超高分子量聚乙烯加工技術(shù)

摘要：超高分子量聚乙烯英文簡(jiǎn)稱UHMW-PE，它是一種來(lái)源豐富、價(jià)格適中、性能優(yōu)異的一類熱塑性工程塑料，由于具有耐沖擊性、耐腐蝕、耐磨損、自潤(rùn)滑性、無(wú)毒性及極優(yōu)良的耐低溫性等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用在許多領(lǐng)域。“性能卓越，加工困難”是UHMW-PE的一大特點(diǎn)，其原因就在于UHMW-PE的分子鏈極長(zhǎng)，致使分子鏈互相纏結(jié)，很難呈規(guī)則排列，在引起聚集態(tài)變化的同時(shí)(如:結(jié)晶度偏低-65%~85%，密度偏低-0.93~0.94g/m3)，大分子鏈間的無(wú)規(guī)纏結(jié)又使UHMW-PE對(duì)熱運(yùn)動(dòng)反應(yīng)遲緩，當(dāng)加熱到熔點(diǎn)以上時(shí)，熔體呈現(xiàn)橡膠狀高粘彈體狀，熔體粘度高達(dá)108Pa.s，熔體流動(dòng)速率幾乎為零，造成UHMW-PE臨界剪切速率很低，易產(chǎn)生熔體破裂等缺陷。因此，很難用常規(guī)的聚合物加工方法來(lái)成型UHMW-PE制品，在一段時(shí)間內(nèi)限制了UHMW-PE的推廣使用，故研究UHMW-PE的成型加工顯得尤為重要。常用的成型方法有模壓成型法（1965年前后）、擠出成型法（1970年前后）和注塑成型法（1975年前后）3種。本論文首先簡(jiǎn)要介紹一下UHMW-PE的性能及成型方法，然后分別對(duì)它的單螺桿擠出成型工藝和雙螺桿擠出成型工藝做詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：性能；加工性能；成型方法；單螺桿擠出成型法；雙螺桿擠出成型

1 UHMW-PE概述

1.1 UHMW-PE的發(fā)展簡(jiǎn)史

超高分子量聚乙烯通常是指相對(duì)分子質(zhì)量在150萬(wàn)以上的線型聚乙烯，其英文全稱為Ultra High Molecular Weight Polyethylene，簡(jiǎn)稱UHMW-PE。UHMW-PE在分子結(jié)構(gòu)上與普通聚乙烯相同，其主鏈上的鏈節(jié)都是(-CH2-CH2-)，但普通聚乙烯的分子量較低，約在5-30萬(wàn)之間，即使是高分子量高密度聚乙烯(HMWHPE)，其重均分子量也僅為20-50萬(wàn)，而UHMW-PE的分子量高達(dá)巧于600萬(wàn)，德國(guó)甚至有分子量高達(dá)1000萬(wàn)以上的產(chǎn)品。

UHMW-PE是一種來(lái)源豐富、價(jià)格適中、性能優(yōu)異的一類熱塑性工程塑料，其耐沖擊性、耐腐蝕、耐磨損、自潤(rùn)滑性、無(wú)毒性及極優(yōu)良的耐低溫性等優(yōu)點(diǎn)，使該材料廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械、化工機(jī)械、食品和造紙等領(lǐng)域，作為易磨損、易腐蝕、高沖擊、低溫及不能使用潤(rùn)滑油的各種零部件及料倉(cāng)襯里、溜槽、滑道襯板、滑軌、油箱等。UHMW-PE材料的使用壽命不僅高于尼龍和聚四氛乙烯制品，且耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)不銹鋼等金屬制品。由于UHMW-PE具有優(yōu)良的綜合性能，在國(guó)外被稱為“驚異的塑料”[1]。

UHMW-PE首先由西德Hoechest公司于1958年開(kāi)發(fā)成功，其后美國(guó)Hercules公司及日本三井油化相繼較大規(guī)模地工業(yè)化生產(chǎn)，北京助劑二廠是國(guó)內(nèi)UHMW-PE的主要廠家。長(zhǎng)期以來(lái)，UHMW-PE由于加工困難，致使UHMW-PE材料的推廣應(yīng)用受到一定限制。近年來(lái)由于加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也隨之?dāng)U大。目前UHMW-PE制品的加工仍以壓制燒結(jié)和柱塞法為主。七十年代中期以來(lái)，日本先后開(kāi)發(fā)了單螺桿擠出和往復(fù)螺桿注射成型工藝，美國(guó)和西德也相繼采用單螺桿擠出和注射成型法加工UHMW-PE制品。

1.2 UHMW-PE的合成方法

超高分子量聚乙烯的合成方法與普通的高密度聚乙烯相類似。多采用齊格勒催化劑，在一定的條件下使聚乙烯聚合，即可得到超高分子量聚乙烯。此外，還有索爾維法和U.C.C氣相法[2]。

(l)齊格勒低壓淤漿法

以β-TiCl3/Al(C2H5)2Cl或TiCl4/Al(C2H2)2Cl為催化劑，以60~120℃餾分得飽和烴為分散介質(zhì)(或以庚烷、汽油為溶劑)，在常壓或接近常壓，75~85℃的條件下使聚乙烯聚合，便合成得相對(duì)分子質(zhì)量為100-500萬(wàn)的超高分子量聚乙烯。

(2)索爾維法

索爾維法的催化劑是以氧化鎂作為載體，有機(jī)金屬化合物為催化劑，改變載體的活化溫度，即可調(diào)節(jié)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量。它的生產(chǎn)工藝是先將乙烯、共聚單體、催化劑、氫和己烷(稀釋劑)一起加入環(huán)形反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為60~90，反應(yīng)壓力為3MPa，停留時(shí)間為2.5~3.0h，反應(yīng)器內(nèi)漿液濃度為28%，乙烯轉(zhuǎn)化率可達(dá)85%-93%。聚合物漿液經(jīng)兩次汽提、離心、干燥和造粒后即得成品。

(3)U.C.C氣相法

U.C.C氣相法是美國(guó)聯(lián)合碳化物公司發(fā)明的使乙烯在硫化床中氣相低壓聚合，直接制造干粉狀聚乙烯的方法。催化劑一般選用有機(jī)鉻化合物或齊格勒催化劑，以硅膠為載體。聚合反應(yīng)在硫化床反應(yīng)器中進(jìn)行，聚合溫度為95~105℃，壓力為2.1MPa，停留時(shí)間3~5h。

1.3 UHMW-PE的性能

UHMW-PE極高的分子量(HDPE的分子量通常只有2-30萬(wàn))賦予其優(yōu)異的使用性能，而且屬于價(jià)格適中、性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料。它幾乎集中了各種塑料的優(yōu)點(diǎn)，具有普通聚乙烯和其它工程塑料無(wú)可比擬的耐磨、耐沖擊、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、吸收沖擊能、耐低溫、衛(wèi)生無(wú)毒、不易粘附、不易吸水、密度較小等綜合性能。事實(shí)上，目前還沒(méi)有一種單純的高分子材料兼有如此眾多的優(yōu)異性能[3]。

