[材料科學(xué)]超聲波輔助擠出成型UHMWPE的研究

1、目錄1前言111超聲波簡(jiǎn)介312超高分子量聚乙烯61.2.1 UHMWPE的性能61.2.2 UHMWPE的成型加工71.2.3 UHMWPE的應(yīng)用及市場(chǎng)前景81.3超聲波振動(dòng)對(duì)聚合物擠出過(guò)程及制品結(jié)構(gòu)性能的影響91.4 超聲波輔助成型的發(fā)展前景101.5 本課題研究的目的和意義102 實(shí)驗(yàn)部分1121實(shí)驗(yàn)原理1122實(shí)驗(yàn)裝置與工藝流程12221超聲擠出設(shè)備12222實(shí)驗(yàn)工藝流程1323實(shí)驗(yàn)原料及儀器1424實(shí)驗(yàn)工藝條件1425實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和研究方法1526實(shí)驗(yàn)性能表征163 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1831 超聲輻射對(duì)UHMWPE/PP熔體擠出參數(shù)的影響18311超聲輻射對(duì)擠出速率的影響18312超聲輻射對(duì)

2、口模溫度的影響19313超聲輻射對(duì)口模壓力的影響20314超聲輻射對(duì)熔體表觀黏度的影響21315 本章小結(jié)2432 超聲輻射對(duì)UHMWPE/PP力學(xué)性能的影響25321 PP對(duì)UHMWPE/PP共混體系力學(xué)性能的影響25322超聲輻射對(duì)UHMWPE/PP拉伸強(qiáng)度的影響25323超聲輻射對(duì)UHMWPE/PP沖擊強(qiáng)度的影響28324超聲輻射對(duì)UHMWPE斷裂伸長(zhǎng)率的影響29325本章小結(jié)314 結(jié)論32參考文獻(xiàn)33致謝351前言11超聲波簡(jiǎn)介1超聲波發(fā)展史聲學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)分支,它是研究聲波的發(fā)生、傳播、接收和效應(yīng)的一門科學(xué)。1893年Golton發(fā)現(xiàn)了超聲哨子,此時(shí)建立了超聲波領(lǐng)域。20世紀(jì)2

3、0年代,R·伍德證實(shí)了超聲強(qiáng)化物理化學(xué)過(guò)程的可能性,美國(guó)普林斯頓大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)超聲波有加速化學(xué)反應(yīng)的作用。但在1940年以前,只有單晶壓電材料,這種技術(shù)存在許多缺點(diǎn),使得超聲波未能得到廣泛應(yīng)用。后來(lái)隨著壓電材料的發(fā)展，大大地促進(jìn)了超聲波領(lǐng)域的發(fā)展。80年代中期,由于功率超聲設(shè)備的普及與應(yīng)用,超聲波在化學(xué)中的應(yīng)用研究迅速展開(kāi),形成一門新興的交叉學(xué)科聲化學(xué)。大量的文獻(xiàn)報(bào)道和許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波不僅可以改善反應(yīng)條件,加快反應(yīng)速度和提高反應(yīng)產(chǎn)率,還可以使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)1。目前，超聲波已廣泛應(yīng)用于化學(xué)(如分析化學(xué)、物理化學(xué)、聚合物化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等)、醫(yī)學(xué)

4、、食品工業(yè)、工業(yè)焊接、廢水處理和材料的改性等方面。2超聲波的特點(diǎn)通常把頻率為2×104Hz109Hz的聲波稱為超聲波，而聲學(xué)全部頻率為10-4Hz1014Hz，所以超聲波的整個(gè)頻率范圍相當(dāng)寬，占據(jù)聲學(xué)全部頻率范圍的1/2以上。超聲波作為聲波的一部分，遵循聲波傳播的基本規(guī)律2，但超聲波具有與其它聲波不同的一些突出特點(diǎn)：（1）超聲波由于頻率可以很高，因而傳播的方向性較強(qiáng)，設(shè)備的幾何尺寸較??；（2）超聲波傳播過(guò)程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度非常大；（3）在液體介質(zhì)中，當(dāng)超聲波的強(qiáng)度達(dá)到一定值后會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象3。由于這些突出的特點(diǎn)，超聲波在各種領(lǐng)域中都有相當(dāng)廣泛的用途。超聲波可分為檢測(cè)超聲和功率超

5、聲4。當(dāng)把超聲波看成一種波動(dòng)形式用于作為信息載體時(shí)，超聲波就是一種檢測(cè)工具，超聲波傳入介質(zhì)后，設(shè)法接收其回波或透射波，從接收波的幅度、位相等變化來(lái)獲取有關(guān)傳聲介質(zhì)的信息5，同時(shí)，要求避免超聲波可能對(duì)介質(zhì)造成的影響或破壞，應(yīng)盡量使用小振幅聲波。當(dāng)超聲波作為一種能量形式用于影響或改變介質(zhì)時(shí)，如使介質(zhì)的狀態(tài)、組分或結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，常需使用大振幅的所謂功率超聲，功率超聲就是利用超聲振動(dòng)能量來(lái)改變物質(zhì)組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)或加速這些改變的過(guò)程6。超聲波發(fā)生器目前采用的分兩大類：（1）利用機(jī)械方法產(chǎn)生功率超聲：有氣動(dòng)式和液動(dòng)式7其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、效率較高，但所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率不超過(guò)104Hz105Hz，且在多數(shù)情

6、況下難以在流體中形成高強(qiáng)振動(dòng)；（2）利用機(jī)電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波：將相應(yīng)頻率的電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淦鞯臋C(jī)械振動(dòng)，一般能產(chǎn)生高頻率和高強(qiáng)度的超聲波。3超聲波的作用機(jī)制（1）線性交變振動(dòng)，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，必然使介質(zhì)粒子做交變振動(dòng)，并引起介質(zhì)中的應(yīng)力或聲壓的周期性變化，從而引起一系列次級(jí)效應(yīng)；（2）大振幅振動(dòng)在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)形成鋸齒形波面的周期性激波，在波面處形成大的壓強(qiáng)梯度，從而產(chǎn)生局部高溫高壓等一系列特殊效應(yīng)8；（3）振動(dòng)的非線性會(huì)引起相互靠近的伯努利力和黏度的周期性變化而引起的直流平均黏滯力，這些直流力可說(shuō)明一些定向作用、凝聚作用等力學(xué)效應(yīng)；（4）空化作用，這是只能在流體介質(zhì)中出現(xiàn)的一種重要的基本

7、作用。在聲場(chǎng)中，液體的氣泡可能逐步生成和擴(kuò)大，然后突然破裂，在這急速的氣泡破裂過(guò)程中，氣泡內(nèi)出現(xiàn)高壓高溫，氣泡附近的流體中形成局部強(qiáng)烈的激波，同時(shí)可產(chǎn)生一系列次級(jí)效應(yīng)，如化學(xué)效應(yīng)、聲致發(fā)光、分散作用和乳化作用等，在流體中進(jìn)行的超聲處理技術(shù)，很多都與空化作用有關(guān)9。這些作用機(jī)制導(dǎo)致了以下五種效應(yīng)：（1）力學(xué)效應(yīng)：具有攪拌作用,分散作用,去氣作用,成霧作用,凝聚作用,定向作用,沖擊破碎作用,疲勞破壞作用等；（2）熱學(xué)效應(yīng)：能夠吸收引起的整體加熱,邊界面處的局部加熱,形成激波時(shí)波前處的局部加熱等；（3）光學(xué)效應(yīng)：能夠引起光的衍射、折射、雙折射,聲致發(fā)光等；（4）電學(xué)效應(yīng)：在壓電、壓磁材料中產(chǎn)生電場(chǎng)和

