CN111497184A - 一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，首先在模具成型段通过非均匀阶梯式控温实现超高分子量聚乙烯材料熔体型胚制备，然后在模具冷却段通过非均匀模温实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。与现有技术相比，本发明成型制备的超高分子量聚乙烯制品尺寸稳定性高、精确度高、平整度高，同时力学性能得到显著提升，有效解决了现有成型技术中制品容易产生翘曲、圆整度不够等问题，具有良好的发展前景。

Description

一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法
技术领域
本发明属于聚合物加工成型技术领域，尤其是涉及一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，尤其涉及一种利用非均匀模温控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是粘均分子量大于150万的聚乙烯(PE),是一种新型热塑性工程塑料，由于其分子链长，分子量极高，优异的力学性能、耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。UHMWPE是目前已发现的耐磨性最好的塑料，所以其板材、管材、异型材广泛应用于石油化工、机械、纺织、造纸、矿业、粮食加工及体育运动器械等领域，其中以大型包装容器和管道的应用最为广泛。另外，基于UHMWPE优异的生理惰性，已作为心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节等在医药卫生领域使用。
以UHMWPE为基础原料制造的制品工件，具有高强高抗冲性，即使在-195℃环境下仍保持优异的韧性和强度。随着UHMWPE制品的广泛应用，其制品的形状、尺寸也呈现出多样性，对尺寸的精确度也在不断的提高，尤其是一些异形件，例如导轨、滑块、齿轮等。但是由于本身的收缩率较高，约为2％～3％，因此在成型过程中极易产生翘曲、椭圆、局部收缩不均等尺寸不稳定现象。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用非均匀模温控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，首先在模具成型段通过非均匀阶梯式控温实现超高分子量聚乙烯材料熔体型胚制备，然后在模具冷却段通过非均匀模温实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。
优选地，包括以下步骤：
(1)首先在螺杆吃料段，将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上，然后熔体被输送进入模具成型段，在模具成型段内经过熔压压缩制备成熔体型胚，模具成型段各区段温度为非均匀阶梯式分布；
(2)熔体型胚被输送进入模具冷却段，模具冷却段内根据制品形状，保持模具冷却段周向非均匀模温分布，实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。
优选地，该方法适用于粘均分子量为100万～600万的超高分子量聚乙烯。
优选地，步骤(1)中，模具成型段内依次设有分配腔、引流段、压缩段和定型段。
优选地，步骤(1)中，模具成型段压缩比2.0～3.0。
优选地，步骤(1)中，分配腔、引流段、压缩段和定型段依次设置温度区间为250～240℃、240～220℃、220～200℃、200～180℃，形成模具成型段各区段温度非均匀阶梯式分布。
优选地，步骤(2)中，模具冷却段熔体压力设置为8～15MPa，熔体压力保持由模具冷却段温度控制，模具冷却段温度根据模具冷却段熔体压力在80～10℃自动调节适配，当熔体压力低于下限模温下降，当熔体压力过高模温升高。
优选地，步骤(2)中，模具冷却段采用分体式独立循环冷却流道，每个独立循环冷却流道对应制品表面的一个温度测温点，每个分体式独立循环冷却流道温度由模温机通过流速独立控制，使得制品出模具冷却段后，保持其表面不同测温点温度一致。
优选地，模具冷却段具有绕模具冷却段周向布置的2～8个分体式独立循环冷却流道。
优选地，所述的模具包括挤出成型模具、注塑成型模具或模压成型模具。
本发明专利利用非均匀模温控制UHMWPE制品的尺寸精确度，是根据制品的形状、厚度，设计合适的模具，模拟UHMWPE熔体的流动形态，设计合理的温度分布，形成阶梯式温度分布，再利用模温机控制模具定型段温度，达到精确调整制品尺寸。本发明专利具有极其重要的意义，大幅降低了成型制品的翘曲度，从而有效解决了现有UHMWPE制品尺寸精确的问题，促进UHMWPE制品产业的发展。
与以现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
首先超高分子量聚乙烯材料熔体在模具成型段通过非均匀阶梯式温度控制来制备成型制品型胚，然后在模具冷却段通过非均匀模温控制制品整体温度均匀一致，从而使得制品结晶一致、收缩一致，成型制品表面光滑平整。目前现有技术主要是采用单一的温度设定来成型制品，该方法极易导致制品表面收缩不一致，制品容易翘曲。与现有技术相比，本发明成型制备的超高分子量聚乙烯制品尺寸稳定性高，产品尺寸精确度高，同时制品拥有优异耐磨性，有效解决了现有成型技术中制品容易产生翘曲、圆整度不够等问题，具有良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的电梯导夹模具流道温度设定示意图。
