超高分子量聚乙烯的成型加工技术探析

1.成型特性

虽然超高分子量聚乙烯是热塑性塑料，具有许多优良性能，但由于其相对分子质量极高，熔体特性和一般热塑性塑料截然不同，给成型加工带来很大困难其主要成型特性如下所述。

1）物料熔融时黏度极高，不成黏流态而是处于高黏弹态。普通聚乙烯的流动性能，一般可用熔体流动速率（MFR）表示。它是在温度为190℃，载荷为21.2N下测定的，一般热塑性塑料熔体流动速率为0.003～3g／min，而超高分子量聚乙烯由于熔体黏度非常高，在上述条件下根本测不出结果，即使把载荷加大10倍（即212N），熔体也很难从仪器喷嘴流出。UHMWPE加工时的熔融黏度高达108Pa·s，流动性极差，其熔体流动指数几乎为零，所以很难直接进行挤出或注射成型。

2）临界剪切速率低，熔体易破裂。通常把熔体刚出现破裂时的剪切速率称为临界剪切速率。实践证明它随聚乙烯的相对分子质量增大而减小。对于相对分子质量极高的UHMWPE来说，在剪切速率很低时，就可能产生熔体破裂，在较低剪切速率下，就会产生滑流或喷流现象。因此，在超高分子量聚乙烯挤出加工时，会遇到由于容易破裂而产生裂纹现象；在超高分子量聚乙烯注射时，会出现喷流而致使制品出现多孔状或脱层现象。这是热塑性方法加工超高分子量聚乙烯的难题。

3）UHMWPE的摩擦因数极低，使粉料在进料过程中极易打滑，不易进料。

4）成型温度范围窄，易氧化降解。

2.模压成型技术

超高分子量聚乙烯模压成型的特点主要是成本低，设备简单，投资少，不受相对分子质量高低影响；但生产率低，劳动强度大，产品质量不稳定。

模压成型是将粉状的超高分子量聚乙烯制成棒、板、轮、轴套等半成品或成品。由于超高分子量聚乙烯的相对分子质量很高，在成型过程中，分子之间互相缠绕和相互在分子空间渗入比其他工程塑料严重，又加之压制烧结法生产是手工操作随机性强，以及成品的尺寸与烧结温度、烧结时间、添加剂的品种及比例、偶联剂的品种、加压大小、开模温度等有关，因此，很难直接压制成成品。模压成型加工超高分子量聚乙烯制品时，可根据具体工艺的差别分为不同方法。

（1）自由烧结法 自由烧结法也叫压制-烧结-压制法，它是把超高分子量聚乙烯粉料放入模具中先高压压制成毛坯，然后把毛坯放入加热炉中加热，加热一定时间后取出制品再放到另一个模具中加压冷却，然后取出制品，从而完成一个制品的加工过程。

具体加工工艺为：首先称取超高分子量聚乙烯配好的粉料装入毛坯成型模具，加高压成型，压力一般为42MPa，保压30～90s；取出制品放入惰性气体保护加热炉中，在173℃下加热，加热时间根据制品的厚度按3～4min／mm确定压制模上先涂脱模剂，再把加热好的毛坯放入压制成型模具中，加压到28MPa然后保压冷却到制品温度为65～85℃时，取出制品。

（2）烧结压制法 烧结压制法与自由烧结法基本相同，区别在于烧结压制法是给模具装料加压后，把模具和原料一起放到加热炉中加热；原料装到模具后虽然加压，但所施加的压力要低得多，并且施加压力的目的也完全不同，自由烧结法加压是为了让粉料成型，而烧结压制法只是排除模具里面粉料中的空气，使原料密实增加料的热导率等，因此所施加的压力相对要低得多。此方法适合了中小型超高分子量聚乙烯制品的批量生产。这种成型工艺虽然生产率低，但方法简单，成本低，模具数量少，并且不需带有惰性气体保护的加热炉。

具体加工工艺为：称取配好的超高分子量聚乙烯粉料，放入涂有脱模剂的模具中，加压5MPa左右，因为不是为了成型，仅仅是为了排除原料中的空气，使原料密实，增加热导率，减少烧结时间，所以压力不用太大；把模具放入加热炉中进行加热，加热温度为195℃左右，加热时间t（min）根据制品厚度H（mm）由以下公式计算：

取出模具放到压力机上，边加压（8～12MPa，压力的大小根据不同的情况有所不同）边冷却，冷却到65～75℃；开模取出制品，修整飞边，多数制品需要定型工具进行定型，这样就完成了一个制品（或称毛坯）的加工过程。(www.xing528.com)

此外，还有在模具上边加热边加压的压制加压同时进行法、快速加热压制法及传递模法。

3.挤出成型技术

UHMWPE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为最常用。

（1）单螺杆挤出 单螺杆挤出机挤出UHMWPE管材技术是通过螺杆的塑化和推进作用，真正实现UHMWPE管材的连续挤出，效率显著提高，使UHMWPE的成型加工技术跃上一个新的台阶。