8、磁場(chǎng),引起電子逸出和電化學(xué)效應(yīng)等；（5）化學(xué)效應(yīng)：促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),促進(jìn)氧化還原,促進(jìn)高分子物質(zhì)的聚合或解聚,引起照相底片的感光,引起聲化學(xué)發(fā)光等。4超聲波在高分子材料中的應(yīng)用（1）超聲加工：早在20世紀(jì)六、七十年代前蘇聯(lián)有關(guān)專家曾以超聲波為振動(dòng)源，對(duì)輔助橡膠材料的擠出加工做了有益的嘗試。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波輻射可以增大熔體的流動(dòng)性，降低擠出壓力，提高擠出產(chǎn)量，改善產(chǎn)品性能，與低頻機(jī)械振動(dòng)相比，超聲波無(wú)噪音，在微米級(jí)的水平上便可以改變?nèi)垠w的流變性和黏彈性，對(duì)改變制品性能更為有效。 （2）超聲焊接：功率超聲波在塑料焊接領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀(jì)六十年代末，從簡(jiǎn)單的帶有手動(dòng)杠桿加壓的超聲波設(shè)備到帶有多個(gè)超聲波

9、探頭和發(fā)生器的特種設(shè)備，超聲波塑料焊接已取得了迅速的發(fā)展，超聲塑料焊接的應(yīng)用已涉及電子、汽車、照相、包裝等多種行業(yè)。由于功率超聲焊接具有清潔無(wú)污染、高效、快速和高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此超聲功率作為直接和間接手段在焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用前景是極其廣泛的。尤其是在現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的今天，一些造型復(fù)雜，尺寸很大的塑料制件難以用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)一次成型，超聲波塑料焊接則為復(fù)雜構(gòu)件的制備提供了一條簡(jiǎn)潔有效的途徑。 （3）聲化學(xué)：聲化學(xué)是指利用功率超聲波加速和控制化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)速率和引發(fā)新的化學(xué)反應(yīng)的一門新興的邊緣交叉學(xué)科。在國(guó)內(nèi)，徐僖等在聚合物超聲降解和共聚反應(yīng)領(lǐng)域進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性研究。目前，對(duì)聚合物聲化學(xué)的研究主要

10、集中于溶液體系。本課題是在超高分子量聚乙烯擠出成型過(guò)程中，施加功率超聲（超聲加工），研究其對(duì)擠出成型過(guò)程和制品性能的影響。12超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯是一種線型結(jié)構(gòu)的熱塑性工程塑料，分子結(jié)構(gòu)和普通高密度聚乙烯完全相同，但具有106以上的極大分子量10，因此具有一些獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的耐磨性、自潤(rùn)滑性和耐沖擊性等。1.2.1 UHMWPE的性能1力學(xué)性能（1）拉伸強(qiáng)度：隨著分子量的增大和密度下降，拉伸屈服強(qiáng)度隨之下降，但當(dāng)密度為0.940或分子量超過(guò)1.5×106時(shí)，拉伸屈服強(qiáng)度的變化較小；而拉伸斷裂強(qiáng)度僅與分子量有關(guān)，與拉伸屈服強(qiáng)度相反，隨著分子量的增大相應(yīng)有所提高。（2）沖

11、擊強(qiáng)度：隨分子量的增大，沖擊強(qiáng)度隨之提高，當(dāng)分子量在（12）×106時(shí)達(dá)到最大值，若分子量再進(jìn)一步增大，沖擊強(qiáng)度反而有所下降11，并且UHMWPE在低溫下也能保持優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度。UHMWPE的沖擊強(qiáng)度在整個(gè)工程塑料中名列前茅，以致于用通常的懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)試方法難以使其破裂破壞。（3）耐蠕變性：UHMWPE比普通聚乙烯的耐蠕變性優(yōu)良。（4）耐磨損性：UHMWPE的耐磨損性能居各種塑料之首，比碳鋼、黃銅還耐磨數(shù)倍，并且隨著分子量的增大其耐磨性還能進(jìn)一步提高。（5）自潤(rùn)滑性：UHMWPE的動(dòng)摩擦系數(shù)很低，故自潤(rùn)滑性能優(yōu)異。UHMWPE在無(wú)潤(rùn)滑劑存在時(shí)，與鋼或黃銅的表面滑動(dòng)不會(huì)發(fā)生發(fā)熱黏

12、著現(xiàn)象12。 2熱性能UHMWPE的耐熱性較差，使用溫度一般在以下，但由于分子量大，熱變形溫度和維卡軟化點(diǎn)都高于普通聚乙烯。但其耐低溫性能優(yōu)異，脆化溫度在80以下，在40時(shí)仍有較高的沖擊強(qiáng)度。3電性能UHMWPE與普通聚乙烯相同，分子鏈僅由C、H元素組成，具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，但各項(xiàng)電性能與分子量的大小無(wú)關(guān)13。4耐化學(xué)藥品性由于UHMWPE分子結(jié)構(gòu)上沒(méi)有雙鍵和支鏈且結(jié)晶度高，除了氧化性酸溶液外，在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐多種酸、堿、鹽類溶液的腐蝕；除萘溶劑之外它幾乎不溶于任何有機(jī)溶劑，具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性能5吸水率UHMWPE幾乎不吸水，在水中也不膨脹。它的吸水率在工程塑料中是最小的，所

13、以在成型加工前不必進(jìn)行干燥處理。6衛(wèi)生性 UHMWPE衛(wèi)生無(wú)毒，完全符合日本衛(wèi)生協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，并得到美國(guó)食品及藥物行政管理局（FDA）和美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）的同意，可用于接觸食品和藥物。此外，UHMWPE具有較低的密度、優(yōu)異的耐疲勞性及耐-射線能力等性能。1.2.2 UHMWPE的成型加工1成型特性雖然UHMWPE是熱塑性塑料，具有許多優(yōu)良性能，但由于其相對(duì)分子質(zhì)量極高，分子鏈之間的纏繞多，以及分子間力的影響，龐大體積龐大的鏈段在加熱下運(yùn)動(dòng)相當(dāng)困難，熔體特性和一般熱塑性塑料截然不同，給成型加工帶來(lái)很大困難。其主要成型特性如下所述。（1）物料熔融時(shí)黏度極高，不成黏流態(tài)而呈凝膠彈性體。與一般熱塑性