1.3.1 耐磨性

UHMW-PE的耐磨性居塑料之冠，并超過(guò)某些金屬，圖1為UHMW-PE與其它材料耐磨性比較。從圖1可以看出，與其它工程塑料相比，UHMW-PE的砂漿磨耗指數(shù)僅是PA66的1/5，HDPE和PVC的1/10;與金屬相比，是碳鋼的1/7，黃銅的1/27。這樣高的耐磨性，以致于用一般塑料磨耗實(shí)驗(yàn)法難以測(cè)試其耐磨程度，因而專門(mén)設(shè)計(jì)了一種砂漿磨耗測(cè)試裝置。UHMW-PE耐磨性與分子量成正比，分子量越高，其耐磨性越好。

圖1 UHMW-PE與其它材料的耐磨性比較

1.3.2 沖擊強(qiáng)度

UHMW-PE的沖擊強(qiáng)度，在所有工程塑料中名列前茅，圖2為UHMW-PE與其它工程塑料沖擊強(qiáng)度比較。從圖2可以看出，UHMW-PE的沖擊強(qiáng)度約為耐沖擊PC的2倍，ABS的5倍，POM和PBTP的10余倍。耐沖擊性如此之高，以致于采用通常沖擊試驗(yàn)方法難以使其斷裂破壞。其沖擊強(qiáng)度隨分子量的增大而提高，在分子量為150萬(wàn)時(shí)達(dá)到最大值，然后隨分子量的繼續(xù)升高而逐漸下降。值得指出的是，它在液氮中(-196℃)也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度，這一特性是其它塑料所沒(méi)有的。此外，它在反復(fù)擊后表面硬度更高。

1.3.3 自潤(rùn)滑性

UHMW-PE有極低的摩擦因數(shù)(0.05~0.11)，故自潤(rùn)滑性優(yōu)異。表1為UHMW-PE與其它工程塑料摩擦因數(shù)比較。從表1可以看出，UHMW-PE的動(dòng)摩擦因數(shù)在水潤(rùn)滑條件下是PA66和POM的1/2，在無(wú)潤(rùn)滑條件下僅次于塑料中自潤(rùn)滑性最好的聚四氟乙烯(PTFE)；當(dāng)它以滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)形式工作時(shí)，比鋼和黃銅添加潤(rùn)滑油后的潤(rùn)滑性還要好。因此，在摩擦學(xué)領(lǐng)域UHMW-PE被譽(yù)為成本/性能非常理想的摩擦材料。

1.3.4 耐化學(xué)藥品性

UHMW-PE具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性，除強(qiáng)氧化性酸液外，在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)(萘溶劑除外)。其在20℃和80℃的80種有機(jī)溶劑中浸漬30d，外表無(wú)任何反?，F(xiàn)象，其它物理性能也幾乎沒(méi)有變化。

1.3.5 沖擊能吸收性

UHMW-PE具有優(yōu)異的沖擊能吸收性，沖擊能吸收值在所有塑料中最高，因而噪聲阻尼性很好，具有優(yōu)良的消音效果。

1.3.6 耐低溫性

UHMW-PE具有優(yōu)異的耐低溫性能，在液氦溫度(-269℃)下仍具有延展性，因而能夠用作核工業(yè)的耐低溫部件。

1.3.7 衛(wèi)生無(wú)毒性

UHMW-PE衛(wèi)生無(wú)毒，完全符合日本衛(wèi)生協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，并得到美國(guó)食品及藥物行政管理局和美國(guó)農(nóng)業(yè)部的認(rèn)可，可用于接觸食品和藥物。

1.3.8 不枯性

UHMW-PE表面吸附力非常微弱，其抗粘附能力僅次于塑料中不粘性最好的PTFE，因而制品表面與其它材料不易粘附。

1.3.9 憎水性

UHMWPE吸水率很低，一般小于0.01%，僅為PA6的1%，因而在成型加工前一般不必干燥處理。

1.3.10 密度

表2為UHMW-PE與其它工程塑料密度比較。由表2可知，UHMW-PE的密度比其它所有工程塑料都低，一般比PTFE低56%，比POM低33%，比PBTP低30%，因此其制品非常輕便。

1.3.11 拉伸強(qiáng)度

由于UHMW-PE具有超拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征，所以有無(wú)可匹敵的超高拉伸強(qiáng)度，因此可通過(guò)凝膠紡絲法制得超高彈性模量和強(qiáng)度的纖維，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)3~3.5GPa，拉伸彈性模量高達(dá)100~125GPa；纖維比強(qiáng)度是迄今已商品化的所有纖維中最高的，比碳纖維大4倍，比鋼絲大10倍，比芳綸纖維大50%。

1.3.12 其它性能

UHMW-PE還具有優(yōu)良的電氣絕緣性能，比HDPE更優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性，比HDPE更好的耐疲勞性及耐γ-射線能力。表3為UHMW-PE的常用性能指標(biāo)[4]。

1.4 UHMW-PE的應(yīng)用領(lǐng)域

(l)紡織機(jī)械:超高分子量聚乙烯在紡織機(jī)械上的應(yīng)用是最早的，早在1958年超高分子量聚乙烯剛出現(xiàn)就被應(yīng)用于紡織機(jī)械的皮結(jié)、打梭板、齒輪、緩沖塊、軸套、連接器等，制品達(dá)30多種。

(2)建筑、電力、農(nóng)用機(jī)械:推土機(jī)鏟板的襯板、挖掘機(jī)鏟斗襯板、發(fā)電廠的煤倉(cāng)襯板、拖拉機(jī)犁燁內(nèi)襯及軸套等。

(3)造紙業(yè):造紙業(yè)是超高分子量聚乙烯應(yīng)用較多、應(yīng)用效果較好的行業(yè)之一，主要有造紙機(jī)的吸水箱蓋板、刮水板等。

(4)陶瓷行業(yè):主要應(yīng)用于滾壓頭、濾泥板和濾芯。

(5)采礦業(yè):煤倉(cāng)襯板、溜煤板、提升軌道、滾輪、壓濾機(jī)濾板、皮帶機(jī)托輥及托輥軸承等。

(6)食品機(jī)械:食品模具、送料螺桿、各種導(dǎo)軌滑道、齒輪、滾輪、食品肉類的案板等。

(7)軍事領(lǐng)域：如防彈衣、打靶牌罩等。

(8)醫(yī)療和文化體育領(lǐng)域:如人工關(guān)節(jié)、雪橇、早冰場(chǎng)地板、滑沙板底板以及碼頭用輪船當(dāng)護(hù)板等。

2 UHMW-PE的加工工藝介紹

2.4 UHMW-PE的加工性能

采用通常熱塑性加工方法對(duì)UHMW-PE進(jìn)行成型加工時(shí)主要遇到四個(gè)方面的困難：

(l)熔體粘度高

超高分子量聚乙烯熔體為橡膠態(tài)的高粘彈體。普通聚乙烯的流動(dòng)性能，一般可用熔體流動(dòng)速率(MFR)表示。它是在溫度為190℃，負(fù)荷為2.16kg下測(cè)定的，一般熱塑性塑料熔體流動(dòng)速率在0.0330g/10min范圍內(nèi)，而超高分子量聚乙烯由于熔體粘度非常高，在上述條件下根本測(cè)不出結(jié)果，即使把負(fù)載加大10倍(即21.6kg)，熔體也很難從儀器噴嘴流出。由此可見(jiàn)，超高分子量聚乙烯加工時(shí)的流動(dòng)性是很差的[5]。