图2为本发明实施例1的电梯导夹模具冷却段自动温度调节示意图。
图3为本发明实施例2的电梯导轨模具冷却段自动温度调节示意图。
具体实施方式
一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，首先在模具成型段通过非均匀阶梯式控温实现超高分子量聚乙烯材料熔体型胚制备，然后在模具冷却段通过非均匀模温实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。该方法适用于粘均分子量为100万～600万的超高分子量聚乙烯。成型方法包括挤出成型、注塑成型或模压成型。
本实施例中的方法优选包括以下步骤：
(1)首先在螺杆吃料段，将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上，然后熔体被输送进入模具成型段，在模具成型段内经过熔压压缩制备成熔体型胚，模具成型段各区段温度为非均匀阶梯式分布；
(2)熔体型胚被输送进入模具冷却段，模具冷却段内根据制品形状，保持模具冷却段周向非均匀模温分布，实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。
上述步骤(1)中，模具成型段内优选依次设有分配腔、引流段、压缩段和定型段。步骤(1)中，模具成型段压缩比优选为2.0～3.0。步骤(1)中，进一步优选分配腔、引流段、压缩段和定型段依次设置温度区间为250～240℃、240～220℃、220～200℃、200～180℃，形成模具成型段各区段温度非均匀阶梯式分布。
上述步骤(2)中，模具冷却段熔体压力优选设置为8～15MPa，熔体压力保持由模具冷却段温度控制，模具冷却段温度根据模具冷却段熔体压力在80～10℃自动调节适配，当熔体压力低于下限模温下降，当熔体压力过高模温升高。步骤(2)中，模具冷却段优选采用分体式独立循环冷却流道，每个独立循环冷却流道对应制品表面的一个温度测温点，每个分体式独立循环冷却流道温度由模温机通过流速独立控制，使得制品出模具冷却段后，保持其表面不同测温点温度一致。模具冷却段具有绕模具冷却段周向布置的2～8个分体式独立循环冷却流道。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的以下各实施例和对比例中：
屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率依据GB/T 1040.2-2006拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件。
双缺口冲击强度依据GB/T 21461.2-2008超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)模塑和挤出材料第2部分：试样制备和性能测定。
滑动摩擦系数依据ASTM G203-2016 Standard Guide for DeterminingFriction Energy Dissipationin Reciprocating Tribosystems测定往复运动摩擦系统中的摩擦能耗散的标准指南。
翘曲度测试方法：将制品放置在一个平面上，选取一个基线，采用影像扫描或者激光取点法进行测量。
实施例1
一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，挤出成型超高分子量聚乙烯电梯导夹，原料粘均分子量为300万，首先将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上的温度，熔体在经过模具的成型压缩段被挤压为高压熔体，此后高压熔体在冷却定型段经过冷却成型成为制品。模具成型段分为分配腔、引流段、压缩段、定型段，模具压缩比3.0，加热温度的范围分别为220℃、200℃、190℃、180℃。超高分子量聚乙烯型胚冷却段模具熔体压力设定为8MPa，模具自行调整运行温度30℃，冷却段具有8个分体式独立循环冷却流道，实测制品温度35℃。电梯导夹模具流道温度设定示意图如图1所示，电梯导夹模具冷却段自动温度调节示意图如图2所示。挤出制品力学性能见附表1。
实施例2
一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，挤出成型超高分子量聚乙烯电梯导轨，原料粘均分子量为600万，首先将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上的温度，熔体在经过模具的成型压缩段被挤压为高压熔体，此后高压熔体在冷却定型段经过冷却成型成为制品。模具成型段分为分配腔、引流段、压缩段、定型段，模具压缩比3.0，加热温度的范围分别为250℃、230℃、220℃、190℃。超高分子量聚乙烯型胚冷却段模具熔体压力设定为15MPa，模具自行调整运行温度10℃，冷却段具有6个分体式独立循环冷却流道，实测制品温度15℃，挤出制品力学性能见附表1。电梯导轨模具冷却段自动温度调节示意图如图2所示。
实施例3
挤出成型超高分子量聚乙烯管材(Ф65)，原料粘均分子量为100万，首先将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上的温度，熔体在经过模具的成型压缩段被挤压为高压熔体，此后高压熔体在冷却定型段经过冷却成型成为制品。模具成型段分为分配腔、引流段、压缩段、定型段，模具压缩比2.0，加热温度的范围分别为250℃、220℃、200℃、180℃。超高分子量聚乙烯型胚冷却段模具温度设定为熔体压力5MPa，模具自行调整运行温度80℃，冷却段具有2个分体式独立循环冷却流道，实测制品温度85℃，挤出制品力学性能见附表1。
