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超耐磨的自潤性聚烯烴Lubmer

作者:
蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
蔡瑞禧 大華技術學院化工系副教授
林建興 允拓材料科技股份有限公司

Lubmer是日本三井化學公司所開發出的一種特殊聚烯烴樹脂。Lubmer最為突出的特性為其優異的自身潤滑性,耐磨耗性以及消音性質。此外,Lubmer還具有優異的電氣性質,良好的耐化學品性以及優良的加工成型性。突出的特性及優良的加工性使Lubmer具有極為廣泛的應用。典型的應用包括機械零件,電子電氣零件,辦公室自動化設備零件,家用器具,汽車零件,以及與我們日常生活息息相關的許多產品。

 

簡介

一般的高密度聚乙烯(HDPE)的分子量很少會超過100,000,易於熔融加工是其特色。然而,HDPE並無非常突出的特性。相反的,分子量超過1,000,000的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)卻有許多極為突出的特性。UHMWPE的突出特性包括優異的耐磨耗性,在室溫及低溫下極高的耐衝擊強度,極低的摩擦係數,優異的自身潤滑性及消音性質,以及良好的耐化學品性。UHMWPE的獨特性質使其受到許多大廠的重視,並有許多商業化成功的例子如Allied-Signal的Ultrac,Himont的UHMW 1900,Hoechst Celanese的Hostalen GUR以及日本三井化學公司(Mitsui Chemicals, Inc.)的HI-ZEX MILLION。

分子量太高使UHMWPE不易於加工,因此,其應用受到許多的限制。UHMWPE可利用壓縮成型(compression molding)或衝擊押出成型(ram extrusion)來加工,但是加工仍屬困難。因此,一些製造商除了提供UHMWPE的粉狀樹脂外,還會提供UHMWPE製的膜,棒,管及塊狀半成品,以利於後續的加工。另外,UHMWPE製的細粉可用來作為固體潤滑劑或改質劑,典型的例子如日本三井化學公司的MIPELON。

如果UHMWPE的分子量降低至可射出成型的地步,而仍然保有UHMWPE的突出特性,那麼其應用性將會大幅提升。當然,這必須從聚合與生產技術著手。日本三井化學公司以其獨特的製程開發出一種能保有UHMWPE的一些突出特性,且射出成型加工良好的特殊聚烯烴樹脂:Lubmer。

經過改善之後的Lubmer可利用傳統的加工設備如射出成型機,押出機等來加工。Lubmer的流動性佳,可容易的以射出成型法製成薄壁物件,且具有複雜形狀的物件的多模穴加工成型也是可行的。Lubmer最為突出的特性為其優異的自身潤滑性,耐磨耗性以及消音性質。Lubmer的摩擦係數極低,其摩擦性質可與聚四氟乙烯媲美,而Lubmer的耐磨耗性並不遜於UHMWPE。Lubmer具有極佳的隔音品質,Lubmer在齒輪以及滾筒的應用上可促成優異的隔音效果,因此,使用時噪音很小。此外,Lubmer還具有優異的電氣性質以及優異的耐化學品性。

突出的特性使Lubmer具有極為廣泛的應用。典型的應用包括機械零件,電子電氣零件,辦公室自動化設備零件,家用器具,汽車零件,以及與我們日常生活息息相關的許多產品。

 

Lumber的等級與性質

Lubmer的等級與一些性質如表1所示。

表1. Lubmer的等級與性質

(注)耐磨試驗係以SUS 304為匹配材料,表面粗糙度為6S。

*:P=7.5 kg/cm2,V=12 m/min。

**:P=3 kg/cm2,V=33.3 m/min,時間為169小時。

 

Lumber的機械性質

Lubmer的一些機械性質如表1所示。Lubmer的強度與模數較聚縮醛(POM)及尼龍6為低,斷裂伸長率也比較低,然而,Lubmer的耐衝擊強度並不遜於POM及尼龍6。基本上,Lubmer是屬於較軔的材料,這對其耐磨耗性是有所貢獻的。