其工艺如下：使用高速混合机，将UHMWPE树脂、加工助剂等物料通过高速搅拌混合到均匀分散，并通过摩擦生热除去原料中部分所含的水分；混合完毕的物料从料斗进入挤出机，经加料、压缩、熔融、均化等过程，在外机筒加热和内螺杆剪切作用下，由粉状团体逐步变为高黏弹性体，并连续经机头挤出；在适宜的设定温度下，从挤出机挤出来的UHMWPE熔体通过过滤板由旋转运动变为直线运动，进入管材模具，经过分流筋后逐步在成型段融合为管状型坯；从模具挤出的热管坯进入冷却定径阶段后，物料的温度逐渐下降，这时管坯在始终保证外形的情况下固化定型；已成型的管材在牵引装置的作用下均匀地向前移动。在光电信号的控制下，通过旋转飞刀式切割机（或锯片式切割机）来完成管材的定长切断，并保证断面平整。

（2）柱塞挤出 柱塞推压成型是一种往复间歇性的挤出方法。其过程是将粉料加入加料室和模具中，由施加高压使压缩粉料移动、连续烧结和冷却定型三个步骤实现半连续挤出成型。该方法的优点在于，成型过程中不出现剪切，相对分子质量降解少，制品的质量好，此外该方法成型时不受相对分子质量高低的限制，即使是超高分子量聚乙烯相对分子质量高达1000×104，也能够实现挤出加工。

具体加工工艺为：超高分子量聚乙烯树脂计量后置于高速混合机中，通过混合产生摩擦热从而蒸发树脂中水分，搅拌时间为15～20min，物料温度不能超过120℃；经去水后的UHMWPE加入各种加工助剂和必要的填充剂，进行混合使助剂在UHMWPE树脂中分散均匀，混合时间为5～6min，放出的物料温度不得超过120℃；物料在电磁振动器（或其他装置）和送料器的作用下均匀流入机筒的加料段中，不能断流；推压塞端部不能有刃和毛刺，并与模具端部平行，防止擦伤模具；烧结时物料为半粉状半固体状的弹性体，此时温度太高就会使物料局部黏附，出现黏附后，制品表面形成沟痕和不均匀现象，管子倾斜变弯，造成推压困难，其温度应根据配方而定；烧结后的物料进入定型段，温度要逐渐下降，不能出现温度剧变，其温度不能低于130℃，太低就会使物料收缩到芯棒上以至推进困难，定型温度太高会使物料黏附到模具上，也会造成推进的困难，产生变形等；从定型段端部推出的管子，温度较高，很容易造成变形，为此，定型段端部接冷却水套进行冷却，挤出速度低时也可采用风冷；根据所需长度，用圆盘锯进行切割。

（3）双螺杆挤出 双螺杆挤出机的两根螺杆是啮合推进在一起的，能将物料强制推进，在塑化段将物料压实成为熔体，继续啮合，在计量段将物料输送进模具，从而实现连续进料。双螺杆挤出机挤出超高分子量聚乙烯时，由于两螺杆啮合在一起具有自洁功能，将物料强制推进，具有轴向输送物料作用。为了减少物料的剪切，确保材料相对分子质量不降低，最好使用同向旋转的双螺杆挤出机。此外，为了避免超高分子量聚乙烯的降解，保证物料稳定流动及保证产品质量，螺杆的转速不宜太高（一般为10r／min）。由于超高分子量聚乙烯具有其特殊性，最好采用专用挤出机或经过改造的挤出机进行加工。由于流动性差，黏度高挤出压力大，所以要采用高强度推力轴承，此外螺杆的螺槽要深些。

4.注射成型技术

UHMWPE的注射成型是20世纪80年代开发成功并不断得到发展的新技术基本上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，以保证物料在机筒内均匀移动，并装备压力储存器用来加速注入。UHMWPE在注射成型时，高压下的喷射流动有利于充模，制品尺寸稳定性也好，因此，注射压力一般控制在120MPa以上。螺杆转速以40～60r／min为宜，转速过高，导致摩擦加大，物料温度升高，容易发生热降解，使相对分子质量下降，影响制品性能。为防止由于热氧化降解而发生相对分子质量下降的情况，可用氮气等惰性气体置换机筒中的空气。这对于UHMWPE的注射成型是十分重要的。

5.吹塑成型技术

UHMWPE因熔体黏度高，给成型加工带来不少困难，但它的熔体具有较大的熔融张力，型坯下垂现象较小，这为中空容器吹塑成型，尤其是大型容器的吹塑成型，创造了十分有利的条件。超高分子量聚乙烯大型容器的吹塑成型，不能采用现有的用于普通聚乙烯的吹塑成型机。这是因为超高分子量聚乙烯熔体黏度大，挤出量比普通聚乙烯降低30％左右，且超高分子量聚乙烯在机筒内自发热较大，容易引起降解老化。经过改进的中空容器吹塑机采用低压缩比螺杆、开槽机筒、铸铝加热器和水冷夹套等特殊工艺，可以较好地实现吹塑成型。大型吹塑模具一般都用铝合金制造，铝合金的导热性好，冷却效率高，可大大缩短冷却周期，并且模具重量轻，易进行修整加工以及不生锈。超高分子量聚乙烯的吹塑成型主要用于大型中空制品，可以制成高强度制品，如汽车的燃油箱、筒类等。