挤出机螺杆转速对超对高分子量聚乙烯性能的影响

陈全奎¹  董景龙¹  田琳¹   陆昶²  张玉清²

（1.洛阳国润新材料科技股份有限公司;2.河南科技大学）

（1.陈全奎  男  1985年6月   洛阳国润新材料科技股份有限公司技术总监；洛阳超高分子量聚乙烯工程技术研究中心主任，主要从事超高分子量聚乙烯原料改性、成型加工方面的研究，电话：15037935077，办公室：0379-65138836，邮箱：15037935077@139.com，单位所在地：河南洛阳，邮编：471132

摘要

   超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是一种热塑性工程塑料，其较大的分子量使其具备了普通聚乙烯所不具备的优异性能，例如优异的摩擦磨损性能，较高的冲击强度，耐腐蚀性，耐水性等等，得到了广泛的发展和应用。本文通过单螺杆挤出机在螺杆转速下对UHMWPE进行加工，研究了螺杆转速对UHMWPE试样熔融指数，结晶行为及力学性能的影响。采用熔体流动速率测定仪，差示扫描量热分析仪(DSC)及拉伸试验机对试样进行测试分析，结果表明螺杆转速增加可以有效的提高UHMWPE的结晶化程度，使得材料具有较高的拉伸强度。但随着螺杆转速的进一步提高，UHMWPE在较大剪切力的作用下分子链产生一定程度的断裂，从而使得UHMWPE的拉伸性能受损。

关键词：超高分子量聚乙烯，螺杆转速，结晶行为，拉伸性能

Effect of screw speed of single-screw extruder on performance of Ultra high molecular weight polyethylene

Chenquankui¹、Dongjinglong¹、Tianlin¹、Luchang²、Zhangyuqing²

（1.Luoyang Guorun new material technology co., LTD;2.Henan university of science and technology）

Abstract

Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), a kind of thermoplastic engineering plastic, exhibits excellent properties that common polyethylene does not have, such as excellent friction and wear properties, high impact strength, resistance to corrosion, water resistance, and so on, due to its the larger molecular weight, and has been developed and applied widely. In this paper, single screw extruder was used to process UHMWPE at different screw speed. Effect of screw speed on melt index (MI), crystallization behavior and mechanical property of UHMWPE was investigated by means of melt flow indexer, differential scanning calorimetry (DSC) and stretch tester, respectively. The results showed that the increase of screw speed caused the increase of crystallization degree, resulting in the improvement of tensile strength. However, the further increase of screw speed formed large shearing force, causing the fracture of molecular chains. As a result, the tensile strength of UHMWPE was decreased.

Keywords: Ultra high molecular weight polyethylene, Screw speed, Crystallization behavior, Tensile property

引言

超高分子量聚乙烯是由大量乙烯单元（C₂H₄）重复组成的线性聚乙烯，通常分子量在150万以上，其英文全称为：Ultra High Molecular Weight Polyethylene, 简称为：UHMWPE。最早是由德国赫斯特（Hoechst）公司于1958年开发研制成功，并实现工业化。UHMWPE由于其结构的特性具备了很多材料所不具备的性能，例如：优异耐腐蚀性、抗冲击性能、耐磨性能以及抗结垢性能，这些性能使得UHMWPE材料在全球范围得到了广泛的发展和应用[1-3]。

由于UHMWPE极高的分子量，分子链极易发生缠绕，在加热过程中流动性极差，即便达到熔融温度，UHMWPE也呈现高弹态，因此普通塑料的成型加工方法对其很难适用。通常人们采用以下几种工艺方法对其进行生产加工：模压成型、注射成型、纺丝成型以及挤出成型[4-6]。与其他方法相比，挤出成型具有操作简便，物料混合均匀，较高生产连续性等优点被人们广泛开发和应用。目前人们针对挤出成型的生产工艺及改良有着大量的研究，日本三井公司早在70年代就研制出UHMWPE的单螺杆挤出工艺，使得UHMWPE迈入了高速连续化生产的时代。我国也于90年代开始使用并自主研发新型螺杆挤出机对UHMWPE进行大规模生产应用，通过系统模拟的方法建立了多种理论体系对生产进行理论指导[7-12]。目前国内外主要针对UHMWPE的改性来提高UHMWPE制品的性能，很少围绕生产过程中的工艺参数对UHMWPE性能的影响做深入研究。

本文通过单螺杆挤出机来制备UHMWPE样品，通过对不同螺杆转速挤出的UHMWPE样条进行测试分析，系统的研究了在生产过程中螺杆转速对UHMWPE制品性能的影响，确定最佳工艺参数，对生产实践有着重要的指导意义。

1 实验部分

1.1 原料及设备

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：SLL-J-2，上海联乐化工有限公司；单螺杆挤出机：GR-90型，南京瑞亚高聚物设备有限公司

