CN100592977C - 超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材单螺杆挤出机筒成型法及成型设备，利用超高分子量聚乙烯在高弹态下具有可挤压、压延特性，当处于高弹态下的超高分子量聚乙烯在一定挤压力的作用下，充满由光杆螺杆与机筒间所形成型腔时，实现超高分子量聚乙烯管材的初步成型，在挤出压力的继续作用下，初步成型的管材通过定型芯棒和定型套来实现温度和几何尺寸的均化过程，再通过冷却套时，管材迅速完成冷却定型过程。该发明解决了在熔融状态下几乎不存在粘流态的超高分子量聚乙烯进行单螺杆挤出成型加工的技术难题，在完好保持超高分子量聚乙烯优异性能的前提下，实现了超高分子量聚乙烯管材连续生产的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材单螺杆挤出机筒成型法。
背景技术
目前普遍采用的超高分子量聚乙烯管材成型方法是柱塞挤出成型和采取特殊措施的单螺杆挤出成型。
柱塞挤出成型可以看成是连续的烧结成型，该成型法可采用纯超高分子量聚乙烯粉料生产纯超高分子量聚乙烯管材，从而使制品材料分子量不会降低，保持了超高分子量聚乙烯基于其超高分子量特点的所有优良特性，特别是耐磨性和优异的力学性能，但是该方法塑化时间长，生产效率较低，不宜成型大的成品，在生产应用中受到一定限制。
目前市场采用单螺杆挤出机能连续成型超高分子量聚乙烯管材技术，一是要对普通的单螺杆挤出机进行技术改造，同时还要对超高分子量聚乙烯原料的改性，增加在成型过程中的流动性，该技术往往带来产品成本的大幅提高或以降低产品性能为代价。
发明内容
本发明的目的提供一种超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型法，实现对超高分子量聚乙烯粉料在不改性的前提下，连续挤出成型超高分子量聚乙烯管材的目的，这种管材制品完好保存了超高分子量聚乙烯材料的各种优良性能，产品成本不会提高。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材单螺杆挤出机筒成型法，按以下顺序进行：将超高分子量聚乙烯粉末从料斗座进料，原料从压缩段末端以粉末固体床形式进入进料压缩段，原料很快被压实；被压实的原料以固体塞形式被推向前移，固体塞继续通过螺棱高度线性变小直至为零的螺棱渐变段，当逐步形成固定直径的固体塞到达螺杆前端无螺棱的成型段时，UHMWPE材料充满机筒与螺杆间所形成的空间也就是管材型胚，此时的超高分子量聚乙烯管材型胚在摩擦热、机筒外热和加热螺杆的共同作用下，逐渐变成高弹态，然后在挤出压力的继续作用下，处于高弹态下的超高分子量聚乙烯管材通过定型芯棒和定型套来实现温度和几何尺寸的均化过程，再通过冷却套完成冷却定型过程，最后在牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒的连续成型。
在超高分子量聚乙烯管材成型过程中在加热区的温度均小于220℃。
超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型设备，包括料斗座1、机筒、螺杆4、定型芯棒6、定型套7和冷却套8，机筒通过法兰与料斗座1连接，机筒由前端机筒5和后端机筒3组成，且在后端机筒内衔有增压内衬2，内衬2上开有沟槽，以确保挤出机产生足够的挤出压力，螺杆4放置在机筒内且一端固定在料斗座上，螺杆4另一端与定型芯棒6连接，前端机筒5依次与定型套7和冷却套8连接成整体。
所述的定型芯棒6与螺杆4制成一体或分体制造紧固连接。
所述的机筒、定型套7和冷却套8制成一体或分体制造紧固连接。
所述螺杆4结构为：所述螺杆4结构划分为：进料压缩段、固体塞段、螺棱渐变段和成型段四个部分，其中在进料压缩段的结构为：等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，固体塞段的结构为：等螺距等螺槽深度或变螺距变螺槽深度，其特征在于：在螺棱渐变段：螺杆的螺棱高度从螺槽的深度，线性变小直至为零；在成型段：螺杆无螺棱而呈光杆。
所述螺杆4结构为：螺棱高度从螺槽的深度突变为零，螺杆变成进料压缩段、固体塞段、成型段三个部分。
本发明超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型法与普通单螺杆挤出机相比具有以下优点：
成型原理：利用超高分子量聚乙烯在高弹态下具有可挤压、压延特性，当处于高弹态下的超高分子量聚乙烯在一定挤压力的作用下，充满由光杆螺杆与机筒间所形成型腔时，可实现超高分子量聚乙烯管材的初步成型，然后在挤出压力的继续作用下，处于高弹态下的超高分子量聚乙烯管材通过定型芯棒6和定型套7来实现温度和几何尺寸的均化过程，再通过冷却套8时，处于高弹态下超高分子量聚乙烯管材迅速完成冷却定型过程，最后在牵引装置、计量装置和切割装置等共同协调工作下，实现超高分子量聚乙烯管材的连续生成。