14、塑料相比，流動(dòng)性極差，熔融指數(shù)幾乎為0，因而不能采用通常熱塑性塑料加工的方法直接擠出或注射成型；（2）UHMWPE的臨界剪切速率極低。在擠出成型時(shí)，易出現(xiàn)熔體破裂而產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象；在進(jìn)行注射成型時(shí)，由于出現(xiàn)噴射流狀態(tài)會(huì)引起氣孔和脫層現(xiàn)象。（3）UHMWPE的摩擦系數(shù)極低，使粉料在進(jìn)料過(guò)程中極易打滑，不易進(jìn)料。（4）成型溫度范圍窄，易氧化降解。所以只能采用效率低、能耗大的成型工藝進(jìn)行加工，生產(chǎn)的制品形狀比較簡(jiǎn)單，使得UHMWPE的應(yīng)用受到極大限制。2成型技術(shù)目前，UHMWPE的加工方法主要有凝膠紡絲、壓制燒結(jié)、柱塞式擠出、螺桿式擠出及注射成型等。（1）凝膠紡絲法將UHMWPE以一定的濃度溶于適當(dāng)?shù)?/p>

15、溶劑中，減小聚合物分子鏈的纏結(jié)，通過(guò)冷卻除溶劑，制得UHMWPE凝膠。因分子鏈內(nèi)(間)的纏結(jié)較小，可以進(jìn)行超高倍拉伸。凝膠紡絲不受UHMWPE分子量大小的限制，是獲得高強(qiáng)高模UHMWPE纖維及薄膜的重要方法。但因涉及到溶劑的大量使用和回收，生產(chǎn)成本較高。同時(shí)因它需要拉伸，所以只能生產(chǎn)至少在某一維方向上是小尺寸的制品。（2）壓制燒結(jié)法壓制燒結(jié)成型是加工UHMWPE的主要方法。它是將樹(shù)脂裝在模具中，用加熱加壓的方法制成一定形狀的塑料制品。Truss等的研究表明：壓制燒結(jié)成型UHMWPE的性能與冷卻速度密切相關(guān)。壓制燒結(jié)法生產(chǎn)UHMWPE制品不受分子量大小的限制，產(chǎn)品純度及表面光潔度較高，適宜于小批

16、量的生產(chǎn)。但生產(chǎn)效率低，成本較高。（3）柱塞式擠出法由于UHMWPE熔體粘度高，易熱降解，粘附性差和摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)，一般需要用專用的柱塞式擠出機(jī)或經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出加工。柱塞式擠出UHMWPE起源于美國(guó)，其特點(diǎn)是成型壓力很高，成型工藝復(fù)雜，加工制品有限。（4）注射成型日本三井石化公司在七十年代中期最先實(shí)現(xiàn)了UHMWPE的注射成型，1976年注射制品實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。高壓高速注射UHMWPE時(shí)產(chǎn)生極大的剪切作用，一方面會(huì)改善熔體的流動(dòng)性，提高可加工性，但另一方面，可能會(huì)加速樹(shù)脂的氧化、降解作用而影響其機(jī)械性能。UHMWPE的注射成型對(duì)注塑機(jī)要求高、注塑壓力大，效率低且成本高。（5）螺桿

17、式擠出UHMWPE的分子鏈很長(zhǎng)，大分子鏈間的無(wú)規(guī)纏結(jié)使其對(duì)熱運(yùn)動(dòng)反應(yīng)遲鈍，當(dāng)加熱至熔點(diǎn)以上時(shí)，熔體呈現(xiàn)出橡膠狀的高粘彈性，流動(dòng)性極差，熔融指數(shù)幾乎為0，因而不能采用通常熱塑性塑料加工的方法直接擠出。本課題想通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠出成型UHMWPE制品，因此在研究螺桿擠出工藝時(shí)，主要從擠出機(jī)結(jié)構(gòu)(螺桿、料筒及機(jī)頭等)、加工物料的配方優(yōu)化(加入能提高其加工性能的其它組分)及加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，從而改善其加工性，提高制品性能。1.2.3 UHMWPE的應(yīng)用及市場(chǎng)前景UHMWPE在工業(yè)上的應(yīng)用，從1960年利用其優(yōu)異的耐沖擊性制造機(jī)械零件以來(lái)，已有20余年的歷史14。（1）設(shè)備襯里：利用其自潤(rùn)滑性和

18、耐磨性； （2）食品機(jī)械：利用其食品衛(wèi)生、自潤(rùn)滑性，耐磨性，消音性；（3）建筑、農(nóng)業(yè)機(jī)械：利用其自潤(rùn)滑性，耐磨性，耐沖擊性；（4）紡織機(jī)械：利用其耐沖擊性；（5）化工機(jī)械：利用其耐磨性，耐化學(xué)藥品性；（6）體育用品：利用其自潤(rùn)滑性，耐磨性，耐寒性。此外，由于UHMWPE具有優(yōu)異的生理惰性，最近美國(guó)已批準(zhǔn)其在食品，醫(yī)療，仿生材料等領(lǐng)域內(nèi)使用15。由此可見(jiàn)，UHMWPE具有很大的市場(chǎng)前景。1.3 超聲波振動(dòng)對(duì)聚合物擠出過(guò)程及制品結(jié)構(gòu)性能的影響擠出成型是聚合物材料成型方法中最主要和最基本的成型方法。而將物理場(chǎng)直接作用于熔融聚合物是一種十分有效的強(qiáng)化成型技術(shù)，其最直接的辦法是在擠出模頭上施加機(jī)械振動(dòng)和

19、超聲波振動(dòng)16。低頻機(jī)械振動(dòng)相比，借助于在平行或垂直于流動(dòng)方向上疊加高頻超聲波，易于在熔融聚合物中作劇烈振動(dòng)，從而影響聚合物成型過(guò)程及制品性能。1. 聚合物產(chǎn)量提高施加超聲振動(dòng)后聚合物產(chǎn)量得到提高。Panov17等將17.5 kHz23.5 kHz的超聲波施加于圓形流道的機(jī)頭，可使擠出機(jī)擠出的LDPE和HDPE產(chǎn)量提高30%50%。2. 擠出壓力降低施加超聲振動(dòng)后，熔體擠出壓力降低。Fridman18等首先觀察到擠出時(shí)聚合物熔體中的空化現(xiàn)象，在通過(guò)毛細(xì)管擠出HDPE時(shí)，加入的超聲波減少了流動(dòng)阻力，減小了擠出壓力。3. 熔體黏度降低施加超聲振動(dòng)后熔體黏度得到降低，Isayev19等人發(fā)現(xiàn)：CaC

20、O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%）填充的PP料比純PP料在相同的剪切速率下，施加超聲波時(shí)動(dòng)態(tài)黏度降低更大，在加入聲頻振動(dòng)時(shí)可以觀察到分子量和黏度的永久性降低。4. 擠出膨脹比減小5. 聚合物結(jié)晶形態(tài)發(fā)生演變Lemelson20在口?；蚰Ｇ槐诿嫣幆B加超聲振動(dòng)，他指出，在注射過(guò)程中施加超聲振動(dòng)有助于單晶結(jié)構(gòu)組織的形成，熔體在半熔融狀態(tài)下或在晶體結(jié)構(gòu)形成之前施加超聲振動(dòng)可以改變晶體的結(jié)晶取向、影響晶體的生長(zhǎng)速度并且可以形成比較統(tǒng)一的晶體結(jié)構(gòu)。Pendleton21發(fā)現(xiàn)施加超聲振動(dòng)后制品晶體的有序性增強(qiáng)。6. 制品的力學(xué)性能發(fā)生不同變化超聲波加入聚合物成型過(guò)程后，對(duì)制品力學(xué)性能的影響，從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看有不完全一致