有一個相當有趣的現象是Lubmer的耐衝擊強度受到加工歷程的影響很大。圖1顯示溫度及加工流動方向對L5000的耐衝擊強度的影響。由圖1可看出不同模具以及流動方向對所測出的耐衝擊強度有很大的影響。造成這現象的主要因素可能為定向(orientation)以及結晶異向性(anisotropy)。利用射出成型所製成的方形板(120*130*2 mm)具有相當程度的異向性,換言之,其流動方向與垂直於流動的方向在分子定向以及結晶均勻性是有所不同的,因此有不等的耐衝擊強度。然而,垂直方向的耐衝擊強度高於流動方向,這現象就相當特別了。更特殊的是以射出成型製成的試片的耐衝擊強度高於方形板。有一個合理的解釋就是方形板或試片的異向性主導了耐衝擊強度。異向性越低,耐衝擊強度越高。射出成型試片的異向性最低,其耐衝擊強度也最高。而方形板的流動方向的異向性最高,故其耐衝擊強度最低。如果考慮高耐衝擊強度的需求,在Lubmer的產品設計與模具設計上,應儘量減少異向性。

由圖1可看出溫度升高時,L5000的耐衝擊強度有隨著提高的趨勢。在低溫下,如-40℃,L5000仍可維持相當高的耐衝擊強度。然而,溫度升高時,Lubmer的一些機械性質卻會大幅下滑。溫度對熱壓成型製成的L5000方形板的曲折強度與曲折模數的影響如圖2所示。很明顯的可看出溫度升高時,L5000的曲折強度與曲折模數隨著大幅下降。如果要考慮耐熱性,Lubmer就不是很好的選擇。

Lubmer的耐蠕變性約略類似於一般的聚乙烯。圖3顯示L5000的蠕變行為。在低負載下,譬如說小於50 kg/cm2,L5000的耐蠕變性還算不錯。然而,在高負載下,譬如說150 kg/cm2,L5000的蠕變現象就相當嚴重了。因此,在Lubmer的產品設計上應避免長期的高負載情況。


圖1. 溫度及加工流動方向對L5000的耐衝擊強度的影響

△:射出成型製成的方形板的流動方向(MD)

○:射出成型製成的方形板的垂直方向(TD)

□:射出成型製成的試片

圖2. 溫度對L5000的曲折強度與曲折模數的影響

圖3. 在不同應力下L5000的蠕變行為

 

Lumber的摩擦性質

Lubmer具有極為優異的耐磨耗性與摩擦性質,一些摩擦性質如表1所示。 在Lubmer的耐磨耗試驗中,以碳鋼SUS 304(表面粗糙度為6S)為匹配材料,在壓力P=3 kg/cm2,速度V=33.3 m/min,經過169小時的時間(t)後測量試片被磨耗的高度(s)。材料的平均磨耗速率s/t(單位為cm/sec)對PV的比值為磨耗係數k(單位為cm3/kg·m),可用來評估耐磨耗性。

k=(s/t)/PV

如表1所示,Lubmer的磨耗係數約為150*10-10,而相同的測試條件下,POM及尼龍6的磨耗係數分別為810*10-10與790*10-10。因此,Lubmer的耐磨耗性優於POM及尼龍6。

Lubmer的動摩擦係數很低,如表1所示。以動摩擦係數的觀點來看,Lubmer的摩擦性質優於POM及尼龍6。評估摩擦性質的另一方式為臨界PV值。以SUS 304(表面粗糙度為6S)為匹配材料,接觸面積為2 cm2,在固定速度(V=12 m/min)下,改變壓力P而測量Lubmer,POM及尼龍6的動摩擦係數,結果如圖4所示。尼龍6對鋼的動摩擦係數大,因此產生了大量的摩擦熱,如此會使溫度升高。當壓力超過5 kg/cm2之後,所產生的摩擦熱已足以使尼龍6造成熔化的現象,此壓力之上便無法測得動摩擦係數。此臨界壓力P與測試速度V的乘積便為其臨界PV值。POM及尼龍6的臨界PV值分別為60與90 (kg/cm2)*(m/min)。由於Lubmer的動摩擦係數很小,因摩擦熱所造成的溫度並不高,如表1所示。因此,高至25 kg/cm2的壓力下Lubmer仍然不會有熔化的現象,其臨界PV值超過300 (kg/cm2)*(m/min)。臨界PV值高相對的表示摩擦性質佳,以此觀點來看,Lubmer的摩擦性質優於POM及尼龍6。

