超高分子量聚乙烯( UHMW-PE)通常指粘均分子量在150萬(wàn)以上的線性聚乙烯，具有普通聚乙烯和其它工程塑料所無(wú)可比擬的耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、自潤(rùn)滑性和吸收沖擊能等綜合性能，故被稱為“令人驚異的塑料”，但由于其粘度極高，成型加工困難，長(zhǎng)期以來只能采用壓制燒結(jié)和柱塞推壓的方法成型制品。1994年，我們研制出∮45型UHMW-PE專用單螺桿擠出機(jī)，擠出了UHMW-PE棒材；1997年研制出∮65型UHMW-PE專用單螺桿擠出生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了UHMW-PE管材、棒材的工業(yè)化連續(xù)成型。本文將在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)UHMW-PE單螺桿擠出過程中的熔融
輸送機(jī)理進(jìn)行探討。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1原料
M2:北京助劑二廠生產(chǎn)的UHMW-PE樹脂，粘均分子量為270萬(wàn)。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
∮45型UHMW-PE單螺桿擠出機(jī)：D：45mm，//D：25;機(jī)頭：棒材(∮25 mm)�！�65型UHMW-PE單螺桿擠出生產(chǎn)線，由UHMW-PE單螺桿擠出機(jī)(D=65 mm，L/D：25)、機(jī)頭、冷卻定型裝置、牽引機(jī)、切割機(jī)、堆放架組成；機(jī)頭：管材(∮110mm×4.5 mm、∮110mm×6 mm)，棒材(∮30 mm、∮40 mm、∮50 mm).
2、結(jié)果與討論
2.1熔融狀態(tài)
UHMW-PE熔融粘度極高，其熔體流動(dòng)指數(shù)近乎為零。普通PE熔融時(shí)呈粘流態(tài)，從口模擠出的熱熔體因重力而下垂。而UHMW-PE熔體，從加熱口模擠出時(shí)（未冷卻且無(wú)牽引），呈固體棒狀（Fig.1）或管狀水平向前移動(dòng)，即具有“自撐強(qiáng)度”，這種如固體橡膠的半透明狀態(tài)為“高粘彈態(tài)”，由此可知，UHMW-PE熔融時(shí)是沒有流動(dòng)特征的特殊意義的“熔體”。
2.2螺桿輸送過程分析
下面對(duì)UHMW-PE在螺桿擠出過程中各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化進(jìn)行分析。
2.2.1 加料段粉末固體輸送：普通聚乙烯粒料，在加料段進(jìn)料口處，料粒之間相互滾動(dòng)、滑動(dòng)，以散粒體的形式輸送，即存在明顯的“非塞流”。UHMW-PE樹脂的形態(tài)為粉末狀，粒度很�。�1260目），比表面積大，很容易被壓實(shí)，觀察進(jìn)料口的物料輸送狀況，可發(fā)現(xiàn)螺桿對(duì)粉料的攫取較為穩(wěn)定，故UHMW-PE在加料段的運(yùn)動(dòng)可視為固體塞輸送。
2.2.2壓縮段的熔融變化
(1)靜態(tài)熔融過程：首先觀察UHMW-PE在靜態(tài)受熱條件下的熔融變化過程。將UHMW-PE粉末置于一金屬圓柱腔中進(jìn)行加熱，并插入溫度計(jì)測(cè)量溫度變化。