普通聚乙烯在擠出機(jī)中進(jìn)行加工時(shí)，由料斗加入的固態(tài)粒料或粉料在機(jī)筒的熱和螺桿剪切作用下，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎承粤黧w，即使螺桿設(shè)計(jì)和溫度條件不很理想，也不會(huì)產(chǎn)生物料堵塞在機(jī)筒中不動(dòng)或完全擠不出來(lái)的現(xiàn)象。但對(duì)于擠出UHMW-PE的情況則會(huì)完全不同，物料在螺桿全程上的運(yùn)動(dòng)近似為固體輸送過(guò)程，即“粉末一半固體一高粘彈體”的變化過(guò)程，是典型的“塞流”輸送機(jī)理，沒(méi)有自由流動(dòng)的粘流態(tài)。物料容易堵塞在壓縮段包附螺桿一起旋轉(zhuǎn)而無(wú)法擠出，這種現(xiàn)象也叫“料塞”。這正是使用普通的、未經(jīng)改造單螺桿擠出機(jī)加工UHMW-PE時(shí)遇到的最大難題。

實(shí)驗(yàn)研究表明，普通聚乙烯熔融時(shí)呈粘流態(tài)，從口模擠出后立即下垂(如圖3所示)，而熔融的UHMW-PE，從高溫口模擠出時(shí)具有一定的“熔融剛度”，并不是馬上下垂，呈半透明固體狀水平向偏下方向前移動(dòng)，表現(xiàn)為高粘彈態(tài)(如圖4所示)。由此可知，UHMW-PE熔融時(shí)是粘度極高、流動(dòng)極差的特殊熔體。

(2)摩擦系數(shù)小

UHMW-PE摩擦系數(shù)極低，即使是在熔融狀態(tài)時(shí)也是如此，因此在進(jìn)料過(guò)程中容易在加料段發(fā)生打滑，無(wú)法向前推進(jìn)，這也是螺桿擠出加工時(shí)遇到的另一難題。

(3)臨界剪切速率低

圖5為超高分子量聚乙烯的流動(dòng)曲線[6]。一般擠出時(shí)，擠出棒材、普通制品及單絲的剪切速率為10-3~104 s-1；吹塑成型時(shí)的剪切速率為1104 s-1；注塑時(shí)的剪切速率為102~106 s-1。通常制品截面面積越大，單位時(shí)間的擠出量越少，剪切速率也越小。

    由圖3可以看出UHMW-PE和普通注塑、擠出和吹塑用聚乙烯的流動(dòng)曲線分為4種狀態(tài)[7]，如圖6所示：A為層流狀態(tài)，在低速時(shí)機(jī)頭內(nèi)物料流動(dòng)，在機(jī)頭的出口會(huì)出現(xiàn)離模膨脹現(xiàn)象；B為熔體破裂流動(dòng)態(tài)，擠出物的熔體粗糙呈鱉魚(yú)皮狀；C為滑流狀態(tài)，熔體沒(méi)有受剪切作用，熔體各層之間沒(méi)有相對(duì)位移，但它和層流狀態(tài)不同，它不產(chǎn)生離模膨脹現(xiàn)象；D為噴流狀態(tài)，熔體在高速剪切下熔體被剪切成粉末狀噴出，這種狀態(tài)對(duì)于普通聚乙烯時(shí)是看不到的。這是由于普通聚乙烯只有在很高的剪切速率下才產(chǎn)生噴流現(xiàn)象，而在普通注塑機(jī)上是不可能產(chǎn)生如此高的剪切速率的。

    人們通常把熔體剛出現(xiàn)破裂時(shí)的剪切速率稱為臨界剪切速率。實(shí)踐證明它隨聚乙烯的分子量增大而減小。因此對(duì)于分子量極高的UHMW-PE來(lái)說(shuō)，在剪切速率很低(10-2/s)時(shí)，就可能產(chǎn)生熔體破裂，并在較低剪切速率下，就會(huì)產(chǎn)生滑流或噴流現(xiàn)象[8]。所以，在超高分子量聚乙烯擠出加工時(shí)會(huì)遇到由于容易破裂而產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，在超高分子量聚乙烯注塑時(shí)易出現(xiàn)噴流而致使制品出現(xiàn)多孔狀或脫層現(xiàn)象。這是以擠出或注塑方法加工超高分子量聚乙烯所面臨的難題。

2.5 UHMW-PE的成型方法

    結(jié)合以上內(nèi)容我們知道性能卓越，加工困難是UHMW-PE的一大特點(diǎn)，很難用常規(guī)的聚合物加工方法來(lái)成型UHMW-PE制品，在一段時(shí)間內(nèi)限制了UHMW-PE的推廣使用，故研究UHMW-PE的成型加工顯得尤為重要。常用的成型方法有模壓成型法（1965年前后）、擠出成型法（1970年前后）和注塑成型法（1975年前后）3種。其中，應(yīng)用最廣泛的是模壓成型，約占總成型量的60%，近幾年隨著技術(shù)不斷發(fā)展，擠出成型法應(yīng)用有所增加，約占總成型量的35% ；而注塑成型法是一種全新的UHMW-PE成型法，應(yīng)用還不多，約占總成型量的5%[9]。圖7為目前UHMW-PE各成型方法比重。此外，近幾年還開(kāi)發(fā)了一些特殊的成型方法?，F(xiàn)將各種UHMW-PE的成型法簡(jiǎn)單介紹下：

2.5.1 模壓成型

(l)模壓-燒結(jié)法

    在UHMW-PE的加工方法中，模壓-燒結(jié)法是目前為止用量最大、最原始的方法，它是給模具裝料加壓后，將模具和原料一起放到加熱爐中加熱、塑化，隨后取出冷卻，最后取出制品。在此成型工藝中，關(guān)鍵是控制好壓力、燒結(jié)溫度和時(shí)間。壓力小，產(chǎn)品質(zhì)地不密實(shí)，物理機(jī)械性能差；反之會(huì)造成額外的功率消耗。燒結(jié)溫度和時(shí)間要根據(jù)不同的制品來(lái)選擇，以制品變?yōu)橥该鳡顬榧?。若時(shí)間短、溫度低，制品會(huì)塑化不透，存有白芯；反之會(huì)發(fā)生變色降解。

    韓國(guó)專利[10]介紹了一種用于生產(chǎn)UHMW-PE板材的裝置，如圖8所示。其主要由以下部分組成：模具（100）、轉(zhuǎn)移臺(tái)（200）、模壓成型機(jī)（300）、模具轉(zhuǎn)移單元（400）及模壓成型板加熱單元（500）。轉(zhuǎn)移臺(tái)上的模具支撐面的高度是可調(diào)的。模壓成型機(jī)由可移動(dòng)支架（310）、固定支架、模壓成型板（331~334）和模壓?jiǎn)卧M成。模壓成型板在固定支架和可移動(dòng)支架間作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。模壓成型板對(duì)模具進(jìn)行加熱。模壓?jiǎn)卧獜囊贿厜鹤∧撼尚桶?，然后?duì)模具里的UHMW-PE物料進(jìn)行模壓成型，最終得到UHMW-PE模壓板材。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，從而縮短生產(chǎn)周期。

