超高分子量聚乙烯改性研究进展
崔小明
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，由于其具有优异的抗冲
击性、耐磨损性、耐化学腐蚀性、耐低温性、耐应力开裂以及抗粘附能力等性能，可以代替碳钢、不锈钢、青铜等
材料，在纺织、采矿、化工、包装、机械、建筑等领域具有广泛的应用。自1958年德国赫斯特公司实现工业化生
产以来，世界UHMWPE的生产发展很快。目前，全世界UHMWPE的总产量已经超过15万t/a，年需求量约20万t，
北美和西欧地区是主要的生产和消费地区，亚洲地区以日本的消费量最大。我国从1964年开始生产UHMWPE，目前
总产能约1.0万t/a，需求量约1.5万t/a，生产厂家主要有北京助剂二厂、广州塑料厂以及合肥化工研究所等。
但UHMWPE的熔融指数（接近于零）极低，熔点高（190～210℃）、粘度大、流动性差而极难加工成型，因此在新的
应用领域需要对其进行改性，进一步提高强度、硬度、热变形温度、弯曲强度和蠕变性能以及抗磨损能力等，从而
改进其使用效果并扩大应用范围。常用的改性方法有物理改性、化学改性、单体在填料表面聚合改性及UHMWPE自
增强改性。
物理改性
1.低熔点、低粘度树脂共混改性
低熔点、低粘度树脂HDPE、LDPE、PP、PA等与UHMWPE混合形成共混体系。UHMWPE与LDPE或HDPE等共混可
使其成型加工性能获得显著改善，但共混物的冲击强度有所下降，加入适量成核剂如硅灰石、苯甲酸、苯甲酸盐、
硬脂酸盐、己二酸盐等，有助于阻止共混后材料力学性能的下降。另外，在PP/UHMWPE共混体系中，PP对UHMWPE
有明显的增韧作用。
2.流动改性剂改性
流动改性剂可以改善聚合物的流动性。用于UHMWPE改性的常用流动剂有固体石蜡（用量小于10%）、聚乙烯蜡
（用量小于15%）以及脂肪族聚酯等。
北京化工大学采用复合流动改性剂MS2，在专门研制的UHMWPE单螺杆挤出机上实现了连续挤出，使用的UHMWPE
粘均分子量2.85×106，MS2用量小于5%，加工温度100～240℃，螺杆转速35r/min，能顺利挤出各种规格的管材
与棒材。
青岛化工学院采用硬脂酸钙（CaSt2）和内、外润滑剂对UHMWPE改性，结果表明，CaSt2可显著地改善UHMWPE
的加工性能，拉伸强度和冲击强度不会下降，内、外润滑剂并用体系的改性效果次之，而单用内润滑剂改性效果最
差。
3.填料共混复合改性
该方法可以改善UHMWPE的蠕变性、弯曲强度、刚度、硬度、热挠曲、热变形温度和尺寸稳定性等。常用的掺
杂填料有玻璃微珠、玻璃纤维、云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、炭黑、层状硅酸盐等，在UHMWPE中填料
的最大填充量一般不超过30%，经偶联剂处理后填充量可以达到50%～75%。
清华大学采用三氧化二铝、二氧化锰、炭黑和玻璃微珠作为填料对改善UHMWPE的表面硬度、热变形温度及耐
磨性能进行了研究。结果发现，玻璃微珠可使UHMWPE耐磨性提高约40%，在缺口冲击强度保持率为70%时，热变形
温度可提高30～40℃。随着填料含量的增加，炭黑填充的UHMWPE的缺口冲击强度下降较快，玻璃微珠下降较为缓
慢，当玻璃微珠含量在40%以下时，冲击强度还能保持相当高的数值（60kJ/m2以上）。用纳米管填充UHMWPE发现，
1%碳纳米管就可提高UHMWPE的冲击强度20%～40%，并有增韧效果，0.3%含量就可达到抗静电要求。中国矿业大学
采用二硫化钼、铜粉和超细玻璃微珠作为填料来改善UHMWPE性能。此外，安徽省化工研究院、中科院化学所等也
就填料对UHMWPE的性能影响进行了研究。
化学改性
1.化学交联改性
①过氧化物交联
UHMWPE经过氧化物交联后有体型结构却不是完全交联，因此具有热可塑性和优良的硬度、韧性以及耐应力开
裂等性能。清华大学采用过氧化二苯甲酰(DCP)为交联剂对UHMWPE进行交联改性研究，DCP的用量≤1%，当DCP用
量为0.25%时，冲击强度可提高48%。随着DCP用量的增加，热变形温度也提高。
②偶联剂交联
常用的偶联剂有乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷。偶联剂通常由DCP引发，催化剂为有机锡衍生物。
由于过氧化物也发生交联，为控制交联度，应严格控制过氧化物用量。
2.辐射交联改性
辐射交联改性是采用电子射线或γ-射线直接对UHMWPE制品进 姓丈涫狗肿臃⑸涣Ｔ谝欢亮康牡缱由湎
呋蚱渌湎叩淖饔孟拢琔HMWPE分子中的一部分主链或侧链被射线切断，产生一定量的自由基，这些自由基彼此结
合，在UHMWPE内部形成交联链，达到交联改性的目的。辐射交联反应主要发生在聚合物表面，不影响其内部结构
和性能。经一定剂量辐照后，UHMWPE的蠕变性、浸油性和硬度等物理性能得到一定程度的改善。用γ-射线对人造
UHMWPE关节进行辐射，在消毒的同时使其发生交联，可增强人造关节的硬度和亲水性，并且使耐蠕变性得以提高，
从而延长其使用寿命。利用辐射将UHMWPE与聚四氟乙烯(PTFE)接枝结合，也可改善UHMWPE的抗磨损和蠕变性能。
此外，也可以通过热处理对UHMWPE进行改性。如将UHMWPE粉末在140～275℃下进行l～30min的热处理(瞬时加
热不会引起降解)，可大大提高如透明性、制品表面的光洁度和低温力学等物理力学性能。
3.单体在填料表面聚合改性
单体在填料表面聚合改性工艺是高分子合成中一种新型的聚合方法，是将填料进行处理后，使其粒子表面形成
活性中心，在聚合过程中使聚合物单体在填料粒子表面聚合，形成紧密包裹粒子的树脂，得到具有独特性能的复合
材料。该复合材料除具有掺混型复合材料的性能外，还有自己本身的特性，即不必熔融聚乙烯树脂，可保持填料的
形状；而且所得复合材料是均匀的，其拉伸强度、冲击强度与UHMWPE相差不大，但复合材料的硬度、弯曲强度，
尤其是弯曲模量要比纯UHMWPE提高许多，复合材料的热力学性能也有较好的改善。
向聚合体系中加入氢或其他链转移剂，可以控制UHMWPE的分子量大小，使得树脂更易于加工。比如氧化铝、
二氧化硅、碳酸钙、碱式碳酸铝钠、羟基硅灰石和磷酸钙等可以制成高模量的均匀聚合填充UHMWPE复合材料。另
外，用硅藻土和高岭土为填料合成的UHMWPE复合材料综合性能优于共混型材料。
4.自增强改性
在UHMWPE基体中加入UHMWPE纤维，由于基体和纤维具有相同的化学特征，因此化学相容性好，二组分的界面
结合力强，可获得机械性能优良的复合材料。UHMWPE纤维的加入可使UHMWPE的拉伸强度、模量，冲击强度、耐蠕
变性大大提高。与纯UHMWPE相比，在UHMWPE中加入体积含量为60%的UHMWPE纤维，可使其最大应力和模量分别
提高160%和60%。这种自增强的UHMWPE材料尤其适用于生物医学上承重的场合、人造关节的整体替换等方面，这
种材料的低体积磨损率可提高其使用寿命。
结 语
分析认为，今后UHMWPE改性的发展方向是单体在填料表面聚合改性和UHMWPE的自增强改性。单体在填料表面
聚合改性作为一种新型工艺，工艺条件的变化对材料性能影响很大，还需要进一步完善。由于UHMWPE自增强材料
应用领域的特殊性，要求在其改性方面的研究更深入，以期在生物医学方面得到更好的应用。