偏心转子挤出加工对UHMWPE结构与性能影响研究

发布时间：2020-04-06 22:13

【摘要】：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有高抗冲击性、耐摩擦磨损、耐低温性及良好的生物相容性等特点,现已应用于管道运输、航空航天、生物医学工程等领域。与其他热塑性塑料不同,当加热至熔点以上时,UHMWPE熔体呈现出橡胶状的高弹态,加工流动性极差,难以用传统的聚合物成型加工设备进行加工。偏心转子挤出机作为一种新型聚合物成型加工装备,实现了物料在塑化输运过程中以剪切作用为主到由拉伸形变作用支配的重大转变,具有正位移输送、对物料自身特性的依赖性较小的特点。研究偏心转子挤出加工过程中UHMWPE的微观结构与宏观性能演变,为拉伸形变支配的UHMWPE塑化输运工艺及制品的结构与性能调控提供依据,对基于拉伸流变的具有极端流变行为的高分子成型加工理论和应用的发展创新具有重要的科学意义和工程价值。本文利用偏心转子挤出机对分子量为250万的UHMWPE树脂进行挤出加工。通过将经过偏心转子挤出机挤出预处理的UHMWPE模压样品(CM-UPE30)与未经过预处理的模压样品(CM-UHMWPE)进行对比发现,在拉伸流场作用下UHMWPE分子链沿拉伸方向取向解缠结,促进了粒子间分子链的相互扩散,减少了样品中的熔融缺陷。以拉伸流变为主导的偏心转子挤出机还可以很好的保持UHMWPE的分子量。与CMUHMWPE相比,CM-UPE30的拉伸性能和耐磨性能提高,屈服强度从21 MPa增加至23 MPa,拉伸强度从36 MPa增加至46 MPa,断裂伸长率从610%增加至690%,Taber磨耗量从1.73 mg/1000r降低至0.99 mg/1000r。本文研究了加工温度和转速对UHMWPE的结构与性能的影响。实验结果表明,当转速为10 rpm时,随着加工温度的升高,UHMWPE屈服强度和断裂伸长率逐渐增高,但拉伸强度呈先上升后下降的趋势,在加工温度为180-200-220℃时达到最大值。当加工温度为180-200-220℃时,随着转速的增加,UHMWPE在挤出机中的停留时间减小,停留时间与转速呈反比例关系,UHMWPE的产量线性增加,熔体温度也增加。当转速从10 rpm升至35 rpm时,UHMWPE的屈服强度从22 MPa增加至24 MPa,拉伸强度从48 MPa提升至54 MPa,断裂伸长率从662%增加至713%。当转速升高时,拉伸流场对UHMWPE的作用力增大,有助于UHMWPE分子链的解缠结,提高了UHMWPE的结晶能力,结晶度升高,晶粒尺寸变大,样品中的熔融缺陷也减少。在偏心转子挤出机加工过程中,即使高温、高转速的条件下也能很好的保持UHMWPE的分子量。基于上述实验结果,本文选用固定的加工工艺参数,进一步研究了物料特性(分子量和加工助剂)对UHMWPE结构与性能的影响。实验结果表明,UHMWPE的屈服强度和断裂伸长率随着分子量的升高而降低,拉伸强度随着分子量的升高呈先上升后下降的趋势。在分子量较低时,UHMWPE在偏心转子挤出机中的熔融塑化效果好,分子量越高,物理缠结点越多,受力点越多,拉伸强度增强。当分子量高于一定值时,UHMWPE在挤出机中的熔融效果变差,熔融缺陷增多,拉伸强度下降。随着转速的升高,分子量对UHMWPE的拉伸强度的影响变小。GUR X205为分子量为450万的改性UHMWPE。偏心转子挤出机所产生的体积拉伸形变对GUR X205具备高效的分散混合效果。与直接模压样品相比,经偏心转子挤出机挤出后的GUR X205模压样品的拉伸性能整体提高,屈服强度从22 MPa增加至23 MPa,拉伸强度从37 MPa增加至41 MPa,断裂伸长率从643%增加至747%。由于偏心转子挤出机的熔融塑化效率高,UHMWPE在挤出机中的热机械历程较短,避免了由于加热时间长而引起的热降解,有利于其优异性能的保持。此外在拉伸流场作用下,UHMWPE分子链可沿拉伸方向解缠结,在改善其加工性能的同时减少了样品中的熔融缺陷,有助于UHMWPE机械性能的提高。与其他通用聚合物成型加工设备相比,偏心转子挤出机可更加高质高效的加工纯UHMWPE。
【图文】：

冲击性能,高分子材料,耐低温性,抗冲击性能

Table 1-1 Typical average physical properties of HDPE and UHMWPE性能 HDPE UHM106g/mol） 0.05～0.25 3.5～（℃） 130～137 132～量（GPa） 0.4～4.0 0.5～度（MPa） 26～33 21～度（MPa） 22～31 39～长率（%） 10～1200 350～度（J/m） 21～214 >1070（未度（%） 60～80 39～高的冲击性能和耐低温性。图 1-1 为 UHMWPE 与其他几种高如图所示，UHWMPE 的冲击强度为聚碳酸酯（PC）的 3 倍 5 倍。UHMWPE 在-70℃的温度下仍具有较高的抗冲击性能6℃）还能保持一定的韧性。

模型图,形态结构,模型图

粉状材料的料斗、料仓、滑槽的衬里。自润滑性可使上述粉料对储运设备不发象，，保证输送的稳定性。另外 UHMWPE 还可以用于制作犁具外衬板、退土机挖土机铲斗的内衬等。（4）UHMWPE 纤维不仅具有很高的比强度、比模量，还有优异的耐拉伸性、耐化学腐蚀性及耐低温性，可应用于海洋产业、安全防护、体育用品、航空域[22-26]。常见的 UHMWPE 纤维制品有防弹衣、防弹头盔、缆绳、救捞绳、深网箱等。UHMWPE 的加工技术1 UHMWPE 的加工特性UHMWPE 作为一种典型的半结晶聚合物，其形态结构模型如图 1-2 所示[27]。子量使相邻分子链间的作用力增大，形成物理缠结点，这使 UHMWPE 具有优。但是极大的缠结密度也限制了分子链的运动能力，不利于UHMWPE的成型加
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ325.12

【参考文献】