1.2 样品制备

将一定质量的UHMWPE经干燥后，放入单螺杆挤出机，分别以8,10,12,14,16Hz的转速在200℃下挤出切粒，将料粒冷却干燥后经模压成型制备测试样品。样品分别命名为：UHMWPE/8、UHMWPE/10、UHMWPE/12、UHMWPE/14、UHMWPE/16。

1.3 测试表征

差示扫描量热测试DSC：运用差示扫描量热法来研究UHMWPE的熔融结晶行为。将不同的UHMWPE试样放入真空烘箱，在40℃下干燥30min以去除水分。然后分别取一定量的试样放入铝制坩埚中进行测试，在氮气环境下，以10℃/min的升温速率由室温升至180℃。

熔体流动速率测试MFR:通过熔体流动速率仪来研究UHMWPE的粘性流变行为，实验标准采用GB/T 3682-2000进行测试。

拉伸性能测试：拉伸实验标准为GB/T8804.1-2003，使用万能试验机进行测试。测试之前将裁好的哑铃型样条在室温下放置24h。每种样条分别测试10组数据，取其平均值作为最终拉伸数据。

2 结果与讨论

  在高分子材料的挤出过程中，螺杆转速对材料的性能有着重要的影响，是高分子材料加工过程中降解的主要因素之一，因此研究螺杆转速对材料的影响是十分有必要的。本文采用测量不同转速下UHMWPE材料的分子量大小，熔体流动速率，结晶行为以及力学性能，来研究螺杆转速对UHMWPE材料性能的影响。

2.1 螺杆转速对UHMWPE分子量的影响

  通过熔体流动速率的测试来表征UHMWPE分子量大小的变化，图1为UHMWPE的溶体流动速率与螺杆转速的关系图。

  如上图所示，在相同温度下UHMWPE的熔体流动速率随着螺杆转速的提高而增大，这是由于在螺杆的转动过程中，机筒内的UHMWPE物料受到较大的剪切力和拉伸应力，使得分子链在拉伸运动的方向上伸长，在分子链上产生了较大的应力。随着转速的提高，受力越来越大，分子链断裂，UHMWPE发生机械降解，分子量降低。结果表明UHMWPE的黏均分子量对螺杆产生的剪切力具有较大的敏感性。

2.2 螺杆转速对UHMWPE结晶行为的影响

    通过对不同螺杆转速制备的UHMWPE试样进行DSC测试，对比分析DSC数据来研究螺杆转速对其熔融结晶行为的影响。由图2所示，不同螺杆转速下制备的UHMWPE试样，材料的熔融温度基本不变，表明螺杆的转速对其熔融过程是没有影响的。

   根据DSC曲线中的熔融吸热峰面积结合公式2-1可以计算出每种UHMWPE试样的结晶度，计算结果列于表1。

                  （2-1）

式中△ H为熔融结晶热; △Hc 为UHMWPE完全结晶时的熔融热， 等于291 KJ/mol。

  如表1所示，UHMWPE材料的结晶度随着转速的提升呈现先增大后减小的趋势。可能原因为在低转速时，增大螺杆转速可以有效的提高热量传递，使得UHMWPE均匀受热，加快了塑化进程，提高了UHMWPE的结晶程度。随着螺杆转速的进一步提高，UHMWPE材料的结晶度出现了明显的下降趋势，这是由于螺杆转动产生的剪切力使得UHMWPE分子发生机械降解，分子链造成断裂，使得UHMWPE的结晶行为受到影响。

2.3 螺杆转速对UHMWPE材料力学性能的影响

    为了进一步的研究螺杆转速对UHMWPE材料性能的影响，对不同转速下的UHMWPE材料进行力学性能测试。图3为不同转速下UHMWPE的拉伸强度。

由图3可得，UHMWPE的拉伸强度随着螺杆转速的提高先增大后减小，这一现象与UHMWPE的结晶度变化是一致的。材料的力学性能同结晶度有着密切联系，随着螺杆转速的提高，UHMWPE材料的结晶度先增大，此时分子链排列趋于紧密，材料的孔隙率降低，分子间的作用力增强，因此材料的拉伸强度得到提高。随着螺杆转速的进一步加快，材料受到的剪切力占主导，分子链的机械降解降低了材料的力学性能，使得拉伸强度下降。

3 结论

通过以上的测试分析，可以得出以下结论：在UHMWPE的加工过程中，螺杆转速对其性能具有较大的影响，主要为由于螺杆转速产生的剪切力对UHMWPE分子链结构的影响作用，使得材料发生了机械降解。随着螺杆转速的加快，UHMWPE材料的粘均分子量呈现降低趋势，结晶度和拉伸强度均呈现先增大后减小的趋势。

参考文献

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