UHMWPE管材模内缠绕成型方法与制品性能研究

作     者：李惠兰 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯彦洪

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超高分子量聚乙烯 挤出稳定性 管材缠绕成型机 挤出特性 制品性能 

摘      要：超高分子量聚乙烯(ultrahigh-molecular-weight polyethylene,UHMWPE)是一种分子量超过150万的热塑性工程塑料,因其分子量极高而具有优异的性能。由于具有优异的耐磨性、耐候性和抗冲击性,UHMWPE管材在矿采输运、清淤工程、粮食工业等领域具有广泛应用。然而,UHMWPE熔体黏度极高,传统聚合物加工成型技术制备UHMWPE管材不仅生产效率极低,而且容易出现挤出不稳定现象,管材熔接强度低,环向力学性能较差。因此,研发生产效率高、制品性能优异的UHMWPE管材的成型方法及设备具有重要意义。本文利用高压毛细管流变仪提供恒定可控的挤出速度,设计了一系列挤出口模,模拟传统柱塞式挤出机挤出成型UHMWPE,从挤出速率、材料特性、口模结构、口模表面能等方面出发,系统地研究了影响挤出压力和挤出物外观的因素。研究结果表明:采用高表面能模具时,一方面不断有分子链被吸附在壁面,另一方面,不断有吸附链被流动的本体链带离壁面。这两种作用相互竞争,使得口模表面的分子链不断地吸附–解吸附,实现壁面熔体的动态更新,同时致使得表层熔体应力分布不均匀,引起挤出物畸变。流动改进剂和低表面能模具有助于减少模具壁面处的相互作用而降低熔体压力。当挤出速率较高,出现壁面滑移,口模平直段的长度对熔体压力的影响很小,压力降主要取决于收敛流道的压缩比和熔体形变速率,当熔体流经收敛流道产生的应力超过UHMWPE初生粒子间的界面结合力时,整体熔体破裂。上述柱塞挤出模拟实验表明,UHMWPE在极低的挤出速率下就出现粘附–滑移的挤出不稳定现象,本文提出了有源驱动的UHMWPE管材模内缠绕成型方法,即利用挤出机熔融塑化UHMWPE,挤出熔体片坯,熔体片坯以一定的角度进入有源驱动缠绕成型机内,随着芯棒旋转,熔体片坯在缠绕成型机的芯棒螺旋棱的带动下与其料筒的包覆作用下,绕着芯棒缠绕成管材,实现UHMWPE管材模内缠绕成型。本文完成了管材缠绕成型机的机械结构设计,分析了料塞的运动和受力情况,推导出片坯挤出速度与缠绕成型机的转速匹配关系,为缠绕成型机的工艺优化提供指导。本文试制了管材缠绕成型实验装置,采用分子量为4.5×10 g/mol的UHMWPE进行实验。逐段拆机实验证明了UHMWPE片坯缠绕成管的成型原理。由于螺旋棱芯棒和凸棱料筒形成容积周期变化的腔体,熔体片坯受到周期性变化的压缩、释放应力,促进了熔体片坯间拼接界面分子链的相互扩散,使得片坯缠绕成为熔接良好的管材。由外源驱动提供环向和轴向动力,解决了粘附–滑移的挤出不稳定问题,在挤出速度高达43 m/h时,仍能获得了表面质量良好的UHMWPE管材,而柱塞挤出模拟实验表明当挤出速度超过5 m/h时UHMWPE就开始出现挤出不稳定现象,这表明缠绕成型法极大地提高了UHMWPE的生产效率。保持芯棒的螺旋凸棱结构,将凸棱料筒变成光滑料筒,管材产量下降了15%,而且在挤出机转速为30 r/min时片坯无法熔接成管材。光轴结构的缠绕成型机无输送能力。研究表明,凸棱料筒与螺旋棱芯棒的组合是比较合理的结构。并对物料在缠绕成型机内的停留时间和运动方位角进行了实验研究,以验证理论模型的正确性,结果表明实验与理论有较好的一致性。对缠绕成型的UHMWPE管材进行了多方面的测试表征。在缠绕成型管材制备过程中,FTIR测试结果表明UHMWPE未发生明显的氧化降解,刻蚀样品的SEM图表明分子链发生取向,动态流变测试表明制品缠结程度下降,在冷却结晶时,取向分子链为异相成核点,分子链结晶速度快,晶片厚度减小。在挤出机转速为20 r/min时缠绕成型法获得了熔接良好、性能优异的UHMWPE管材,其环向与轴向力学性能相当的,屈服强度为20 MPa,拉伸强度为34 MPa,断裂伸长率为450%,而且管材的耐磨性几乎与高耐磨的400万纯树脂模压标样相当。在挤出机和片材模具的拉伸流场作用下,分子链沿熔体片坯挤出方向取向,将片坯绕芯棒缠绕成型可以大幅度提高管材环向的取向程度,同时缠绕成型机的收敛成型部分增加管材轴向的取向程度,因此本文提出的管材模内缠绕成型可以增强管材的环向强度。并且通过改变缠绕角和收敛流道的压缩比,可有效调控环向与轴向分子链的取向程度,进而调控管材环向与轴向力学性能。