(2)自由燒結(jié)法

    自由燒結(jié)法也叫模壓-燒結(jié)-模壓法，就是在常溫下將UHMW-PE粉末放入模具中先高壓壓制成毛坯，然后將毛坯放入惰性氣體保護(hù)爐中進(jìn)行加熱，加熱一段時(shí)間后取出制品，最后再放到另一個(gè)壓制模具中加壓冷卻，釋壓后取出制品即可。

(3)高速模壓成型法

    Jauffrès等[11]采用高速模壓法（HighVelocity Compaction）對(duì)UHMW-PE進(jìn)行成型加工，如圖9所示。它是在接近聚合物熔點(diǎn)的溫度下，通過(guò)對(duì)填滿粉料的模具施加高速的沖擊而形成毛坯，然后再燒結(jié)成型，反復(fù)的沖擊引起粒子界面發(fā)生局部熔融，在冷卻過(guò)程中熔融物料的再結(jié)晶又迫使粒子發(fā)生熔接。此法能夠加工半結(jié)晶聚合物，且對(duì)物料的黏度無(wú)限制，因此特別適合成型UHMW-PE。與常規(guī)的成型方法相比，這種方法不僅能夠顯著縮短成型時(shí)間，還能提高制品的拉伸模量和屈服強(qiáng)度，可塑性也得到了改善。此法適合于中小制品大批量生產(chǎn)[12]。

2.5.2 擠出成型

(l)單螺桿擠出成型

    世界上最早研制UHMW-PE單螺桿擠出成型技術(shù)的是日本三井石油化學(xué)公司，于1971年開(kāi)始研究UHMW-PE棒材擠出技術(shù)，1974年投入生產(chǎn)，采用的是經(jīng)過(guò)改造的φ65 mm的單螺桿擠出機(jī)。由于UHMW-PE的黏度大，在熔融狀態(tài)下仍呈黏彈性，幾乎沒(méi)有流動(dòng)性，而且物料與機(jī)筒之間的摩擦系數(shù)小，因此物料很難向前輸送。使用常規(guī)的機(jī)筒和螺桿時(shí)，物料通常會(huì)包在螺桿上無(wú)法向前輸送。

    北京化工大學(xué)塑料機(jī)械與塑料工程研究所自1993年就開(kāi)始研究UHMW-PE的擠出加工技術(shù)，并用單螺桿擠出機(jī)實(shí)現(xiàn)了UHMW-PE管材的連續(xù)擠出。采用專用單螺桿擠出機(jī)，機(jī)筒為組合式機(jī)筒和大推力螺桿。機(jī)筒由開(kāi)槽段和平滑段組成，以防止物料打滑；后者則使得其對(duì)物料有更大的推進(jìn)力和塑化能力，克服由高黏度所引起的熔體阻力。但是，如果工藝技術(shù)、擠出機(jī)和模具之間不能很好地匹配，就不能生產(chǎn)出完整的管坯。近幾年，該所通過(guò)不斷研發(fā)，已實(shí)現(xiàn)在不添加任何助劑的情況下直接擠出黏均分子量達(dá)300~1000萬(wàn)以上的UHMW-PE異型材、棒材及管材制品[13]。

    秦建華等[14]發(fā)明了一種UHMW-PE管材單螺桿擠出機(jī)筒成型設(shè)備，如圖10所示。其利用UHMW-PE在高彈態(tài)下具有可擠壓、壓延特性，使處于高彈態(tài)的UHMW-PE在一定擠壓力的作用下，充滿由螺桿與機(jī)筒所形成的的型腔，從而實(shí)現(xiàn)初步成型，在擠壓力的繼續(xù)作用下，初步成型的管材通過(guò)定型芯棒和定型套實(shí)現(xiàn)溫度和幾何尺寸的均勻化過(guò)程，再經(jīng)過(guò)冷卻套使管材迅速完成冷卻定型過(guò)程。

     美國(guó)專利[15]介紹了一種UHMW-PE單螺桿擠出機(jī)專用螺桿，如圖11所示。該螺桿由3段組成，即喂料段（1,2）、過(guò)渡段（3,4）和計(jì)量段（5,6）。其中喂料段又分為兩部分，即輸送段（1）和減壓段（2）。過(guò)渡段包含一個(gè)剪切元件（3），計(jì)量段包含一個(gè)混煉元件（5）。該螺桿不僅能保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性，還能避免物料發(fā)生熱降解。

    (2)雙螺桿擠出成型

    雙螺桿擠出UHMW-PE時(shí)，由于兩根螺桿嚙合在一起，可以使物料強(qiáng)制向前輸送，具有軸向輸送物料的能力，因此不需要在料筒上開(kāi)槽。為了減少物料之間的剪切，確保物料的相對(duì)分子量不降低，最好使用同向雙螺桿擠出機(jī)。螺桿轉(zhuǎn)速也不能太高，否則影響物料的流動(dòng)穩(wěn)定性和制品的質(zhì)量，同時(shí)也為了避免物料發(fā)生降解。由于物料的流動(dòng)性差、黏度高、擠出背壓大，因此減速箱要配備大推力軸承[16]。

    王慶昭等[17]研究了雙螺桿擠出機(jī)和魚(yú)尾形機(jī)頭擠出UHMW-PE板材的生產(chǎn)方法。采用平行同向雙螺桿擠出機(jī)或錐形異向雙螺桿擠出機(jī)，螺桿軸向耐壓40 MPa以上；配以魚(yú)尾形機(jī)頭，壓縮比為1.5~2.0，帶有冷卻裝置，采用合適的擠出工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)UHMW-PE板材及異型材的連續(xù)生產(chǎn)。

    (3)柱塞式擠出成型

柱塞擠出成型作為一種往復(fù)間歇式的擠出方法，是早期就使用的塑料加工手段。其加工過(guò)程是：將粉料加入加料室和模具中，通過(guò)柱塞施加高壓使壓縮粉料移動(dòng)、連續(xù)燒結(jié)和冷卻定型3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)半連續(xù)擠出成型。這種方法可以看作連續(xù)的壓制-燒結(jié)，比模壓成型的效率高，但是由于原料和加熱部件接觸面積小，加熱效率低，因此不能快速擠出，否則制品出現(xiàn)芯部不熟現(xiàn)象，造成次品。此法的優(yōu)點(diǎn)在于成型過(guò)程不出現(xiàn)剪切，相對(duì)分子量降低幅度小，制品內(nèi)部質(zhì)量好，此外該方法成型不受相對(duì)分子質(zhì)量高低的限制，即使相對(duì)分子量高達(dá)1 000萬(wàn)也能實(shí)現(xiàn)擠出加工。這是目前UHMW-PE加工中應(yīng)用較多的一種方法，在歐美應(yīng)用也比較普遍，主要用于加工一定長(zhǎng)度的棒材，也可擠出管材、片材和異型材等[18]。