Lubmer對碳鋼的摩擦性質極為優異,那麼,對其他材料又如何呢?表2列出Lubmer對不同匹配材料的摩擦性質。很明顯的可看出Lubmer對其他鋼材如鉻鉬鋼的摩擦性質也是極為優異,對POM及尼龍6的摩擦性質也是相當優良。然而,Lubmer對Lubmer的摩擦性質就不是太好。這是因為在摩擦生熱時,Lubmer可能有黏在一起的趨勢,使得動摩擦係數增大,也降低了臨界PV值。

當然,不同的耐磨測試所得的耐磨性質可能會有所不同。表3列出一些不同的耐磨測試所得Lubmer的耐磨性質,並與POM比較。這些結果說明Lubmer 的耐磨耗性的確優於POM。

表2. Lubmer L5000對不同匹配材料的摩擦性質

表3. 不同的測試法下Lubmer與POM的耐磨性質比較

 

Lumber的電氣性質

Lubmer的一些電氣性質如表1所示。Lubmer 的體積電阻係數可高達1017~1018Ωcm,顯示其絕緣性優異。Lubmer的介電強度也很高,約為45 kV/mm,較POM及尼龍6為優。Lubmer的介電常數很低,約為2.4。Lubmer的介電損失非常低,僅有1-2*10-10。Lubmer是屬於聚烯烴,其分子中無極性基,因此具有如此優異的電氣絕緣性質。

此外,如同其他聚烯烴一樣,Lubmer具有良好的耐電弧性(arc resistance)以及抗電痕性(anti-tracking properties)。依據ASTM D495的測試法,Lubmer在電弧下可承受約200秒的時間,所造成的是試樣熔化。也就是說Lubmer的耐電弧性約為200秒,大致與POM相當。Lubmer的比較電痕指數(comparative tracking inde; CTI)約為600,也是與POM相當。

整體來說,Lubmer的電氣絕緣性質優於POM及尼龍6。

 

Lumber的耐化學品性

Lubmer與其他高結晶度的聚烯烴一樣具有優良的耐化學品性。表4顯示Lubmer對一些化學品的耐受性。 Lubmer對許多化學品皆有優異的耐受性。然而,Lubmer會受到一些芳香族溶劑,烷類及鹵化碳氫化合物溶劑的影響,依環境條件而定。與POM及尼龍6比較,Lubmer的耐酸性與耐鹼性較為優異,但對一些芳香溶劑,烷類如及鹵化碳氫化合物溶劑等的抵抗力較差。

表4. Lubmer L4000的耐化學品性(22℃,浸泡30天)

註:

A:不變或影響很小; (A):重量少許改變或物性稍微降低;

B:膨潤,物性降低或外觀改變;

C:嚴重膨潤,外觀明顯改變; (C):溶解;

(D):破裂發生或分解。

 

Lumber的耐候性

Lubmer的熱安定性約略與其他聚烯烴類似。Lubmer長時間在高溫下會有明顯的老化現象,伴隨著脆化以及伸長率的降低。在某溫度下,伸長率降低至原來的10%的時間可視為其熱壽命(heat life)。一般的高密度聚乙烯(HDPE)的熱壽命與溫度的關係如圖5所示。如果在Lubmer中添加一些安定劑,將可提升熱安定性,如圖5所示。Lubmer L4000的耐熱配方可顯現優異的耐熱老化現象。