21、的結(jié)果。例如，在不同研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，拉伸性能、沖擊強(qiáng)度等發(fā)生的變化趨勢(shì)不同。有關(guān)結(jié)果還待于進(jìn)一步系統(tǒng)深入的分析研究22。總之，超聲振動(dòng)可以提高聚合物的產(chǎn)量、降低擠出壓力、降低熔體的表觀黏度、減小擠出膨脹比、影響制品的力學(xué)性能、增強(qiáng)共混物相容性并且可以影響聚合物的結(jié)晶形態(tài)。1.4 超聲波輔助成型的發(fā)展前景綜上所述，聚合物加工過(guò)程中引入超聲波場(chǎng)致作用是一項(xiàng)很有發(fā)展前景的新型成型、改性技術(shù)。超聲波的引入給聚合物的成型加工領(lǐng)域注入了新的活力,為聚合物成型加工開(kāi)辟了新的途徑,使一些高粘度聚合物的注射、擠出加工成為可能,進(jìn)一步滿足了工業(yè)生產(chǎn)和人們生活的需要,同時(shí)也降低了成型加工對(duì)設(shè)備的要求,降低了成型

22、加工的成本,提高了經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，并且超聲波場(chǎng)致作用在控制聚合物的結(jié)晶和取向，改善聚合物的相容性，解決納米粉體在聚合物中的團(tuán)聚現(xiàn)象、提高納米聚合物中納米粉體的分散性方面有其獨(dú)特作用。隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)超聲作用認(rèn)識(shí)的逐漸深入，超聲波場(chǎng)致作用在聚合物加工、改性及改善現(xiàn)有成型、改性設(shè)備，提高制件性能方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。在不久的將來(lái),它將推動(dòng)聚合物成型加工設(shè)備的更新?lián)Q代,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng),再加上它綠色環(huán)保，超聲波必定在聚合物成型加工領(lǐng)域具有極為廣闊的前景23。1.5 本課題研究的目的和意義本課題主要研究的目的是：在超高分子量聚乙烯擠出成型過(guò)程中，通過(guò)加入聚丙烯并且施加超聲波振

23、動(dòng)后，UHMWPE熔體黏度的變化，擠出速率的改變，以及成型后制品力學(xué)性能的改變與共混物中聚丙烯的含量，超聲波功率大小之間的關(guān)系。超高分子量聚乙烯是一種線型結(jié)構(gòu)的熱塑性工程塑料，具有106以上的極大分子量,與其它許多聚合物材料相比，具有摩擦系數(shù)小、磨耗低、自潤(rùn)滑、耐化學(xué)藥品性、耐沖擊、耐壓性、抗凍性、耐應(yīng)力開(kāi)裂性、衛(wèi)生性等優(yōu)良特性。但由于UHMWPE的分子量大、分子鏈間纏繞多，在熔融時(shí)呈凝膠態(tài)彈性體，粘度大，熔融指數(shù)幾乎為0，流動(dòng)性能極差，臨界剪切速率很低，給成型加工帶來(lái)很大困難。對(duì)于要求UHMWPE擠出成型的塑件，便不能采用通常熱塑性塑料加工的方法直接擠成型。超聲波作為一種方便、迅速、有效、安

24、全的技術(shù)，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的攪拌、外加熱等熱力學(xué)手段,受到人們廣泛的關(guān)注和重視，通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，在聚合物擠出成型過(guò)程中，加入聚丙烯并施加超聲振動(dòng)后，熔體擠出壓力降低，熔體黏度得到降低，擠出膨脹比減小，制品晶體的有序性增強(qiáng)，所以通過(guò)超聲波輔助擠出成型UHMWPE的研究,對(duì)熔體降黏，提高生產(chǎn)效率，提升材料的機(jī)械性能有重要的意義。2 實(shí)驗(yàn)部分21實(shí)驗(yàn)原理1超聲波作用機(jī)理超聲波在聚合物加工中的應(yīng)用主要是應(yīng)用超聲的降粘作用,降低聚合物熔體的流變性能,以改善制品性能及降低成型加工條件和生產(chǎn)成本。而超聲降粘作用是能量場(chǎng)作用、高頻剪切振動(dòng)和射流的力場(chǎng)作用以及小分子的增塑作用的結(jié)果（1）在擠出成型加工中,振動(dòng)力場(chǎng)

25、作用于聚合物熔體,其作用機(jī)理是在主剪切流動(dòng)上疊加了一個(gè)附加的交變應(yīng)力,使物料的狀態(tài)由組合應(yīng)力決定。當(dāng)超聲波作用于聚合物熔體時(shí),熔體媒質(zhì)吸收聲波能量,使分子在其平衡位置的振動(dòng)加劇,從而使分子鏈段運(yùn)動(dòng)的能量增加,使分子鏈段的活動(dòng)性增強(qiáng)，這樣擠出過(guò)程中的質(zhì)量平衡、動(dòng)量平衡、能量平衡關(guān)系都發(fā)生了變化；振動(dòng)強(qiáng)化了聚合物在加工中的物理和化學(xué)變化過(guò)程,改變了聚合物熔體的流變狀態(tài)；同時(shí),周期性的脈動(dòng)剪切力產(chǎn)生大量的耗散熱,導(dǎo)致聚合物熔體的粘度降低。（2）根據(jù)自由體積理論,高分子鏈的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)鏈段的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散而逐步達(dá)到整體運(yùn)動(dòng),就象蚯蚓那樣蠕動(dòng)前進(jìn)。UHMWPE的分子鏈很長(zhǎng),在熔體內(nèi)部形成一種擬網(wǎng)狀的纏結(jié)結(jié)構(gòu),

26、纏結(jié)結(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成空穴。當(dāng)引入振動(dòng)力場(chǎng)時(shí),一方面,振動(dòng)增加了高分子鏈之間的相互剪切摩擦,產(chǎn)生大量的耗散熱,增加了高分子的熱運(yùn)動(dòng)能,空穴也增加和脹大,分子間的相互作用力減小,導(dǎo)致高分子鏈蠕動(dòng)的增強(qiáng);另一方面,振動(dòng)不斷對(duì)聚合物熔體進(jìn)行擠壓和釋放,增加了分子取向,分子間的空穴增大,分子鏈重心偏移,也降低了分子間的相互作用力,從而使聚合物熔體的流動(dòng)性增加。由于振動(dòng)力場(chǎng)的作用,在加工過(guò)程中,形成的局部壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)是脈動(dòng)的,高分子鏈及其鏈段表現(xiàn)為瞬時(shí)沖量負(fù)壓擴(kuò)散行為。振動(dòng)力場(chǎng)的存在,加速和加強(qiáng)了高分子鏈段的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng),減小高分子鏈及鏈段之間的相互纏結(jié),使高分子解纏、取向容易；周期性脈動(dòng)剪切力產(chǎn)生大量的耗散