張禹飛等[19]在聚四氟乙烯（PTFE）柱塞擠出技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)UHMW-PE的加工特性，研制了UHMW-PE管材、棒材等的STJ系列柱塞式擠出機(jī)。擠出機(jī)整體采用立式結(jié)構(gòu)并具有四重運(yùn)動(dòng)，克服了臥式加工設(shè)備存在的喂料不均勻的現(xiàn)象，而且增加了物料的流動(dòng)性及充模的可靠性，降低了擠出機(jī)阻力，不易導(dǎo)致熔體破裂，從而保證了制品的質(zhì)量。這種柱塞式擠出機(jī)能夠加工分子量在150~400萬(wàn)的UHMW-PE原料，產(chǎn)品性能優(yōu)良，生產(chǎn)效率大大超過(guò)傳統(tǒng)的模壓燒結(jié)法，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化、工業(yè)化生產(chǎn)。

劉廣建等[20]研究開(kāi)發(fā)了雙柱塞擠出設(shè)備，如圖12所示。該設(shè)備主要由雙液壓系統(tǒng)、加料部分、加熱部分、緩沖部分以及相位差滯后裝置等組成，其中加熱部分采用了特殊機(jī)理和結(jié)構(gòu)，即薄板結(jié)構(gòu)，這樣可以實(shí)現(xiàn)快速加熱，大大提高了生產(chǎn)效率；緩沖部分是核心部分，它可以很大程度上彌補(bǔ)柱塞式擠出的不足，再加上采用了雙柱塞式交替擠出可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠出，最大程度減小脈動(dòng)，從而減少制品冷卻不良現(xiàn)象的發(fā)生。

    熊淑云等[21]根據(jù)柱塞式擠出的工作原理，開(kāi)發(fā)了四柱塞式UHMW-PE擠出裝置，如圖13所示。它保持了立式柱塞擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，占地面積小、操作簡(jiǎn)單，柱塞和模具的對(duì)中性好且不易偏移，生產(chǎn)出的制品的精度高，通過(guò)4個(gè)柱塞依次交替進(jìn)行，擠出過(guò)程較為連續(xù)，制品表面的脈動(dòng)現(xiàn)象較小，從而提高了制品表面質(zhì)量。

2.5.3 注塑成型

    對(duì)具有特殊熔體特性的UHMW-PE進(jìn)行注塑加工時(shí)，常常會(huì)發(fā)生噴流現(xiàn)象，使制品呈現(xiàn)多孔狀，或者出現(xiàn)層狀脫層現(xiàn)象，因此，UHMW-PE很難進(jìn)行注塑成型[22]。日本的三井石油化學(xué)公司于20世紀(jì)70年代中期最早實(shí)現(xiàn)了UHMW-PE的注塑成型，1976年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化；德國(guó)、美國(guó)隨后也分別實(shí)現(xiàn)了UHMW-PE的注塑成型。

    在我國(guó)，也有研究者對(duì)UHMW-PE的注塑成型進(jìn)行了研究。劉玉鳳等[23]用德國(guó)Battenfeld公司的高壓高速注射機(jī)，對(duì)UHMW-PE的注塑成型工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于UHMW-PE的熔體黏度極大，受溫度的影響小，提高機(jī)筒溫度對(duì)改變?nèi)垠w流動(dòng)性能作用很小，提高注射壓力可顯著改善樹(shù)脂的流動(dòng)性，但是，如果注射壓力過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生溢料；注射速度選擇為先增大后遞減，在高剪切作用下，熔體被分割為細(xì)小的粉末，而充滿型腔；同時(shí)，選擇較小的直徑噴嘴，以提高剪切，并配合合適的螺桿轉(zhuǎn)速，即可生產(chǎn)出性能優(yōu)良的產(chǎn)品。采用高壓高速注塑工藝的缺點(diǎn)是設(shè)備功率小，且在高剪切作用下會(huì)增加樹(shù)脂的氧化和分子鏈斷裂降解的危險(xiǎn)[24]。

    孫立鴻[25]對(duì)大型UHMW-PE制件的注塑成型進(jìn)行了研究，并在柱塞式UHMW-PE專用擠出機(jī)的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)了UHMW-PE專用注射機(jī)，如圖14所示。該注射機(jī)可以實(shí)現(xiàn)2~20 kg大型UHMW-PE制件的成型加工，并最大限度地保持UHMW-PE的各項(xiàng)性能指標(biāo)，同時(shí)生產(chǎn)效率可以提高至原來(lái)的6~7倍，原料利用率由原來(lái)的55%左右提高到80%~90%，降低制件的加工成本，能夠替代目前加工大型UHMW-PE制件采用的燒結(jié)-模壓成型法

2.5.4 吹塑成型

    UHMW-PE用于吹塑成型，其制品具有優(yōu)異的抗沖擊性能，主要應(yīng)用于大型的吹塑制品。作為大型吹塑制品用的樹(shù)脂，最主要的特性就是抗下垂性能，型坯的下垂現(xiàn)象嚴(yán)重影響制品的質(zhì)量。由于UHMW-PE的分子量大，其熔體的黏彈性優(yōu)異，當(dāng)物料從口模擠出后，因彈性恢復(fù)而產(chǎn)生一定的收縮，表現(xiàn)出一定的“熔融剛度”，從而抗下垂能力很強(qiáng)[26]。UHMW-PE吹塑成型還能生產(chǎn)縱橫方向強(qiáng)度均衡的高性能薄膜，從而解決了高密度聚乙烯薄膜長(zhǎng)期以來(lái)存在的縱橫方向強(qiáng)度不一致容易造成薄膜橫向破壞的問(wèn)題。

    日本的三井油化在2005年介紹了一種UHMW-PE吹塑模的新加工方法，它是通過(guò)結(jié)合壓縮模塑和吹膜擠塑來(lái)生產(chǎn)雙向拉伸吹塑薄膜。在機(jī)筒的樹(shù)脂粉料被具有淺螺紋、溝面機(jī)構(gòu)及螺桿長(zhǎng)徑比超過(guò)30:1的單螺桿擠出機(jī)緊緊地壓縮，直到粉料粒子界面消失，然后熱的黏彈性固體料進(jìn)入一個(gè)在底部有一螺紋的旋轉(zhuǎn)直角機(jī)頭，這樣熔體越過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的芯模加熱器形成管狀，旋轉(zhuǎn)的芯模加熱器克服了擠出中的許多缺點(diǎn)，使管狀熔體能被吹成無(wú)破裂的膜。用這種方法吹塑UHMW-PE，其最大負(fù)荷拉伸比為6:1~30:1、吹脹比為6:1~10:1，吹膜厚度為5~140μm[27]。

2.5.5 特殊成型加工工藝

(l)凍膠紡絲成型

    凍膠紡絲是一種新穎的紡絲技術(shù)，它要求聚合物的平均分子量高，且分子量分布合理，而UHMW-PE滿足這些要求[28]。1979年，荷蘭DSM公司首先申請(qǐng)了UHMW-PE凍膠紡絲的專利并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。圖15為荷蘭DSM公司凍膠紡絲工藝路線圖[29]。

