超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是一种热塑性工程塑料，其较大的分子量使其具备了普通聚乙烯所不具备的优异性能，例如优异的摩擦磨损性能，较高的冲击强度，耐腐蚀性，耐水性等等，得到了广泛的发展和应用。本文通过单螺杆挤出机在螺杆转速下对UHMWPE进行加工，研究了螺杆转速对UHMWPE试样熔融指数，结晶行为及力学性能的影响。采用熔体流动速率测定仪，差示扫描量热分析仪(DSC)及拉伸试验机对试样进行测试分析，结果表明螺杆转速增加可以有效的提高UHMWPE的结晶化程度，使得材料具有较高的拉伸强度。但随着螺杆转速的进一步提高，UHMWPE在较大剪切力的作用下分子链产生一定程度的断裂，从而使得UHMWPE的拉伸性能受损。
引言
超高分子量聚乙烯是由大量乙烯单元（C2H4）重复组成的线性聚乙烯，通常分子量在150万以上，其英文全称为：Ultra High Molecular Weight Polyethylene, 简称为：UHMWPE。最早是由德国赫斯特（Hoechst）公司于1958年开发研制成功，并实现工业化。UHMWPE由于其结构的特性具备了很多材料所不具备的性能，例如：优异耐腐蚀性、抗冲击性能、耐磨性能以及抗结垢性能，这些性能使得UHMWPE材料在全球范围得到了广泛的发展和应用[1-3]。
由于UHMWPE极高的分子量，分子链极易发生缠绕，在加热过程中流动性极差，即便达到熔融温度，UHMWPE也呈现高弹态，因此普通塑料的成型加工方法对其很难适用。通常人们采用以下几种工艺方法对其进行生产加工：模压成型、注射成型、纺丝成型以及挤出成型[4-6]。与其他方法相比，挤出成型具有操作简便，物料混合均匀，较高生产连续性等优点被人们广泛开发和应用。目前人们针对挤出成型的生产工艺及改良有着大量的研究，日本三井公司早在70年代就研制出UHMWPE的单螺杆挤出工艺，使得UHMWPE迈入了高速连续化生产的时代。我国也于90年代开始使用并自主研发新型螺杆挤出机对UHMWPE进行大规模生产应用，通过系统模拟的方法建立了多种理论体系对生产进行理论指导[7-12]。目前国内外主要针对UHMWPE的改性来提高UHMWPE制品的性能，很少围绕生产过程中的工艺参数对UHMWPE性能的影响做深入研究。
本文通过单螺杆挤出机来制备UHMWPE样品，通过对不同螺杆转速挤出的UHMWPE样条进行测试分析，系统的研究了在生产过程中螺杆转速对UHMWPE制品性能的影响，确定最佳工艺参数，对生产实践有着重要的指导意义。
1 实验部分
1.1 原料及设备
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：SLL-J-2，上海联乐化工有限公司；单螺杆挤出机：GR-90型，南京瑞亚高聚物设备有限公司
1.2 样品制备
将一定质量的UHMWPE经干燥后，放入单螺杆挤出机，分别以8,10,12,14,16Hz的转速在200℃下挤出切粒，将料粒冷却干燥后经模压成型制备测试样品。样品分别命名为：UHMWPE/8、UHMWPE/10、UHMWPE/12、UHMWPE/14、UHMWPE/16。
1.3 测试表征
差示扫描量热测试DSC：运用差示扫描量热法来研究UHMWPE的熔融结晶行为。将不同的UHMWPE试样放入真空烘箱，在40℃下干燥30min以去除水分。然后分别取一定量的试样放入铝制坩埚中进行测试，在氮气环境下，以10℃/min的升温速率由室温升至180℃。
熔体流动速率测试MFR:通过熔体流动速率仪来研究UHMWPE的粘性流变行为，实验标准采用GB/T 3682-2000进行测试。
拉伸性能测试：拉伸实验标准为GB/T8804.1-2003，使用万能试验机进行测试。测试之前将裁好的哑铃型样条在室温下放置24h。每种样条分别测试10组数据，取其平均值作为最终拉伸数据。
2 结果与讨论
在高分子材料的挤出过程中，螺杆转速对材料的性能有着重要的影响，是高分子材料加工过程中降解的主要因素之一，因此研究螺杆转速对材料的影响是十分有必要的。本文采用测量不同转速下UHMWPE材料的分子量大小，熔体流动速率，结晶行为以及力学性能，来研究螺杆转速对UHMWPE材料性能的影响。
2.1 螺杆转速对UHMWPE分子量的影响
通过熔体流动速率的测试来表征UHMWPE分子量大小的变化，图1为UHMWPE的溶体流动速率与螺杆转速的关系图。
如上图所示，在相同温度下UHMWPE的熔体流动速率随着螺杆转速的提高而增大，这是由于在螺杆的转动过程中，机筒内的UHMWPE物料受到较大的剪切力和拉伸应力，使得分子链在拉伸运动的方向上伸长，在分子链上产生了较大的应力。随着转速的提高，受力越来越大，分子链断裂，UHMWPE发生机械降解，分子量降低。结果表明UHMWPE的黏均分子量对螺杆产生的剪切力具有较大的敏感性。
2.2 螺杆转速对UHMWPE结晶行为的影响
通过对不同螺杆转速制备的UHMWPE试样进行DSC测试，对比分析DSC数据来研究螺杆转速对其熔融结晶行为的影响。由图2所示，不同螺杆转速下制备的UHMWPE试样，材料的熔融温度基本不变，表明螺杆的转速对其熔融过程是没有影响的。
根据DSC曲线中的熔融吸热峰面积结合公式2-1可以计算出每种UHMWPE试样的结晶度，计算结果列于表1。
（2-1）
式中△ H为熔融结晶热; △Hc 为UHMWPE完全结晶时的熔融热， 等于291 KJ/mol。
如表1所示，UHMWPE材料的结晶度随着转速的提升呈现先增大后减小的趋势。可能原因为在低转速时，增大螺杆转速可以有效的提高热量传递，使得UHMWPE均匀受热，加快了塑化进程，提高了UHMWPE的结晶程度。随着螺杆转速的进一步提高，UHMWPE材料的结晶度出现了明显的下降趋势，这是由于螺杆转动产生的剪切力使得UHMWPE分子发生机械降解，分子链造成断裂，使得UHMWPE的结晶行为受到影响。
2.3 螺杆转速对UHMWPE材料力学性能的影响
为了进一步的研究螺杆转速对UHMWPE材料性能的影响，对不同转速下的UHMWPE材料进行力学性能测试。图3为不同转速下UHMWPE的拉伸强度。
由图3可得，UHMWPE的拉伸强度随着螺杆转速的提高先增大后减小，这一现象与UHMWPE的结晶度变化是一致的。材料的力学性能同结晶度有着密切联系，随着螺杆转速的提高，UHMWPE材料的结晶度先增大，此时分子链排列趋于紧密，材料的孔隙率降低，分子间的作用力增强，因此材料的拉伸强度得到提高。随着螺杆转速的进一步加快，材料受到的剪切力占主导，分子链的机械降解降低了材料的力学性能，使得拉伸强度下降。
3 结论
通过以上的测试分析，可以得出以下结论：在UHMWPE的加工过程中，螺杆转速对其性能具有较大的影响，主要为由于螺杆转速产生的剪切力对UHMWPE分子链结构的影响作用，使得材料发生了机械降解。随着螺杆转速的加快，UHMWPE材料的粘均分子量呈现降低趋势，结晶度和拉伸强度均呈现先增大后减小的趋势。