27、熱,宏觀上表現(xiàn)為聚合物熔體的粘度減小,熔體的流動(dòng)性增加,流率增大;同時(shí),振動(dòng)力場(chǎng)也使聚合物熔體的彈性減小,制品的物理機(jī)械性能得以提高。2聚丙烯降黏機(jī)理聚丙烯與聚乙烯的結(jié)構(gòu)相似但不相同，屬于不相容體系，聚丙烯分布于超高分子量聚乙烯初、次級(jí)微粒間，破壞了超高分子量聚乙烯的鏈纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，起到了對(duì)界面層分子解纏結(jié)的作用，使超高分子量聚乙烯的鏈纏結(jié)密度降低，在加工過(guò)程中，熔融的聚丙烯在超高分子量聚乙烯的晶區(qū)間同時(shí)起到微相潤(rùn)滑的作用，因而顯著改善了純超高分子量聚乙烯的加工性能；并且聚丙烯的屈服強(qiáng)度和楊氏模量比純超高分子量聚乙烯的高很多，根據(jù)線性疊加原理，超高分子量聚乙烯的屈服強(qiáng)度和楊氏模量會(huì)隨著共混物中聚丙

28、烯的加入而增大，所以聚丙烯的加入既起到降黏作用又改善了材料的力學(xué)性能。22實(shí)驗(yàn)裝置與工藝流程221超聲擠出設(shè)備超聲輻射擠出加工實(shí)驗(yàn)裝置由同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)和超聲發(fā)生器組成，雙螺桿擠出機(jī)的模頭為平縫模頭，口模的長(zhǎng)、寬、高、分別為40mm、30mm、3mm，并裝有可連續(xù)測(cè)量擠出口模壓力的高溫熔體壓力傳感器；超聲波頻率19.8KHz,功率0300W可調(diào)，超聲波振動(dòng)方向與熔體流出方向垂直（圖 2-1）。圖 2-1超聲波輔助擠出成型裝置示意圖1，擠出機(jī)； 2，超聲波發(fā)生器；3，壓電換能器； 4，口模；，電加熱板； 6，熔體； P，壓力傳感器； T，熱電偶。同向雙螺桿擠出機(jī)由于兩螺桿嚙合在一起具有自潔功

29、能，能將物料強(qiáng)制推進(jìn)，具有軸向強(qiáng)制輸送物料作用，能防止物料在螺桿中打滑，在塑化段將物料壓實(shí)成為熔體連續(xù)嚙合推進(jìn)，在計(jì)量段將物料輸送至模具，從而可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料，不會(huì)形成料塞，不需要在料筒上開(kāi)槽，且塑化混煉效果很好，是超高分子量聚乙烯擠出成型的理想設(shè)備。222實(shí)驗(yàn)工藝流程圖 2-2UHMWPE擠出成型工藝流程圖23實(shí)驗(yàn)原料及儀器本課題用到的實(shí)驗(yàn)原料及儀器見(jiàn)表2-1和表2-2表2-1 實(shí)驗(yàn)原料原料名稱簡(jiǎn)稱規(guī)格生產(chǎn)廠家超高分子量聚乙烯UHMWPE粒徑400目上?；ぱ芯吭壕郾㏄PT30S中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司表2-2 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器儀器型號(hào)生產(chǎn)公司同向雙螺桿配混擠出機(jī)TE20科倍

30、隆科亞（南京）機(jī)械有限公司高速混合機(jī)GH10A河北承德實(shí)驗(yàn)機(jī)廠超聲波發(fā)生器ZJS2000型杭州成功超聲設(shè)備有限公司材料萬(wàn)能制樣機(jī)ZHYW型河北承德實(shí)驗(yàn)機(jī)廠沖片機(jī)XYJI型承德市金建檢測(cè)儀器有限公司懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)XJU22J型河北承德實(shí)驗(yàn)機(jī)廠新三思微機(jī)控制電子萬(wàn)能（拉力）實(shí)驗(yàn)機(jī)SL10000型深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司鍍鉻游標(biāo)卡尺最小刻度0.02mm浙江春光量具廠24實(shí)驗(yàn)工藝條件UHMWPE熔融溫度：137 UHMWPE分解溫度：270以上表2-3 實(shí)驗(yàn)工藝條件設(shè)定范圍工藝參數(shù)設(shè)定范圍料桶溫度/215機(jī)頭溫度/170230口模溫度/195螺桿轉(zhuǎn)速/ Hz59超聲波強(qiáng)度/W030025實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

31、和研究方法本課題研究的內(nèi)容是：考察在超高分子量聚乙烯擠出成型過(guò)程中，加入聚丙烯并且施加超聲波振動(dòng)對(duì)成型過(guò)程和材料力學(xué)性能的影響，主要包括以下方面：1超聲波功率對(duì)擠出物性能的影響a 研究超聲波功率對(duì)聚合物體系表觀黏度的影響：考察因素：（1）剪切速率（2）擠出溫度（3）超聲波功率b研究超聲波功率對(duì)擠出制品力學(xué)性能的影響：考察因素：（1）剪切速率（2）擠出溫度（3）超聲波功率2熔體擠出流變行為的研究測(cè)定在不同擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、超聲波功率、等條件下的口模壓力，在固定時(shí)間內(nèi)對(duì)擠出物取樣并稱重，計(jì)算熔體的質(zhì)量流量。以此來(lái)計(jì)算不同條件下熔體表觀粘度。 3性能測(cè)試力學(xué)性能測(cè)試：拉伸、沖擊性能測(cè)試；流變性能測(cè)

32、試：熔體表觀粘度測(cè)試。本課題研究的方法：一、實(shí)驗(yàn)前的原料準(zhǔn)備由于UHMWPE的分子量大，分子鏈間纏繞多，粘度大，流動(dòng)性能極差，為了實(shí)現(xiàn)UHMWPE的連續(xù)擠出，首先在UHMWPE中加入一定量的PP進(jìn)行降粘，PP與UHMWPE分別以20：80、30：70、10：90的配比在高速混合機(jī)中共混；UHMWPE的吸水率非常小，因此在成型加工前不必進(jìn)行干燥處理。二、同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)擠出成型1 預(yù)熱，保證料桶內(nèi)物料全部熔融；到達(dá)預(yù)定溫度后，在設(shè)定的UHMWPE成型溫度范圍（170230）內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)頭溫度，不施加超聲波振動(dòng)開(kāi)始擠出。2 當(dāng)熔體流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，記一分鐘流量，然后每隔20cm取一個(gè)樣條，一個(gè)擠出溫度下

33、取五組。3 樣條經(jīng)裁樣、性能測(cè)試后確定出UHMWPE的最佳擠出溫度，然后施加超聲波振動(dòng)并調(diào)節(jié)擠出機(jī)的擠出頻率進(jìn)行擠出成型，在0300W的范圍內(nèi)改變超聲波的強(qiáng)度，同時(shí)記錄相對(duì)應(yīng)的一分鐘流量、口模壓力降。每組超聲波強(qiáng)度下取樣方法與第二步相同。三、力學(xué)性能測(cè)試1擠出樣條分別在萬(wàn)能試樣機(jī)和沖片機(jī)上裁成懸臂梁缺口沖擊試樣和啞鈴型拉伸試樣，然后進(jìn)行性能測(cè)試。2懸臂梁（缺口）沖擊強(qiáng)度的測(cè)定按照GB/T 18431996進(jìn)行；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定按照GB/T 10401992進(jìn)行，拉伸速率為50 mm/min實(shí)驗(yàn)溫度25 。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。26實(shí)驗(yàn)性能表征1熔體表觀粘度按下式計(jì)算：表觀剪切應(yīng)力：w=PH/

