超高分子量聚乙烯的成型加工

3.1成型特性

作为热塑性工程塑料的超高分子量聚乙烯在固态时具有优良的综合性能,但其熔体特性和普通聚乙烯等一般热塑性塑料截然不同,给加工带来了困难,主要表现在以下4个方面。

(⑴)物料熔融时粘度极高,不成粘流态,而是处于高弹态。超高分子量聚乙烯加工时的熔融粘度达到108Pa.s,流动性极差,其熔体流动指数几乎为零，很难直接进行挤出或注射成型。

(⑵)临界剪切速度低,熔体易破裂。超高分子量聚乙烯在剪切速率很低(0.01/s)时就可能产生熔体破裂现象;而普通HDPE则在100/s时才出现熔体破裂现象。因此,在超高分子量聚乙烯进行挤出成型时,挤出速度不能太快,否则会造成熔体破裂,表面出现裂纹。在进行注射成型时，由于出现喷射流状态时而引起气孔和脱层现象。

(3)超高分子量聚乙烯的摩擦系数极低,使粉料进行过程中极易打滑,不易进料。(4)成型温度范围窄，易氧化降解。

3.2压制烧结成型

超高分子量聚乙烯的压制烧结成型与PTFE的粉末烧结成型基本相似，即首先将粉末在室温下加压，制成有适当密度和强度的压缩物,然后在规定的温度下进行烧结而行。粉末的低密度。烧结温度，烧结时间,添加剂的用量和比例，偶联剂的品种以及施加的压力都将影响产品的尺寸和性能,因此操作的随机性比较大，对操作者技术要求比较高。优点是成本低，设备简单，投资少,不受超高分子量聚乙烯分子量的影响，即使是世界上相对分子量最高的超高分子量聚乙烯(德国已高达1000万)也能加工。缺点是生产效率低，劳动强度大,产品质量不稳定等。对于超高分子量聚乙烯的成型加工来说，由于其相对分子量太高,流动性差，在其他成型工艺还不太成熟的情况下，世界各国主要采用压制烧结成型。

3.3 挤出成型

超高分子量聚乙烯的挤出成型，可采用单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和柱塞挤出机，其中以双螺杆挤出机最为常用。

北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所的何继敏等人用单螺杆挤出机实现了超高分子量聚乙烯管材的连续生产。世界上最早研制UHMWPE单螺杆挤出成型技术的是日本三井石油化学公司,于1971年开始研究UHMWPE棒材挤出技术, 1974年投入生产。单螺杆挤出机挤出超高分子量聚乙烯管材技术是通过螺杆的塑化和推进作用，真正实现了超高分子量聚乙烯管材的连续挤出，效率显著提高，使超高分子量聚乙烯的加工技术跃上了一个新台阶。日本三井石油化工公司采用65型单螺杆挤出机，可生产10 种不同规格的圆棒(50-d200mm)。我国北京塑料研究所在“六五”和“七五”期间研制出UHMWPE单螺杆挤出机挤出棒材成型工艺，采用45，65单螺杆挤出机挤出了UHMWPE棒材(20mm -100mm)。

双螺杆挤出机的两根螺杆是啮合在一起的，能将物料强制推进，在塑化段将物料压实为熔体，继续啮合推进，在计量段将物料输送进模具,从而实现了连续进料。但是，因熔融状态下的UHMWPE粘度极高，输送阻力很大,对螺杆的轴向推力要求较高，即要求螺杆尾部的止推轴承能承受很高的背压(由螺杆中的熔体输送和熔体向模具中输送而产生的压力两部分组成)。并对模具进行特别的设计，要求能使呈块状的熔体压缩以一起。配以合适的挤出工艺,即可实现UHMWPE板材和异型材的连续生产。采用柱塞挤出机对超高分子量聚乙烯进行挤出成型。可以看作是连续化的压制烧结。

采用柱塞挤出机制造超高分子量聚乙烯制品的生产效率较低,也不宜成型较大的制品，在实际生产中受到了一定的限制。

3.4注射成型

日本的三井石油化学公司于70年代中期最早实现了超高分子量聚乙烯注射成型, 1976年实行了商业化。在我国，超高分子量聚乙烯的注射成型也取得了一些突破性的进展。刘玉凤等人用德国Battenfeld公司的高压高速注射机，对UHMWPE的注射成型工艺进行了研究，发现UHMWPE受注射温度影响较小，选择为250℃左右;提高注射压力可显著改善树脂的流动性。但是，如注射压力过大，则会产生溢料;注射速度选择为先增大后递减，在高剪切作用下，熔体被分割为细小的粉末，而充满型腔;同时，选择较小的直径喷嘴,以提高剪切并配合合适的螺杆速度，即可生产出性能优良的制品。基本上是采用普通的单螺杆注射机，但在螺杆和模具设计上需经过特殊的改进，以保证物料在料筒内均匀移动，并装备压力贮存器用来加速注入。

3.5吹塑成型

超高分子量聚乙烯因熔体粘度高，给加工带来了不少困难，但它的熔体具有较大的熔融张力，型扛下垂现象较少，又为中空容器吹塑成型，尤其是大型容器的吹塑成型，创造十分有力的条件。超高分子量聚乙烯的吹塑可以制成高强度制品，如汽车的油箱，筒类等。3.6二次成型

二次成型，是在一次成型的基础上，将一次成所得的型材加热至类橡胶状态，然后通过施加一定大小的外力使其具有一定形状的半成品，再经冷却定型和整饰而得到制品。二次成型包括中空吹塑成型、热成型、拉幅薄膜的成型等方法，二次成型仅适用于热塑性塑料的成型，它是在一次成型的基础上进行成型的一种成型方法.3.6.1 二次成型的主要方法

热成型:是指将一次型坯（通常是）加热至软化状态，通过模具，在外力的作用下生成所需制品的一种方法。这种方法不适合壁厚较大且表面积小的制品的二次成型。用于热成型的塑料品种有很多，如PS、有机玻璃、PVC、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、PE、PP、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。

双轴拉伸:为了让型材的大分子能够重新取向,将其加热到玻璃化温度和熔点温度之间，在外力作用下进行双向拉伸，然后迅速冷到室温的一种成型方法。通过双轴拉伸制得的薄膜或单丝拉伸方向上的物理机械性能将会有有很大的提高和增强。目前，有很多高分子聚合物都可以通过双轴拉伸的方法进行二次成型，如丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯等等。

固相成型:是型材或坯料在一定的温度范围内被加热后加热后，在压力下通过特定的模具使其成型为所需制品的一种成型方法。

由于成型温度的不同，二次成型还可以分为以下几类:在塑料的熔融温度以下10℃左右进行成型的可叫做固相成型;对于非结晶性聚合物，在其玻璃化温度以上，熔融温度以下的高弹态状态下的成型，称之为热成型;在玻璃化温度以下对聚合物型材进行加工的方法，称之冷成型或室温成型，在很多地方，常温塑性加工。

对于有些高分子聚合物，比如超高分子量聚乙烯，囿于自身的特点，通过一次成型往往不能直接获得所需的制品，这就需要在一次成型的基础上，把一次成型后的型坯经过再次成型加工来获得最终制品。也就是说要将一次成型所得的片、管、板等型材，通过加热，使其处于高弹态状态下，在外力的作用下，通过特制的模具使其成为各种预期的形状，经过冷却定型而得制品。