    用此法制取UHMW-PE纖維的工藝過(guò)程包括：將UHMWPE溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校瞥砂胂∪芤?，?jīng)噴絲孔擠出，用空氣或水驟冷，將其凝固呈凍膠原絲。從大分子觀點(diǎn)出發(fā)，在溶液中聚乙烯大分子處于解纏狀態(tài)并在凍膠原絲中保持這種大分子的解纏狀態(tài)，拉伸凍膠原絲使大分子鏈取向和高度結(jié)晶，進(jìn)而使呈折疊狀的大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘辨湥瑥亩频酶邚?qiáng)、高模纖維[30]。此法獲得的UHMW-PE纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)2.8 GPa，因此廣泛用于生產(chǎn)防彈背心、安全帽、耐切割手套、登山繩、釣魚(yú)線、懸索等[31]。

(2)共潤(rùn)滑擠出(注塑)成型

    UHMW-PE共潤(rùn)滑擠出（注塑）有兩種情況，一種是采用縫隙法將潤(rùn)滑劑壓入到模具中，使其在模腔內(nèi)表面和熔融物料間形成潤(rùn)滑層，這種方法幾乎適用于所有的樹(shù)脂材料，特別適用于那些要求在高黏狀態(tài)下成型的超高分子量物質(zhì)，如生產(chǎn)UHMW-PE薄板時(shí)，由定量泵向模腔內(nèi)輸送SH200有機(jī)硅油作為潤(rùn)滑劑，所得到的制品的外觀明顯提高，特別是由于擠出變形小，增加了拉伸強(qiáng)度。第二種是微孔體法，它是模具內(nèi)或連接體的一部分采用具有微細(xì)連通孔的粉末冶金材料來(lái)制造微孔襯套，并從此處向模腔或流道中強(qiáng)制注入低黏度的液體形成潤(rùn)滑層，它能夠改善高剪切口模內(nèi)的熔體的流動(dòng)性能，降低模腔內(nèi)的壓力，并有利于去除熔體表面的熔接痕。采用微孔體法同乙二醇共潤(rùn)滑擠出UHMW-PE圓棒材時(shí)，棒材的內(nèi)應(yīng)力減小，收縮變形量明顯減小[32]。

    李艷梅等[33]對(duì)雙螺桿強(qiáng)制潤(rùn)滑擠出UHMW-PE板材進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：采用對(duì)機(jī)頭流道強(qiáng)制潤(rùn)滑、合理的螺桿組合、正確的工藝條件和機(jī)頭流道壓力的調(diào)整，可以成功實(shí)現(xiàn)UHMW-PE體系的連續(xù)擠出成型。

    袁輝等[34]設(shè)計(jì)了UHMW-PE復(fù)合板材強(qiáng)制潤(rùn)滑擠出口模。該機(jī)頭是一個(gè)3層復(fù)合強(qiáng)制潤(rùn)滑擠出口模，上層為中等分子量聚乙烯，中間層為經(jīng)過(guò)流動(dòng)改性后的UHMW-PE，下層為耐熱硅油，如圖16所示。在板材的下層采用壓力泵壓入熱硅油，熱硅油的加入能夠大大減小UHMW-PE料層及UHMW-PE與口模唇間的剪切力，使UHMW-PE熔體的流動(dòng)變?yōu)樗ㄐ瘟鲃?dòng)，顯著降低剪切速率對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

(3)固態(tài)擠出成型

    固態(tài)擠出成型是一種促使聚合物材料獲得自增強(qiáng)效果的重要工藝，是將材料在熔融溫度以下加工成型的方法。通過(guò)增強(qiáng)相的尺寸及分布，可極大地提高其長(zhǎng)徑比，并在空間分布上擇優(yōu)取向，使被加工材料具有優(yōu)越的比剛度、比強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性，較好的沖擊強(qiáng)度及較低的線膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的目的。固態(tài)擠出成型分為冷拉伸、柱塞式固態(tài)擠出、靜水壓式固態(tài)擠出和口模拉伸等[35]。

    毛旭琳等[36]對(duì)UHMW-PE的固態(tài)擠出成型過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行了研究，并自制了柱塞式固態(tài)擠出機(jī)，如圖17所示。柱塞式固態(tài)擠出屬于固態(tài)形變的一種，其成型原理是使聚合物在通過(guò)口模時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸變形、取向、晶粒細(xì)化、重結(jié)晶、微纖化等，從而得到強(qiáng)度和模量更高的制品，固態(tài)擠出與常規(guī)熔融擠出UHMW-PE制品的拉伸性能比較如表4所示[37]。

    Tetsuo Kanamoto等[38]研究了UHMW-PE的兩階段拉伸法。首先通過(guò)模壓成型制得UHMW-PE薄膜，并切成條狀，然后通過(guò)固態(tài)共擠獲得較低的拉伸比，最后在120~135℃高溫下進(jìn)行拉伸。經(jīng)過(guò)兩階段拉伸后，薄膜的拉伸比可以達(dá)到77，其拉伸模量高達(dá)107 GPa。拉伸溫度及拉伸速率對(duì)第二階段的可拉伸性能和最終拉伸薄膜的均勻性有顯著的影響。

(4)射頻加工成型

    加拿大Gauvin介紹了用射頻加工UHMW-PE的新方法：將UHMW-PE粉末和介電損耗高的粉末添加劑（如炭黑）混合均勻后，用射頻輻照，產(chǎn)生的熱可使UHMW-PE粉末表面軟化，使其易于在適當(dāng)?shù)膲毫ο鹿探Y(jié)。采用這種方法可以在幾分鐘內(nèi)模壓出大型部件[39]。

(5)氣輔擠出技術(shù)

    在傳統(tǒng)的UHMW-PE擠出成型中，熔體和擠出口模壁面之間大多是非滑移黏著口模擠出方式。R.F.Liang等[40]首次研究了氣體輔助擠出方法（Gas-assisted Extrusion）。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)以較低的速率將氣體注入到模具與熔融物料的界面時(shí)，可以在界面處形成一穩(wěn)定的氣體層，進(jìn)而能夠提供壁面全滑移邊界條件。壁面邊界條件對(duì)高黏度的黏彈性流體的氣輔擠出成型有重要的影響。

張小霞等[41]對(duì)UHMW-PE氣輔擠出工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：形成的空氣膜使物料的剪切流動(dòng)變?yōu)槿?，從而降低物料和擠出機(jī)頭流道間的摩擦阻力，可獲得明顯的減黏降阻效果，使得由于剪切速率不同而造成的形狀差異降到最低，從而使擠出物同口模的斷面一致[42]。

    UHMW-PE氣輔擠出系統(tǒng)主要由以下3部分組成：氣輔擠出控制系統(tǒng)、UHMW-PE專用擠出機(jī)和氣輔擠出口模，如圖18所示。UHMW-PE氣輔擠出能夠減小成型加工過(guò)程中的擠出脹大、熔體破裂等缺陷，提高生產(chǎn)效率。

