产品世界 技术支持
超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的加工性能
2014-07-02 23:18:04

 UHMW-PE的加工性能
采用通常热塑性加工方法对UHMW-PE进行成型加工时主要遇到四个方面的困难:
(l)熔体粘度高
超高分子量聚乙烯熔体为橡胶态的高粘弹体。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℃,负荷为2.16kg下测定的,一般热塑性塑料熔体流动速率在0.0330g/10min范围内,而超高分子量聚乙烯由于熔体粘度非常高,在上述条件下根本测不出结果,即使把负载加大10倍(即21.6kg),熔体也很难从仪器喷嘴流出。由此可见,超高分子量聚乙烯加工时的流动性是很差的[5]。
普通聚乙烯在挤出机中进行加工时,由料斗加入的固态粒料或粉料在机筒的热和螺杆剪切作用下,逐步转变为粘性流体,即使螺杆设计和温度条件不很理想,也不会产生物料堵塞在机筒中不动或完全挤不出来的现象。但对于挤出UHMW-PE的情况则会完全不同,物料在螺杆全程上的运动近似为固体输送过程,即“粉末一半固体一高粘弹体”的变化过程,是典型的“塞流”输送机理,没有自由流动的粘流态。物料容易堵塞在压缩段包附螺杆一起旋转而无法挤出,这种现象也叫“料塞”。这正是使用普通的、未经改造单螺杆挤出机加工UHMW-PE时遇到的最大难题。
实验研究表明,普通聚乙烯熔融时呈粘流态,从口模挤出后立即下垂(如图3所示),而熔融的UHMW-PE,从高温口模挤出时具有一定的“熔融刚度”,并不是马上下垂,呈半透明固体状水平向偏下方向前移动,表现为高粘弹态(如图4所示)。由此可知,UHMW-PE熔融时是粘度极高、流动极差的特殊熔体。
             
图3 高密度聚乙烯挤出形态              图4 超高分子量聚乙烯挤出形态
(2)摩擦系数小
UHMW-PE摩擦系数极低,即使是在熔融状态时也是如此,因此在进料过程中容易在加料段发生打滑,无法向前推进,这也是螺杆挤出加工时遇到的另一难题。
(3)临界剪切速率低
图5为超高分子量聚乙烯的流动曲线[6]。一般挤出时,挤出棒材、普通制品及单丝的剪切速率为10-3~104 s-1;吹塑成型时的剪切速率为1104 s-1;注塑时的剪切速率为102~106 s-1。通常制品截面面积越大,单位时间的挤出量越少,剪切速率也越小。
 
1-UHMW-PE;2-挤出和吹塑PE;3-注塑PE
图5 UHMW-PE和普通聚乙烯的流动曲线模型
由图3可以看出UHMW-PE和普通注塑、挤出和吹塑用聚乙烯的流动曲线分为4种状态[7],如图6所示:A为层流状态,在低速时机头内物料流动,在机头的出口会出现离模膨胀现象;B为熔体破裂流动态,挤出物的熔体粗糙呈鳖鱼皮状;C为滑流状态,熔体没有受剪切作用,熔体各层之间没有相对位移,但它和层流状态不同,它不产生离模膨胀现象;D为喷流状态,熔体在高速剪切下熔体被剪切成粉末状喷出,这种状态对于普通聚乙烯时是看不到的。这是由于普通聚乙烯只有在很高的剪切速率下才产生喷流现象,而在普通注塑机上是不可能产生如此高的剪切速率的。
人们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分子量增大而减小。因此对于分子量极高的UHMW-PE来说,在剪切速率很低(10-2/s)时,就可能产生熔体破裂,并在较低剪切速率下,就会产生滑流或喷流现象[8]。所以,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塑时易出现喷流而致使制品出现多孔状或脱层现象。这是以挤出或注塑方法加工超高分子量聚乙烯所面临的难题。
 
图6 熔体的流动模型
 (4)成型温度范围窄,易氧化降解。