34、2L （2-1）式中 P口模壓力差；L、 H 板機(jī)頭口模的長(zhǎng)度和高度。表觀剪切速率：w = 6Q/WH2 （2-2）式中 Q熔體質(zhì)量流量；W板機(jī)頭口膜的寬度。由此便可求得熔體的表觀粘度：a=w/w （2-3）2沖擊強(qiáng)度按下式計(jì)算： （2-4）式中 沖擊強(qiáng)度，J/m；刻度盤上讀出的沖擊消耗能，J；能量損失修正值，J；試樣厚度，m。3拉伸強(qiáng)度按下式計(jì)算： （2-5）式中拉伸強(qiáng)度，MPa；最大負(fù)荷，N；試樣寬度，mm；試樣厚度，mm。4斷裂伸長(zhǎng)率按下式計(jì)算： （2-6）式中 式中斷裂伸長(zhǎng)率，%；試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離，mm;試樣原始標(biāo)距，mm。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析31 超聲輻射對(duì)UHMWPE/PP熔體擠出

35、參數(shù)的影響311 超聲輻射對(duì)擠出速率的影響1PP對(duì)UHMWPE/PP共混體系擠出速率的影響由于UHMWPE成型難度大，在施加超聲輻射前，首先選用PP作為流動(dòng)改性劑，以免在UHMWPE擠出過(guò)程中使螺桿堵塞。擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速一定，在不施加超聲波輻射下，取一定時(shí)間內(nèi)的擠出物稱重，計(jì)算擠出速率（質(zhì)量流量），數(shù)據(jù)如下所示：表3-1 擠出頻率為7 Hz時(shí)不同PP含量下的質(zhì)量流量UHMWPE/PP90:1080:2070:30質(zhì)量流量（g/min）9.9013.5715.68圖 3-1 擠出頻率為7 Hz時(shí)熔體質(zhì)量流量隨PP含量的變化圖3-1表明，聚丙烯的加入能夠顯著改善超高分子量聚乙烯的流動(dòng)性,該熔體的

36、流動(dòng)速率幾乎隨聚丙烯含量的增加而線性增加。純超高分子量聚乙烯擠出時(shí)，由于分子量大，分子鏈之間纏繞多，熔體呈現(xiàn)橡膠態(tài)，流速很小,當(dāng)聚丙烯含量增加到30 wt時(shí)，熔體的質(zhì)量流量上升至15g/min。雖然超高分子量聚乙烯的熔點(diǎn)低于聚丙烯應(yīng)該先熔，但熔融超高分子量聚乙烯仍不具有流動(dòng)性，與固態(tài)相似，且具有不粘性，因而在物料-料桶間首先熔融而形成熔膜的應(yīng)該是聚丙烯。因超高分子量聚乙烯與聚丙烯相容性差，PP熔體不能很快滲入U(xiǎn)HMWPE微粒的內(nèi)部，而由熔膜流向有效螺腹形成熔池，對(duì)UHMWPE固體產(chǎn)生很大推壓力，使UHMWPE固體更加密實(shí)，同時(shí)PP熔膜包裹UHMWPE固體向前移動(dòng)，增大了物料與料桶之間的粘著力，

37、降低了物料與螺桿間的摩擦力，使物料更好的塑化和輸送。在螺桿擠出UHMWPE/PP共混物時(shí)，與料筒接觸的物料表層主要是PP，芯層物料主要是UHMWPE，而與螺桿接觸的物料表層則是只含有少量PP。這樣就將螺桿對(duì)UHMWPE的輸送轉(zhuǎn)變成對(duì)PP的輸送，解決了普通單螺桿擠出機(jī)擠出UHMWPE時(shí)的打滑、料塞等問(wèn)題，因而擠出效率顯著提高。根據(jù)擠出成型的固體輸送理論，物料與料筒表面的摩擦系數(shù)越高，與螺桿表面的摩擦系數(shù)越低，越有利于物料的輸送。因PP具有較高的摩擦系數(shù)，而UHMWPE具有很小的摩擦系數(shù)且它具有不粘性，在進(jìn)行擠出時(shí)， UHMWPE/PP共混物在料筒內(nèi)的這種層狀分布正好符合最優(yōu)化物料輸送條件。2改變

38、擠出頻率時(shí)超聲輻射對(duì)擠出速率的影響機(jī)頭溫度一定，改變擠出頻率，測(cè)試熔體在不同超聲波輻射強(qiáng)度下的質(zhì)量流量，數(shù)據(jù)如表3-2所示：表3-2 同一擠出頻率時(shí)不同超聲輻射強(qiáng)度下熔體的質(zhì)量流量超聲波強(qiáng)度/ W0501001502002509.910.0911.2612.3612.8913.2312.5212.7612.813.5714.0314.86質(zhì)量流量（g/min）12.7513.3414.2514.515.6815.9515.5515.8316.5616.7816.9517.4216.5317.0817.5418.0619.0520.0圖 3-2 同一擠出頻率下質(zhì)量流量隨超聲強(qiáng)度的變化圖3-2表明

39、，隨著超聲波功率的增大，熔體的質(zhì)量流量逐漸增大，在同一超聲輻射強(qiáng)度下，擠出頻率越大，質(zhì)量流量越大。因UHMWPE具有極高的分子量，而且其分子鏈鏈段具有極好的柔軟性，所以UHMWPE分子鏈極易發(fā)生鏈纏結(jié)，熔融狀態(tài)時(shí)幾乎不流動(dòng)。超聲振動(dòng)作用于聚合物熔體時(shí)，熔體媒質(zhì)吸聲波能量，使分子在其平衡位置的振動(dòng)加劇，從而增加了分子鏈運(yùn)動(dòng)的能量，使分子鏈的活動(dòng)性增強(qiáng)，使熔體易于流動(dòng)。輻射功率越高，作用時(shí)間越長(zhǎng)，分子鏈運(yùn)動(dòng)獲得的能量就越大，熔體流動(dòng)速率增加的程度也就越大。所以，超聲輻射強(qiáng)度增大到250W時(shí)，不同擠出頻率下的熔體質(zhì)量流量均達(dá)到最大值。本實(shí)驗(yàn)中，剪切速率=擠出頻率×12，隨著擠出頻率的增大，

40、螺桿對(duì)熔體的剪切速率增大，產(chǎn)生“切力變稀”現(xiàn)象，使熔體更易流動(dòng)，因此，擠出頻率為9Hz時(shí)的質(zhì)量流量在不同超聲輻射強(qiáng)度下均高于其他擠出頻率時(shí)的質(zhì)量流量。3改變機(jī)頭溫度時(shí)超聲輻射對(duì)擠出速率的影響擠出頻率一定，改變機(jī)頭溫度，測(cè)試熔體在不同超聲波輻射強(qiáng)度下的質(zhì)量流量，數(shù)據(jù)如表3-3所示：表3-3同一擠出溫度時(shí)不同超聲輻射強(qiáng)度下熔體的質(zhì)量流量超聲波強(qiáng)度（ W）05010015020010.9012.1812.8513.2113.55 質(zhì)量流量（g/min）11.5512.9513.1013.2013.8511.7513.3414.2514.5015.6812.3313.7814.4514.6516.50

41、圖 3-3表明，熔體的質(zhì)量流量隨著超聲波輻射功率的增大而增大，在同一超聲輻射強(qiáng)度下，機(jī)頭溫度越高，熔體的質(zhì)量流量越大。在UHMWPE擠出過(guò)程中，由于振動(dòng)力場(chǎng)的存在,加速和加強(qiáng)了高分子鏈段的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng),減小高分子鏈及鏈段之間的相互纏結(jié),使高分子解纏、取向容易；周期性脈動(dòng)剪切力產(chǎn)生大量的耗散熱,宏觀上表現(xiàn)為聚合物熔體的粘度減小,熔體的流動(dòng)性增加,流率增大；隨著機(jī)頭溫度的升高，分子鏈的運(yùn)動(dòng)性增強(qiáng)，分子間的距離增大，分子間的摩擦力減小，流動(dòng)阻力減小，流量質(zhì)量增大。如圖所示，超聲輻射強(qiáng)度在0150W之間時(shí)，對(duì)熔體質(zhì)量流量的影響趨勢(shì)與無(wú)超聲輻射僅由溫度對(duì)熔體質(zhì)量流量的影響趨勢(shì)大體一致，當(dāng)超聲輻射強(qiáng)度大于1

42、50W時(shí)，經(jīng)超聲輻射的熔體質(zhì)量流量增大程度遠(yuǎn)大于僅由溫度升高引起熔體質(zhì)量流量增大的程度，此現(xiàn)象說(shuō)明，當(dāng)超聲輻射強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，與溫度對(duì)熔體流動(dòng)的促進(jìn)作用達(dá)到一種“協(xié)同”效應(yīng)，使得熔體的質(zhì)量流量達(dá)到最大。圖 3-3 同一機(jī)頭溫度下質(zhì)量流量隨超聲強(qiáng)度的變化312超聲輻射對(duì)口模溫度的影響擠出溫度一定，在不同擠出頻率下，觀察口模溫度隨超聲波輻射強(qiáng)度的變化，口模溫度的變化與超聲輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖 3-4（a）所示。圖 3-4（a）改變擠出頻率時(shí)超聲輻射對(duì)口模溫度的影響擠出頻率一定，在不同擠出溫度下，觀察口模溫度隨超聲波輻射強(qiáng)度的變化，口模溫度的變化與超聲輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖 3-4（b）所示

43、。圖 3-4 (b) 改變機(jī)頭溫度時(shí)超聲輻射對(duì)口模溫度的影響在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將超聲振動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)引入到UHMWPE/PP的擠出加工過(guò)程中，擠出機(jī)的口模溫度隨著超聲輻射強(qiáng)度的增大而升高，如圖3-4所示，隨超聲功率的增加，口模溫度增值大幅度上升。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為6rpm，超聲功率250w時(shí)，口模溫度可升高10 (圖3-4-a)。在超聲波作用下，熔體分子將在其平衡位置附近振動(dòng)，振動(dòng)增加了高分子鏈之間的相互剪切摩擦,產(chǎn)生大量的耗散熱,使口模溫度上升，且口模在超聲振動(dòng)過(guò)程中吸收一部分聲能，并把它轉(zhuǎn)換成熱能使其自身獲得一定溫升。超聲功率越大，分子振動(dòng)越劇烈，分子鏈間的剪切摩擦生熱越大，擠出體系溫升程度也越大。在圖

44、3-4（a）中，無(wú)超聲輻射時(shí)，不同擠出頻率下的口模溫度幾乎不變，說(shuō)明在擠出加工過(guò)程中，口模溫度的上升主要是超聲波所致。當(dāng)施加超聲輻射時(shí)，在同一超聲波功率下，擠出頻率越小，口模溫度的增值越大，這主要是因?yàn)閿D出速率越低，熔體受超聲輻射時(shí)間越長(zhǎng)，升溫越明顯。313超聲輻射對(duì)口模壓力的影響本實(shí)驗(yàn)中所用高溫熔體壓力傳感器為兩線輸出，分別測(cè)試口模的前端和后端，即壓力2和壓力1?？刂瓶谀囟葹?10左右,測(cè)定在不同轉(zhuǎn)速，不同超聲輻射強(qiáng)度作用下UHMWPE/PP體系的擠出口模壓力，其變化如圖 3-5（a）所示；控制擠出頻率為7Hz,測(cè)定在不同擠出溫度，不同超聲輻射強(qiáng)度作用下UHMWPE/PP體系的擠出口模壓力

45、，其變化如圖3-5（b）所示。 圖 3-5（a）改變擠出頻率時(shí)口模壓力隨超聲輻射強(qiáng)度的變化圖 3-5（b）改變機(jī)頭溫度時(shí)口模壓力隨超聲輻射強(qiáng)度的變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波輻射能夠明顯降低擠出時(shí)的口模壓力，且在同一擠出頻率或機(jī)頭溫度下，超聲功率越高，壓力下降越大。這是由于：1. 在宏觀上，超聲波影響流體的入口收斂流動(dòng)，擾亂、改變?nèi)肟诹鲃?dòng)的流型，減小了分子鏈沿流線斂集方向取向的程度和機(jī)會(huì)，減小了彈性損耗，從而降低了入口壓力。2. 在微觀上，超聲波對(duì)聚合物熔體粘彈行為產(chǎn)生影響。被超聲活化的聚合物鏈產(chǎn)生形變所消耗的能量減?。环肿渔溨g的相互作用減弱，流動(dòng)過(guò)程中引起的粘性損耗減少。二者的綜合作用使入口壓力

46、降大幅降低。在UHMWPE/PP的擠出加工過(guò)程中，熔體在口模入口處的超聲作用區(qū)受到超聲作用后分子鏈活動(dòng)能力增強(qiáng)，分子鏈之間的纏結(jié)作用及內(nèi)聚力大大減弱；入口流動(dòng)引起的可恢復(fù)彈性形變減小，并且形變松弛速度加快。超聲振動(dòng)使聚合物擠出過(guò)程中的入口壓力降，在平縫口模中流動(dòng)時(shí)由粘性損耗引起的壓力降及出口壓力均降低，因此測(cè)量時(shí)所得的壓力（口模壓力）P在超聲作用下大幅度降低。314超聲輻射對(duì)熔體表觀黏度的影響1 改變機(jī)頭溫度時(shí)超聲輻射對(duì)熔體表觀黏度的影響擠出頻率一定（7Hz），測(cè)定不同擠出溫度，不同超聲輻射強(qiáng)度下，UHMWPE/PP體系熔體的表觀黏度，如表3-4所示。表3-4同一擠出頻率不同超聲波輻射強(qiáng)度下熔

47、體的表觀黏度超聲波強(qiáng)度/ W 01001502002500.585210.517470.49640.471380.44834熔體表觀黏度0.565420.510160.454520.460230.44912/106/Pa.s0.543920.508930.420990.398020.382590.429230.41330.407950.394140.37183圖 3-6同一擠出頻率下熔體表觀黏度隨超聲波功率大小的變化圖 3-6表明，熔體的表觀黏度在超聲波輻射下，隨著超聲波功率的增大而逐漸降低，在相同的超聲波功率之下，擠出溫度較高時(shí)的熔體表觀黏度均大于較低擠出溫度時(shí)熔體的表觀黏度。這是因?yàn)?，一?/p>

48、面隨著機(jī)頭溫度升高，高分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，分子間距離增大，使得熔體黏度下降，另一方面超聲波振動(dòng)時(shí)超聲射流產(chǎn)生的強(qiáng)烈的沖擊作用使分子間的作用力減弱，增大了熔體的自由體積，加強(qiáng)了大分子鏈段的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)，有利于大分子鏈解纏結(jié)，熔體表觀粘度降低。2 改變時(shí)擠出頻率時(shí)超聲輻射對(duì)熔體表觀黏度的影響擠出溫度一定（210左右），測(cè)定不同擠出頻率，不同超聲輻射強(qiáng)度下，UHMWPE/PP體系熔體的表觀黏度，如表3-5所示。表3-5同一擠出溫度不同超聲波輻射強(qiáng)度下熔體的表觀黏度超聲波強(qiáng)度/ W0501001502002500.567610.534350.485570.436210.40060.39569熔體表觀黏度0.

49、509480.507960.439010.408510.395110.38326/106/Pa.s0.491170.467690.420990.398020.382590.378930.424860.412360.385190.382210.367370.35310.392850.389650.380990.370020.350790.33033圖 3-7同一擠出溫度下熔體表觀黏度隨超聲波功率大小的變化熔體的表觀黏度隨著超聲波功率的增大而降低，在同一超聲功率下，擠出頻率越大，熔體的表觀黏度越低，如圖 3-7所示。如圖所示，超聲功率低于100W時(shí)，不同擠出頻率下的表觀黏度之間差值較大，但超聲功率

50、高于100W時(shí)這種差值迅速減小，這是由于在UHMWPE/PP擠出過(guò)程中，超聲輻射產(chǎn)生的高頻振動(dòng)力場(chǎng)平行疊加于熔體的穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)，使分子鏈之間的纏結(jié)減少，鏈段躍遷所受的束縛降低，降低了熔體的流動(dòng)阻力。而這種超聲輻照高頻振動(dòng)力場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)剪切流場(chǎng)的疊加使剪切作用增強(qiáng)，可以提高分子鏈段沿流動(dòng)方向躍遷的幾率，使分子鏈的重心更有效地發(fā)生位移。因此，在疊加超聲振動(dòng)的情況下，UHMWPE/PP熔體粘度對(duì)剪切力場(chǎng)的依賴性減小，需要從剪切力場(chǎng)獲取的能量降低。超聲功率越大，熔體流動(dòng)需要從剪切力場(chǎng)獲得的能量越小，熔體粘度對(duì)剪切速率的敏感性越低。 總之，超聲輻射對(duì)聚合物熔體流變性能的作用機(jī)理可以從兩方面分析：（1）宏觀上

51、看，縱向振動(dòng)場(chǎng)疊加于同向剪切流動(dòng)場(chǎng)，相當(dāng)于在穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)的熔體上施加一個(gè)脈沖推動(dòng)力，促進(jìn)熔體更加積極地整體沿流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。（2）微觀上看，超聲波對(duì)聚合物分子鏈的作用分為物理作用和化學(xué)作用：a.熔體媒質(zhì)吸聲波能量，使分子鏈的活動(dòng)性增強(qiáng)，單個(gè)分子鏈或分子鏈段的運(yùn)動(dòng)自由度和運(yùn)動(dòng)能量增加，大部分分子鏈的構(gòu)象發(fā)生變化，變得更加無(wú)規(guī)和自由。b.超聲空化引起的熱點(diǎn)效應(yīng)、沖擊波和射流作用使熔體的分子量降低，分子量分布發(fā)生變化。這些綜合效果使熔體粘度降低，加工流動(dòng)性變好。315 本章小結(jié)1一定量PP的加入，能有效改善雙螺桿擠出機(jī)對(duì)UHMWPE的物料輸送和熔融塑化，顯著改善了UHMWPE的流動(dòng)性，首先在聚合物內(nèi)部

52、實(shí)現(xiàn)了UHMWPE在雙螺桿擠出機(jī)中的連續(xù)擠出成型。2熔體的質(zhì)量流量隨著超聲波輻射功率的增大而增大，在同一超聲輻射強(qiáng)度下在同一超聲波功率下，機(jī)頭溫度越高、擠出頻率越大，熔體的質(zhì)量流量越大。3將超聲振動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)引入到UHMWPE/PP的擠出加工過(guò)程中，擠出機(jī)的口模溫度隨著超聲波功率的增大而升高，口模溫度的升高，降低了擠出加工過(guò)程中的能耗。4超聲輻射能明顯降低口模壓力，且超聲功率越高，壓力下降越大?？谀毫Φ南陆?，意味著在相同的口模壓力下，可以提高擠出機(jī)轉(zhuǎn)速，使擠出產(chǎn)量增加。5在UHMWPE的擠出過(guò)程中施加超聲輻照會(huì)顯著降低熔體的表觀粘度。輻照功率越大，熔體表觀粘度越低；熔體在擠出口模中停留的時(shí)間越長(zhǎng)

53、，受輻照作用的時(shí)間越長(zhǎng)，熔體表觀粘度降低的程度越大。32 超聲輻射對(duì)UHMWPE/PP力學(xué)性能的影響321 PP對(duì)UHMWPE/PP共混體系力學(xué)性能的影響擠出頻率為7Hz，擠出溫度控制在210左右，超聲波功率定在200W，測(cè)試UHMWPE/PP分別為80：20、70：30、90：10時(shí)的力學(xué)性能，見(jiàn)表3-6。表3-6不同PP含量下UHMWPE/PP的力學(xué)性能UHMWPE/PP力學(xué)性能純UHMWPE80：2070：3090：10拉伸強(qiáng)度(MPa)23.027.525.824.6 懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度(kJ/m2)84.498.486.585.2斷裂伸長(zhǎng)率(%)412.5324.8276.3408.

54、6表3-6說(shuō)明，適量的PP加入到UHMWPE中，可提高UHMWPE的力學(xué)性能。如表所示， UHMWPE的拉伸強(qiáng)度隨聚丙烯的加入得到改善,當(dāng)PP的含量為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度從純UHMWPE時(shí)的23.0 MPa增加到27.5MPa,達(dá)到最大值；共混物的沖擊強(qiáng)度從純UHMWPE時(shí)的84.4 kJ/m2增加到98.4kJ/m2，這主要是由于本實(shí)驗(yàn)所用PP本身具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，在超聲輻射作用下，PP以微小相更加均勻的分布于UHMWPE機(jī)體中，改善了兩相的相容性，起到了較好增強(qiáng)的作用。斷裂伸長(zhǎng)率隨著PP的加入而降低，當(dāng)PP的含量增加時(shí)，材料仍具有很高的抗沖擊性能。隨著PP含量進(jìn)一步的增加，拉伸強(qiáng)度、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，這可能是由于PP含量較高，由于UHMWPE本身特有的超長(zhǎng)分子鏈和極高的熔體粘度，熔融流動(dòng)性能極差，均勻共混的難度也相應(yīng)增大，導(dǎo)致共混效果不佳，兩相之間存在界