當(dāng)圓柱腔壁面附近的溫度達(dá)到UHMW-PE樹脂的熔點(diǎn)136℃時(shí)，壁面處的粉料開始出現(xiàn)一層不透明的“硬皮”狀物質(zhì)。溫度逐漸升高，大約220℃時(shí)，這層“硬皮”逐漸變?yōu)榘胪该鳡钗镔|(zhì)，并逐漸向圓柱腔中心擴(kuò)散，直到物料表面層全部變?yōu)榘胪该鳡�，猶如一塊橡膠而難以流動(dòng)，即呈高粘彈態(tài)。繼續(xù)加熱，當(dāng)壁面附近溫度達(dá)到260℃時(shí)，壁面處物料逐漸發(fā)黃，說明UHMW-PE開始降解了。
(2)螺桿中的動(dòng)態(tài)熔融過程：通過UHMW-PE上述靜態(tài)熔融過程的觀察，進(jìn)一步對(duì)其在螺桿壓縮段的動(dòng)態(tài)熔融過程進(jìn)行分析。
物料從加料段末端，以粉末固體床形式進(jìn)入螺槽逐漸變淺的壓縮段。在機(jī)筒外熱的作用下，機(jī)筒壁面處達(dá)到熔點(diǎn)的物料變成不透明的“硬皮”，并逐漸變成一層半透明狀物質(zhì)，可視為形成了所謂“熔膜”，但由于呈高粘彈態(tài)，因此熔膜層速度分布不像普通PE的熔膜那樣呈線性或非線性分布，而是呈柱塞狀分布。熱量繼續(xù)向粉末固體床內(nèi)層擴(kuò)散，于是熔融層越來越厚，最后固體床完全熔融，成為高粘彈體。
Fig.2為高速(96r/min)下排出的壓縮段UHMW- PE熔融體，可以看出，雖有固體床和熔池之分，但并無(wú)流動(dòng)特征，可視為“半固體”。由于粘度極高，UHMW-PE在壓縮段的熔融和未熔融部分基本上呈整體向前輸送，而不像普通PE那樣，熔池區(qū)的粘流體作渦旋流動(dòng)。
2.2.3計(jì)量段熔體輸送：如Fig.3所示，普通PE在計(jì)量段己完全變成了能自由流動(dòng)的粘流體，熔體剛從螺桿頭出來時(shí)還呈螺旋運(yùn)動(dòng)，但很快就粘成一體連續(xù)地流出，而UHMW-PE從螺桿頭出來后，成為類似于固態(tài)的帶狀物，隨著螺桿的運(yùn)動(dòng)而螺旋前進(jìn)。
據(jù)此可以認(rèn)為，UHMW-PE在計(jì)量段已被壓成致密的帶狀熔融“固體塞”。不難理解，UHMW-PE熔體在計(jì)量段的輸送基本上只沿螺槽方向的一維運(yùn)動(dòng)，而普通PE熔體在螺槽方向?yàn)橥弦妨骱蛪毫α鞯膹?fù)合流并且還存在螺槽橫向的環(huán)流運(yùn)動(dòng)。
2.2.4停留時(shí)間分布函數(shù)：為了驗(yàn)證UHMW-PE的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，在相同條件下分別測(cè)試了LDPE和UHMW-PE的停留時(shí)間分布函數(shù)RTD，如Fig.4所示。
從圖中可以看出，LDPE的累積停留時(shí)間分布函數(shù)分布較寬，而UHMW-PE則幾乎呈一豎直線，這充分說明UHMW-PE在螺桿上的運(yùn)動(dòng)確為塞流輸送。
綜上可知，由于UHMW-PE特殊的加工性能，其螺桿輸送機(jī)理與普通PE是不相同的。UHMW-PE在螺桿上的運(yùn)動(dòng)可看作是固體輸送過程，即“粉末固體一半固體一高粘彈固體”的變化過程，是典型的“塞流”
輸送機(jī)理。由于UHMW-PE的熔體粘度極高，無(wú)自由流動(dòng)態(tài)，在普通單螺桿擠出機(jī)中，如果螺桿推力不足，物料容易抱附螺桿而在壓縮段出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。對(duì)UHMW-PE輸送機(jī)理的研究有助于UHMW-PE單螺桿擠出機(jī)的合理設(shè)計(jì)，這也是我們實(shí)現(xiàn)UHMW-PE單螺桿擠出工業(yè)化的理論基礎(chǔ)。