    孫陽(yáng)等[43]針對(duì)UHMW-PE難以擠出加工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了UHMW-PE板材擠出口模，如圖19所示?？谀Ｇ都系臍獾朗遣坏确峙挪嫉?，考慮到UHMW-PE進(jìn)入口模嵌件后，其溫度和黏度較高，因此為了保證平穩(wěn)擠出，入口處的氣道間距較小。

    (6)激光燒結(jié)法

    Goodridge等[44]研究了激光燒結(jié)法加工UHMW-PE制品的可行性。利用這種方法能夠生產(chǎn)具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的制品。

    該研究是在一臺(tái)激光燒結(jié)設(shè)備上進(jìn)行的，如圖20所示。該設(shè)備有3個(gè)小室：中間的小室是成型室，其內(nèi)有“粉體床”，制品在此成型；兩旁是供料室。每個(gè)小室都有一個(gè)由活塞控制的平臺(tái)。供料室內(nèi)的平臺(tái)遞增式地向上移動(dòng)以提供新的粉體層，成型室內(nèi)的平臺(tái)遞減式地向下移動(dòng)，這樣下一粉體層就能夠疊放在先前的燒結(jié)層上。輥的作用是將供料室中的物料平鋪到成型室中。

   為了使加工過(guò)程的溫度梯度最小，在燒結(jié)前先要對(duì)粉體床中的物料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度低于物料的熔點(diǎn)。然后，在激光的作用下使物料熔融，并燒結(jié)成固體。供料室中的物料也需要預(yù)熱，預(yù)熱的溫度應(yīng)低于粉體床中物料的預(yù)熱溫度，這樣當(dāng)物料平鋪到成型室時(shí)所需的熱量減少。影響加工過(guò)程的主要因素是供料的溫度，粉體床溫度、輥的速度和激光能量。

 3 UHMW-PE單螺桿擠出成型方法的研究

  3.1 試驗(yàn)用原材料

    UHMW-PE：M-2型，北京助劑二廠；

    聚乙烯蠟：分子量3000~4500，北京化工學(xué)院。

  3.2 試驗(yàn)設(shè)備

    單螺桿擠出機(jī)：SJ-90A，螺桿直徑90mm，螺桿長(zhǎng)徑比L/D=25，軸向耐壓30~35MPa，上海擠出機(jī)械廠；單螺桿示意圖如圖21所示。

模具：壓縮比2.0~2.5，要求模具能產(chǎn)生30~40MPa的背壓，模腔表面粗糙度Ra應(yīng)達(dá)到0.4µm以下，最好鍍硬鉻，模具出口設(shè)置水循環(huán)冷卻裝置，芯棒采用油冷卻。

3.2試樣制備

    按照100份UHMW-PE加入5份聚乙烯蠟的配比混料，用改造的單螺桿擠出機(jī)擠出試樣。

3.3 擠出工藝條件

    現(xiàn)以擠出外徑73mm、壁厚5mm的UHMW-PE管材為例，其工藝條件見(jiàn)表5。

3.4 擠出機(jī)的改造

    如上所述，UHMW-PE即使在熔融狀態(tài)下仍呈粘彈態(tài)，幾乎沒(méi)有流動(dòng)性，且物料與螺桿和料筒之間的摩擦因數(shù)很小，因此要在料筒中輸送物料是很困難的。也就是說(shuō)，使用單螺桿擠出機(jī)輸送物料僅靠螺桿與料筒之間的剪切是不能將物料沿螺槽向前推進(jìn)的，往往會(huì)使物料滯留在螺桿壓縮段而包敷在螺桿上形成料塞，到計(jì)量段的物料也無(wú)法充滿螺槽，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)料，見(jiàn)圖22。

    為了使熔融的UHMW-PE熔體能用單螺桿擠出機(jī)輸送，根據(jù)雙螺桿擠出機(jī)輸送物料的啟示，我們對(duì)單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了改造，即在其料筒內(nèi)壁開(kāi)軸向槽，類似于槍膛的來(lái)復(fù)線，見(jiàn)圖23。槽的斷面為拋物線狀，其作用是，既要阻止料塞形成，又要使槽內(nèi)的物料在一定時(shí)間內(nèi)較容易地沿徑向移動(dòng)而離開(kāi)槽。換句話說(shuō)，就是使槽內(nèi)沒(méi)有死角，從而不會(huì)使UHMW-PE熔體長(zhǎng)時(shí)間或永久地留在槽內(nèi)。槽的深度和寬度與料筒直徑有關(guān)，對(duì)內(nèi)徑90mm的料筒，設(shè)計(jì)的槽寬為8mm，槽深為6mm。至于槽寬、槽深與料筒直徑的關(guān)系，最好取槽寬為料筒直徑的8%~10%，槽深為料簡(jiǎn)直徑的5%~8%。

    如果將軸向槽設(shè)置成直線，槽內(nèi)物料只受到徑向力而沒(méi)有軸向力，雖然物料不能在壓縮段形成料塞，但槽內(nèi)的物料不能沿軸向前進(jìn)，使輸送效果大大降低；而設(shè)置成來(lái)復(fù)線時(shí)，槽內(nèi)的物料既受到徑向力也受到軸向推力，因而既能防止料塞，又能使得槽內(nèi)物料沿軸向推進(jìn)，從而大大提高了輸送效果。因?yàn)閬?lái)復(fù)線的螺距與螺桿的螺距相差較大，物料螺桿中轉(zhuǎn)速高，而在槽內(nèi)轉(zhuǎn)速低，從而使物料在螺桿與料筒之間有較大的剪切力，不能形成料塞，就像雙螺桿擠出機(jī)的嚙合輸送一樣，將物料強(qiáng)制推進(jìn)，達(dá)到將UHMW-PE熔體輸送進(jìn)模具的目的。

    我們共設(shè)置三條來(lái)復(fù)線，在料筒截面上呈120°均勻分布。對(duì)于常用的各種直徑的料筒，從有效果和易加工考慮，設(shè)置三條來(lái)復(fù)線是合理的。

與其它塑料相似，UHMW-PE在料筒中也歷經(jīng)加熱、塑化、輸送三個(gè)過(guò)程[45]。不同的是，熔融狀態(tài)下UHMW-PE的熔體枯度高達(dá)l×108Pa·s，輸送阻力非常大，因而對(duì)螺桿的軸向推力要求很高，也就是說(shuō)，要求螺桿尾部的止推軸承能承受很高的背壓。這種背壓由兩部分組成：其一是螺桿剪切物料將熔體向前輸送產(chǎn)生的背壓(這部分背壓在不安裝模具擠出時(shí)也存在)；另一部分是將熔體輸送到模具中克服成型阻力所形成的背壓。實(shí)驗(yàn)表明，在擠出成型外徑73mm、壁厚5mm的UHMW-PE管材時(shí)，料筒與模具聯(lián)接處的熔體壓力傳感器指示值最高可達(dá)到32MPa。因此，在選擇擠聲UHMW-PE管材的單螺桿擠出機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)管材截面積的大小，選用有足夠軸向推力的擠出機(jī)。經(jīng)驗(yàn)表明，生產(chǎn)UHMW-PE管材時(shí)，螺桿的軸向推力應(yīng)大于管材截面積乘以30~35Mpa。