由于该成型法利用超高分子量聚乙烯在高弹态下所具有可挤压、压延的特性成型，不需要对超高分子量聚乙烯改性来增加其流动性，克服了必须对超高分子量聚乙烯该性来增加其流动性，才能采用单螺杆挤出机进行挤出成型的技术难题，组合式机筒内衬上开有沟槽保证了挤出机能产生足够的挤出压力，在保持超高分子量聚乙烯优异性能的情况下实现了管材连续挤出成型。
本发明的优点：
机筒成型法的成型理论突破了目前单螺杆挤出成型理论，即原料在熔融状态下，只有表现出具有粘流态才能采用单螺杆挤出的规则。
机筒成型法挤出机不论在结构上还是功能上都有别于普通单螺杆挤出机。
对机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材试样与模压成型的纯UHMWPE块材试样一道进行了摩擦、磨损对比试验，结果证实：采用机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材的摩擦系数为0.078，如图2所示；而且比模压成型摩擦系数为0.123，如图3所示。对磨损试验后的表面磨损形貌的SEM分析表明，图4为模压成型的纯UHMWPE块材试样磨损表面SEM照片，图5机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材试样磨损表面SEM照片，从SEM图中可以看出机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材试样的磨损较之于模压成型的纯UHMWPE块材试样轻微。
正是由于机筒成型法独特的成型过程，才赋予了机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材优于模压成型法制备的纯UHMWPE材料的摩擦学性能。首先，在机筒成型法的挤出过程中，各加热区的温度均小于220℃，虽然比模压成型法的加热温度高些，但挤出成型时间很短，一般在300s左右，使纯UHMWPE原料受热时间大大少于模压成型法的保温时间120min，这大大降低了纯UHMWPE原料局部受热降解的危险，使纯UHMWPE制品的分子量维持纯UHMWPE原料分子量的超高水平得到保证；其次，在机筒成型法挤出成型过程中，纯UHMWPE原料因固体塞作用而受到了很大挤压力，一般在80-200MPa，显著高于模压成型法的成型压力45MPa，从而能使纯UHMWPE制品的密度增大，有利于其摩擦学性能的提高。
附图说明
图1为本发明的成型设备结构示意图。
图2为模压成型的纯UHMWPE块材与钢配副的干摩擦系数曲线图。
图3为本发明挤出的纯UHMWPE管材与钢配副的干摩擦系数曲线图。
图4为模压成型的纯UHMWPE块材试样磨损表面SEM照片。
图5为本发明挤出的纯UHMWPE管材试样磨损表面SEM照片。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的成型设备，包括料斗座1、机筒、螺杆4、定型芯棒6、定型套7和冷却套8，机筒通过法兰与料斗座1连接，机筒由前端机筒5和后端机筒3组成，且在后端机筒内衔有增压内衬2，内衬2上开有沟槽，以确保挤出机产生足够的挤出压力，螺杆4放置在机筒内且一端固定在料斗座上，螺杆4另一端与定型芯棒6连接，前端机筒5依次与定型套7和冷却套8连接成整体。所述的定型芯棒6与螺杆4分体制造紧固连接。
所述的机筒、定型套7和冷却套8分体制造紧固连接。
所述螺杆4结构划分为：进料压缩段、固体塞段、螺棱渐变段和成型段四个部分，其中在进料压缩段的结构为：等螺距变螺槽深度，固体塞段的结构为：等螺距等螺槽深度，在螺棱渐变段：螺杆的螺棱高度从螺槽的深度，线性变小直至为零；在成型段：螺杆无螺棱而呈光杆。
超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型需要的动力装置、传动装置、温度控制系统都可采用现有单螺杆挤出机相同设备及技术。牵引装置、计量装置和切割装置采用现有装备。
超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型法，按以下顺序进行：将超高分子量聚乙烯粉末从料斗座进料，原料从压缩段末端以粉末固体床形式进入螺槽逐渐变浅的进料压缩段，原料很快被压实；紧接进料压缩段后的固体塞段的螺杆内径保持定值，因而使已在进料压缩段被压实的原料以固体塞形式被推向前移，固体塞继续通过螺棱高度逐渐线性变小直至为零的螺棱渐变段时，螺杆的内径逐步增大并趋于定值；当逐步形成固定直径的固体塞到达螺杆前端无螺棱的成型段时，UHMWPE材料充满机筒与螺杆间所形成的空间也就是管材型胚，此时的超高分子量聚乙烯管材型胚在摩擦热、机筒外热和加热螺杆的共同作用下，逐渐变成高弹态，然后在挤出压力的继续作用下，处于高弹态下的超高分子量聚乙烯管材通过定型芯棒和定型套来实现温度和几何尺寸的均化过程，再通过冷却套完成冷却定型过程，最后在牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒的连续成型。在超高分子量聚乙烯管材成型过程中在加热区的温度均小于220℃。