圖5. Lubmer L4000耐熱配方與HDPE的熱壽命與溫度的關係圖

Lubmer的耐候性與其他聚烯烴相當。如果Lubmer放置於室外,經過長時間受到紫外線的攻擊後,Lubmer會逐漸劣化,造成機械性質如抗張強度以及耐磨耗性的降低。在耐候試驗中,將試片放置於日光耐候機中照射,溫度設定為63℃,經過一段時間後測試其伸長率。 在耐候機中暴露時間對Lubmer的伸長率保持率的影響如圖6所示。由圖6可看出原始Lubmer會因紫外線的影響而在1000小時內快速劣化。由於碳黑(carbon black)具有吸收紫外線的能力,對Lubmer的耐候性有很大的幫助。如圖6所示,添加2%碳黑的Lubmer可大幅提高Lubmer的耐候性,經過5000小時後,完全看不出劣化現象。添加了0.5%碳黑的Lubmer也有優良的耐候性。

如果無法使用碳黑,以光安定劑為主的耐候劑(weathering agent)對Lubmer的耐候性也很有幫助。如圖6所示,添加少量(0.06-0.1%)耐候劑可有效的提高Lubmer的耐候性。


圖六.暴露時間對Lubmer的伸長率保持率的影響

 

Lumber的加工成型性

Lubmer 的分子量很高,所以Lubmer的熔融黏度相當高。雖則Lubmer的熔點僅約為135℃,但Lubmer 需在220-270℃或以上的溫度才有易於加工的熔融黏度。Lubmer,POM及尼龍6在270℃下的熔融黏度曲線如圖7所示。在270℃及低剪切變率(shear rate)下,Lubmer的熔融黏度高於POM及尼龍6,但在高剪切變率下,Lubmer的熔融黏度反而低於POM及尼龍6。此結果表示Lubmer的剪切稀化(shear thinning)現象極為顯得,也就是說高剪切變率有助於Lubmer的加工。


圖7. Lubmer,POM及尼龍6在270℃下的黏度對剪切變率曲線

以Toshiba IS-50射出成型機進行流動性實驗。所用的模具為螺旋直徑為4.8mm的螺旋試驗模。在射壓為1000/800 kg/cm2,射速為10/10之下,溫度對Lubmer的螺旋流動長度的影響如圖8所示。由圖8可看出Lubmer具有還算不錯的流動性。在三種Lubmer中,L3000的流動性最佳,其次為L4000,L5000最差。


圖8. Lubmer的螺旋流動曲線

Lubmer 可利用一般的射出成型機來加工成型,而具有合適的加熱容量及良好溫度控制的設備將是有所助益的。Lubmer的典型射出成型條件如表5所示。 如表1所示,Lubmer的吸水率超低,本身並無吸濕的問題,所以在加工之前並不需要預先乾燥。

表5.Lubmer的典型射出成型條件

 

Lumber的應用

Lubmer最突出的特性為優異的自身潤滑性與耐磨耗性。因此,Lubmer可應用於許多機械零件,包括必須符合最嚴苛摩擦標準的電子電氣零件。Lubmer還具有優異的消音性質,因而已成功地應用於必須避免過多雜音的辦公室自動化,家用器具,及影音設備等領域。此外,Lubmer可當作是一種工業材料,也可用來開發新的電子零件,汽車零件,以及與我們日常生活息息相關的許多產品。 總之,Lubmer因其突出且獨特的身潤滑性,耐磨耗性,消音性質,耐化學品性以及電氣性質而有極為廣泛的應用。典型的應用例子如表6所示。

表6.應用範例

參考文獻
1. D. L. Beach and Y. V. Kissin in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, (H. Mark, N. M. Bikales, C. G. Overberger, G. Menges, J. I. Kroschwits Eds.), 2nd Ed., Vol. 6, 490, Wiley, New York(1987).
2. S. S. Schwarts and S. H. Goodman, Plastic Materials and Processes, van Nostrand Reinhold Co., New York(1982).
3. “Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene: HI-ZEX MILLIONTM”, Product Information Bulletins, Mitsui Chemicals, Inc.(1994).
4. “Fine-Particle Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene Powder: MIPELONTM”, Product Information Bulletins, Mitsui Chemicals, Inc.(2000)
5. “A Special Polyolefin Resin with Superb Sliding Properties: LubmerTM”, Product Information Bulletins, Mitsui Chemicals, Inc.(2001)
6. “Special Polyolefin Resin LubmerTM: Physical Properties”, Technical Information Bulletins, Mitsui Chemicals, Inc.(1995).