4 UHMW-PE雙螺桿擠出成型方法的研究

     隨著UHMW-PE的應(yīng)用范圍進(jìn)一步的擴(kuò)大，迫切需要開(kāi)發(fā)出一種能對(duì)UHMW-PE實(shí)施連續(xù)成型的方法。目前國(guó)內(nèi)外均開(kāi)發(fā)出的采用單螺桿擠出的成型技術(shù)雖與壓制一撓結(jié)和柱塞擠出比較有更高的生產(chǎn)效率，但由于UHMW-PE與金屬的摩擦系數(shù)較小，使用單螺桿擠出的固體輸送受到限制，因此成型技術(shù)不僅設(shè)備要求較高，而且產(chǎn)率很有限。

    相對(duì)而言，同向雙螺桿擠出機(jī)就能較好地克服這些缺點(diǎn)。雙螺桿擠出機(jī)由于兩螺桿嚙合在一起具有自潔功能，能將物料強(qiáng)制推進(jìn)，具有軸向強(qiáng)制輸送物料作用，因此不需要在料筒上開(kāi)槽，且塑化混煉效果很好。

4.1 UHMW-PE雙螺桿擠出機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)

4.1.1 機(jī)頭結(jié)構(gòu)及該機(jī)頭特點(diǎn)

    本機(jī)頭是一個(gè)3層復(fù)合強(qiáng)制潤(rùn)滑擠出口模，板材寬度為160mrn，總厚度為6mm。上層為中等分子量聚乙烯，由一臺(tái)今Ø30mm的單螺桿擠出供料，中間層為經(jīng)過(guò)流動(dòng)改性后的UHMW-PE，經(jīng)一臺(tái)中Ø34mm雙螺桿擠出機(jī)擠出。下層為耐熱硅油，整體結(jié)構(gòu)如圖25所示。該機(jī)頭具有如下特點(diǎn)：

    (l)采用衣架式熔體分配器[46]，流道形狀如圖25所示，它集T型機(jī)頭和魚(yú)尾形機(jī)頭的優(yōu)點(diǎn)于一身，既擁有直徑較小且沿流動(dòng)方向可變的歧管，又有魚(yú)尾形機(jī)頭一樣的扇形區(qū)且扇形區(qū)擴(kuò)散角特別大，可以盡可能的在沿整個(gè)模頭寬度上使

    熔體均勻流動(dòng)，特別適合于寬幅片材生產(chǎn)，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。上層采用縫隙形分配流道，這種流道形狀在流變學(xué)和加工制造方面多有著很大的優(yōu)勢(shì)，它的流動(dòng)是沿分配流道和縫隙的合成，如圖26所示。

    (2)復(fù)合板材各層厚度可調(diào)。機(jī)頭采用微調(diào)螺釘驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)排分別調(diào)節(jié)各層的間隙，從而可以控制UHMW-PE層、HDPE層的厚度和板材制品的總厚度，以獲得不同厚度尺寸的板材。

   (3)采用強(qiáng)制潤(rùn)滑擠出[47]，在板材的下層采用壓力泵壓入耐熱硅油，液壓系統(tǒng)如圖27所示。強(qiáng)制潤(rùn)滑液壓系統(tǒng)的組成如下:

液壓油：耐熱甲基硅油，耐溫250℃，SH200

三相異步電動(dòng)機(jī)：Y100LI-4，上海安源電機(jī)廠

齒輪泵：CBN-F3，江蘇淮陽(yáng)

溢流閥：YF-L10HI-S型，上海液壓件二廠

節(jié)流閥：200OL&J，臺(tái)灣

    耐熱硅油的滲入將大大減小UHMW-PE料層及與模唇間的剪切，使UHMW-PE熔體的流動(dòng)為栓形流動(dòng)，使得因剪切速率不同而對(duì)產(chǎn)品性能的影響降低到最低點(diǎn)。

   (4)本機(jī)頭采用電加熱方法，具有使用方便、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。

   (5)本機(jī)頭連接雙螺桿擠出機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)UHMW-PE的高效連續(xù)擠出，借此提高UHMW-PE制品的生產(chǎn)效率。

4.1.2 螺桿組合方案的確定

    對(duì)于UHMW-PE這種特殊的物料，根據(jù)它的熔體特性，共設(shè)計(jì)了三種不同的螺桿組合(如圖31所示)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖中(a)為全螺紋元件結(jié)構(gòu)，利用不同導(dǎo)程的元件形成對(duì)物料的壓縮，以強(qiáng)化物料輸送為主；排氣口前組合一對(duì)左旋螺紋元件，形成阻尼.以利排氣。用該組合考察以物料輸送為主有一定混煉作用的螺桿元件組合對(duì)高粘彈物料的輸送、混合、熔融及對(duì)擠出物的作用和影響。這種全螺紋元件的結(jié)構(gòu)是針對(duì)超高分子量聚乙烯熔體粘度極大的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，為了減小雙螺桿擠出工作扭矩，保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，取消了常規(guī)螺桿組合中所有的混煉元件(捏合盤(pán))。當(dāng)然，這是以犧牲共混物的混煉效果為代價(jià)。(b)組合在螺桿中前部組合一個(gè)45°的捏合盤(pán)，捏合盤(pán)由于沒(méi)有輸送能力，只有兩側(cè)的壓力差達(dá)到一定量值時(shí)，物料才能通過(guò)，所以它起的作用是比(a)組合提前建立壓力，加上捏合盤(pán)良好的混煉效果，旨在能提高填料的分散和分布效果，使熔體更加均勻。(c)組合在螺桿中部又加入了一個(gè)捏合盤(pán)，起的作用是進(jìn)一步提高螺桿的混煉效果。

   各螺桿組合，配與普通造粒機(jī)頭，在以下實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行擠出造粒實(shí)驗(yàn)：

    從以上現(xiàn)象表明，要順利擠出UHMW-PE，采用螺桿組合(a)是一種最佳的選擇。

4.2 UHMW-PE雙螺桿擠出成型實(shí)驗(yàn)

   (l)實(shí)驗(yàn)所用配方：

   UHMW-PE/HDPE/PP/EPDM/玻璃微珠(70/25/5/5/30)

   (2)實(shí)驗(yàn)裝置：

   1、主機(jī)：TE-34型同向雙螺桿擠出機(jī)，江蘇科亞化工裝備有限公司;

   2、機(jī)頭：強(qiáng)制潤(rùn)滑衣架式板材擠出機(jī)頭，自行設(shè)計(jì)制造(結(jié)構(gòu)如圖32)。

  (3)實(shí)驗(yàn)工藝流程：(見(jiàn)圖33)

UHMW-PE/HDPE/填料共混體系的雙螺桿擠出成型工藝條件如表8：

4 結(jié)語(yǔ)

    超高分子量聚乙烯，具有其它工程塑料無(wú)可比擬的耐磨損、耐沖擊、耐化學(xué)藥品、自潤(rùn)滑等性能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是耐磨輸送、設(shè)備襯里、各種機(jī)械零部件等方面的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有廣闊的前景，正日益受到人們的關(guān)注，而高效率加工技術(shù)的不斷出現(xiàn)將進(jìn)一步推動(dòng)UHMW-PE的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。