Claims (1)
1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材单螺杆挤出机筒成型法，按以下顺序进行：将超高分子量聚乙烯粉末从料斗座进料，原料从压缩段末端以粉末固体床形式进入进料压缩段，原料很快被压实；被压实的原料以固体塞形式被推向前移，固体塞继续通过螺棱渐变段，当逐步形成固定直径的固体塞到达螺杆前端无螺棱的成型段时，UHMWPE材料充满机筒与螺杆间所形成的空间也就是管材型胚，此时的超高分子量聚乙烯管材型胚在摩擦热、机筒外热和加热螺杆的共同作用下，逐渐变成高弹态，然后在挤出压力的继续作用下，处于高弹态下的超高分子量聚乙烯管材通过定型芯棒和定型套来实现温度和几何尺寸的均化过程，再通过冷却套完成冷却定型过程，最后在牵引装置、计量装置和切割装置共同协调工作下，实现超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒的连续成型；超高分子量聚乙烯管材单螺杆挤出机筒成型设备包括料斗座(1)、机筒、螺杆(4)、定型芯棒(6)、定型套(7)和冷却套(8)，机筒通过法兰与料斗座(1)连接，机筒由前端机筒(5)和后端机筒(3)组成，且在后端机筒内衔有增压内衬(2)，螺杆(4)放置在机筒内且一端固定在料斗座上，螺杆(4)另一端与定型芯棒(6)连接，前端机筒(5)依次与定型套(7)和冷却套(8)连接成整体；所述螺杆(4)结构划分为：进料压缩段、固体塞段、螺棱渐变段和成型段四个部分，其中在进料压缩段的结构为：等螺距变螺槽深度、变螺距变螺槽深度或变螺距等螺槽深度，固体塞段的结构为：等螺距等螺槽深度或变螺距变螺槽深度，其特征在于：在螺棱渐变段：螺杆的螺棱高度从螺槽的深度，线性变小直至为零；在成型段：螺杆无螺棱而呈光杆。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: QIN JIANHUA Free format text: FORMER OWNER: WUHAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Effective date: 20130222 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130222 Address after: 430074 Wuhan, Hongshan Province District, hung Chu street, No. 693 Patentee after: Qin Jianhua Address before: 430074 Wuhan, Hongshan Province District, hung Chu street, No. 693 Patentee before: Wuhan Institute of Technology |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WUHAN XIAOHONG ULTRA-HIGH MOLECULAR NEW MATERIAL T Free format text: FORMER OWNER: QIN JIANHUA Effective date: 20140711 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 430074 WUHAN, HUBEI PROVINCE TO: 430223 WUHAN, HUBEI PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140711 Address after: 430223, room 212, building B1, the Great Wall Science Park, Hubei Road, East Lake Development Zone, Wuhan, Hubei Patentee after: WUHAN XIAOHONG ULTRA-HIGH MOLECULAR WEIGHT NEW MATERIALS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 430074 Wuhan, Hongshan Province District, hung Chu street, No. 693 Patentee before: Qin Jianhua |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100303 Termination date: 20210914 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |