超高(gāo)分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是一種熱塑性工程塑料，其較大(dà)的分子量使其具備了普通(tōng)聚乙烯所不具備的優異性能，例如優異的摩擦磨損性能，較高(gāo)的沖擊強度，耐腐蝕性，耐水(shuǐ)性等等，得(de)到了廣泛的發展和(hé)應用。本文通(tōng)過單螺杆擠出機在螺杆轉速下對UHMWPE進行(xíng)加工，研究了螺杆轉速對UHMWPE試樣熔融指數(shù)，結晶行(xíng)為(wèi)及力學性能的影(yǐng)響。采用熔體(tǐ)流動速率測定儀，差示掃描量熱分析儀(DSC)及拉伸試驗機對試樣進行(xíng)測試分析，結果表明(míng)螺杆轉速增加可(kě)以有(yǒu)效的提高(gāo)UHMWPE的結晶化程度，使得(de)材料具有(yǒu)較高(gāo)的拉伸強度。但(dàn)随着螺杆轉速的進一步提高(gāo)，UHMWPE在較大(dà)剪切力的作(zuò)用下分子鏈産生(shēng)一定程度的斷裂，從而使得(de)UHMWPE的拉伸性能受損。
引言
超高(gāo)分子量聚乙烯是由大(dà)量乙烯單元（C2H4）重複組成的線性聚乙烯，通(tōng)常分子量在150萬以上(shàng)，其英文全稱為(wèi)：Ultra High Molecular Weight Polyethylene, 簡稱為(wèi)：UHMWPE。最早是由德國赫斯特（Hoechst）公司于1958年開(kāi)發研制(zhì)成功，并實現工業化。UHMWPE由于其結構的特性具備了很(hěn)多(duō)材料所不具備的性能，例如：優異耐腐蝕性、抗沖擊性能、耐磨性能以及抗結垢性能，這些(xiē)性能使得(de)UHMWPE材料在全球範圍得(de)到了廣泛的發展和(hé)應用[1-3]。
由于UHMWPE極高(gāo)的分子量，分子鏈極易發生(shēng)纏繞，在加熱過程中流動性極差，即便達到熔融溫度，UHMWPE也呈現高(gāo)彈态，因此普通(tōng)塑料的成型加工方法對其很(hěn)難适用。通(tōng)常人(rén)們采用以下幾種工藝方法對其進行(xíng)生(shēng)産加工：模壓成型、注射成型、紡絲成型以及擠出成型[4-6]。與其他方法相比，擠出成型具有(yǒu)操作(zuò)簡便，物料混合均勻，較高(gāo)生(shēng)産連續性等優點被人(rén)們廣泛開(kāi)發和(hé)應用。目前人(rén)們針對擠出成型的生(shēng)産工藝及改良有(yǒu)着大(dà)量的研究，日本三井公司早在70年代就研制(zhì)出UHMWPE的單螺杆擠出工藝，使得(de)UHMWPE邁入了高(gāo)速連續化生(shēng)産的時(shí)代。我國也于90年代開(kāi)始使用并自主研發新型螺杆擠出機對UHMWPE進行(xíng)大(dà)規模生(shēng)産應用，通(tōng)過系統模拟的方法建立了多(duō)種理(lǐ)論體(tǐ)系對生(shēng)産進行(xíng)理(lǐ)論指導[7-12]。目前國內(nèi)外主要針對UHMWPE的改性來(lái)提高(gāo)UHMWPE制(zhì)品的性能，很(hěn)少(shǎo)圍繞生(shēng)産過程中的工藝參數(shù)對UHMWPE性能的影(yǐng)響做(zuò)深入研究。
本文通(tōng)過單螺杆擠出機來(lái)制(zhì)備UHMWPE樣品，通(tōng)過對不同螺杆轉速擠出的UHMWPE樣條進行(xíng)測試分析，系統的研究了在生(shēng)産過程中螺杆轉速對UHMWPE制(zhì)品性能的影(yǐng)響，确定最佳工藝參數(shù)，對生(shēng)産實踐有(yǒu)着重要的指導意義。
1 實驗部分
1.1 原料及設備
超高(gāo)分子量聚乙烯（UHMWPE）：SLL-J-2，上(shàng)海聯樂化工有(yǒu)限公司；單螺杆擠出機：GR-90型，南京瑞亞高(gāo)聚物設備有(yǒu)限公司
1.2 樣品制(zhì)備
将一定質量的UHMWPE經幹燥後，放入單螺杆擠出機，分别以8,10,12,14,16Hz的轉速在200℃下擠出切粒，将料粒冷卻幹燥後經模壓成型制(zhì)備測試樣品。樣品分别命名為(wèi)：UHMWPE/8、UHMWPE/10、UHMWPE/12、UHMWPE/14、UHMWPE/16。
1.3 測試表征
差示掃描量熱測試DSC：運用差示掃描量熱法來(lái)研究UHMWPE的熔融結晶行(xíng)為(wèi)。将不同的UHMWPE試樣放入真空(kōng)烘箱，在40℃下幹燥30min以去除水(shuǐ)分。然後分别取一定量的試樣放入鋁制(zhì)坩埚中進行(xíng)測試，在氮氣環境下，以10℃/min的升溫速率由室溫升至180℃。
熔體(tǐ)流動速率測試MFR:通(tōng)過熔體(tǐ)流動速率儀來(lái)研究UHMWPE的粘性流變行(xíng)為(wèi)，實驗标準采用GB/T 3682-2000進行(xíng)測試。
拉伸性能測試：拉伸實驗标準為(wèi)GB/T8804.1-2003，使用萬能試驗機進行(xíng)測試。測試之前将裁好的啞鈴型樣條在室溫下放置24h。每種樣條分别測試10組數(shù)據，取其平均值作(zuò)為(wèi)最終拉伸數(shù)據。
2 結果與討(tǎo)論
在高(gāo)分子材料的擠出過程中，螺杆轉速對材料的性能有(yǒu)着重要的影(yǐng)響，是高(gāo)分子材料加工過程中降解的主要因素之一，因此研究螺杆轉速對材料的影(yǐng)響是十分有(yǒu)必要的。本文采用測量不同轉速下UHMWPE材料的分子量大(dà)小(xiǎo)，熔體(tǐ)流動速率，結晶行(xíng)為(wèi)以及力學性能，來(lái)研究螺杆轉速對UHMWPE材料性能的影(yǐng)響。
2.1 螺杆轉速對UHMWPE分子量的影(yǐng)響
通(tōng)過熔體(tǐ)流動速率的測試來(lái)表征UHMWPE分子量大(dà)小(xiǎo)的變化，圖1為(wèi)UHMWPE的溶體(tǐ)流動速率與螺杆轉速的關系圖。
如上(shàng)圖所示，在相同溫度下UHMWPE的熔體(tǐ)流動速率随着螺杆轉速的提高(gāo)而增大(dà)，這是由于在螺杆的轉動過程中，機筒內(nèi)的UHMWPE物料受到較大(dà)的剪切力和(hé)拉伸應力，使得(de)分子鏈在拉伸運動的方向上(shàng)伸長，在分子鏈上(shàng)産生(shēng)了較大(dà)的應力。随着轉速的提高(gāo)，受力越來(lái)越大(dà)，分子鏈斷裂，UHMWPE發生(shēng)機械降解，分子量降低(dī)。結果表明(míng)UHMWPE的黏均分子量對螺杆産生(shēng)的剪切力具有(yǒu)較大(dà)的敏感性。
2.2 螺杆轉速對UHMWPE結晶行(xíng)為(wèi)的影(yǐng)響
通(tōng)過對不同螺杆轉速制(zhì)備的UHMWPE試樣進行(xíng)DSC測試，對比分析DSC數(shù)據來(lái)研究螺杆轉速對其熔融結晶行(xíng)為(wèi)的影(yǐng)響。由圖2所示，不同螺杆轉速下制(zhì)備的UHMWPE試樣，材料的熔融溫度基本不變，表明(míng)螺杆的轉速對其熔融過程是沒有(yǒu)影(yǐng)響的。
根據DSC曲線中的熔融吸熱峰面積結合公式2-1可(kě)以計(jì)算(suàn)出每種UHMWPE試樣的結晶度，計(jì)算(suàn)結果列于表1。
（2-1）
式中△ H為(wèi)熔融結晶熱; △Hc 為(wèi)UHMWPE完全結晶時(shí)的熔融熱， 等于291 KJ/mol。
如表1所示，UHMWPE材料的結晶度随着轉速的提升呈現先增大(dà)後減小(xiǎo)的趨勢。可(kě)能原因為(wèi)在低(dī)轉速時(shí)，增大(dà)螺杆轉速可(kě)以有(yǒu)效的提高(gāo)熱量傳遞，使得(de)UHMWPE均勻受熱，加快了塑化進程，提高(gāo)了UHMWPE的結晶程度。随着螺杆轉速的進一步提高(gāo)，UHMWPE材料的結晶度出現了明(míng)顯的下降趨勢，這是由于螺杆轉動産生(shēng)的剪切力使得(de)UHMWPE分子發生(shēng)機械降解，分子鏈造成斷裂，使得(de)UHMWPE的結晶行(xíng)為(wèi)受到影(yǐng)響。
2.3 螺杆轉速對UHMWPE材料力學性能的影(yǐng)響
為(wèi)了進一步的研究螺杆轉速對UHMWPE材料性能的影(yǐng)響，對不同轉速下的UHMWPE材料進行(xíng)力學性能測試。圖3為(wèi)不同轉速下UHMWPE的拉伸強度。
由圖3可(kě)得(de)，UHMWPE的拉伸強度随着螺杆轉速的提高(gāo)先增大(dà)後減小(xiǎo)，這一現象與UHMWPE的結晶度變化是一緻的。材料的力學性能同結晶度有(yǒu)着密切聯系，随着螺杆轉速的提高(gāo)，UHMWPE材料的結晶度先增大(dà)，此時(shí)分子鏈排列趨于緊密，材料的孔隙率降低(dī)，分子間(jiān)的作(zuò)用力增強，因此材料的拉伸強度得(de)到提高(gāo)。随着螺杆轉速的進一步加快，材料受到的剪切力占主導，分子鏈的機械降解降低(dī)了材料的力學性能，使得(de)拉伸強度下降。
3 結論
通(tōng)過以上(shàng)的測試分析，可(kě)以得(de)出以下結論：在UHMWPE的加工過程中，螺杆轉速對其性能具有(yǒu)較大(dà)的影(yǐng)響，主要為(wèi)由于螺杆轉速産生(shēng)的剪切力對UHMWPE分子鏈結構的影(yǐng)響作(zuò)用，使得(de)材料發生(shēng)了機械降解。随着螺杆轉速的加快，UHMWPE材料的粘均分子量呈現降低(dī)趨勢，結晶度和(hé)拉伸強度均呈現先增大(dà)後減小(xiǎo)的趨勢。
