耳組織支架等形狀復雜的多孔支架。
就當前技術水平而言,世界范圍內的技術難題,仍然是超高分子量聚乙烯的加工,因為已有的采用注塑和擠出等方法加工的,絕大多數(shù)都僅限于較低分子量聚乙烯的加工。相信隨著催化劑技術的發(fā)展,產(chǎn)品加工技術的改進,在生產(chǎn)和應用方面,超高分子量聚乙烯定會實現(xiàn)突破,消費量亦必將持續(xù)增加。
[1]王麗紅.超高分子量聚乙烯管材的制備及應用[J].工程塑料應用,2007(03).
[2]朱西華.超高分子量聚乙烯UHMWPE板運用于儲運煤倉[J].中國西部科技,2007(01).
[3]牟發(fā)章.超高分子量聚乙烯薄膜需求增長[J].塑料,2009(04).