实施例4
挤出成型超高分子量聚乙烯管材(Ф159)，原料粘均分子量为200万，首先将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上的温度，熔体在经过模具的成型压缩段被挤压为高压熔体，此后高压熔体在冷却定型段经过冷却成型成为制品。模具成型段分为分配腔、引流段、压缩段、定型段，模具压缩比2.0，加热温度的范围分别为250℃、220℃、200℃、180℃。超高分子量聚乙烯型胚冷却段模具温度设定为熔体压力5MPa，模具自行调整运行温度80℃，冷却段具有2个分体式独立循环冷却流道，实测制品温度85℃，挤出制品力学性能见附表1。
表1实施例挤出制品(管材)力学性能
Figure BDA0002476824520000051
Figure BDA0002476824520000061
对比例1
挤出成型超高分子量聚乙烯电梯导夹，原料粘均分子量为300万，首先将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上的温度，熔体在经过模具的成型压缩段被挤压为高压熔体，此后高压熔体在冷却定型段经过冷却成型成为制品。模具成型段分为分配腔、引流段、压缩段、定型段，模具压缩比3.0，加热温度的范围分别为220℃、200℃、190℃、180℃，通过普通冷却水循环冷却成型电梯导夹制品，挤出制品性能见附表2。
对比例2
挤出成型超高分子量聚乙烯电梯导轨，原料粘均分子量为600万，首先将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上的温度，熔体在经过模具的压缩段被挤压为高压熔体，此后高压熔体在定型段经过冷却成型成为制品。模具成型段分为分配腔、引流段、压缩段、定型段，模具压缩比3.0，加热温度的范围分别为250℃、230℃、220℃、190℃，通过普通冷却水循环冷却成型电梯导轨制品，挤出制品性能见附表2。
表2对比例挤出制品力学性能
Figure BDA0002476824520000062
从表1和表2可以看出，使用本发明所述的方法，成型的制品能够达到整体温度均匀一致，从而使得制品结晶一致、收缩一致，成型制品表面光滑平整，且制品具有优异的力学性能，此外，该方法又能大幅降低制品的翘曲度，提升尺寸精确度，进而提高产品的合格率，提高生产效率。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，首先在模具成型段通过非均匀阶梯式控温实现超高分子量聚乙烯材料熔体型胚制备，然后在模具冷却段通过非均匀模温实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。
2.根据权利要求1所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先在螺杆吃料段，将超高分子量聚乙烯材料加热到熔融温度以上，然后熔体被输送进入模具成型段，在模具成型段内经过熔压压缩制备成熔体型胚，模具成型段各区段温度为非均匀阶梯式分布；
(2)熔体型胚被输送进入模具冷却段，模具冷却段内根据制品形状，保持模具冷却段周向非均匀模温分布，实现制品型胚整体温度均匀一致，从而控制超高分子量聚乙烯制品冷却结晶一致性，最终保证尺寸精确度。
3.根据权利要求1或2所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，该方法适用于粘均分子量为100万～600万的超高分子量聚乙烯。
4.根据权利要求2所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，步骤(1)中，模具成型段内依次设有分配腔、引流段、压缩段和定型段。
5.根据权利要求4所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，步骤(1)中，步骤(1)中，模具成型段压缩比2.0～3.0。
6.根据权利要求2所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，步骤(1)中，分配腔、引流段、压缩段和定型段依次设置温度区间为250～240℃、240～220℃、220～200℃、200～180℃，形成模具成型段各区段温度非均匀阶梯式分布。
7.根据权利要求2所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，步骤(2)中，模具冷却段熔体压力设置为8～15MPa，熔体压力保持由模具冷却段温度控制，模具冷却段温度根据模具冷却段熔体压力在80～10℃自动调节适配，当熔体压力低于下限模温下降，当熔体压力过高模温升高。
8.根据权利要求2所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，步骤(2)中，模具冷却段采用分体式独立循环冷却流道，每个独立循环冷却流道对应制品表面的一个温度测温点，每个分体式独立循环冷却流道温度由模温机通过流速独立控制，使得制品出模具冷却段后，保持其表面不同测温点温度一致。
9.根据权利要求8所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，模具冷却段具有绕模具冷却段周向布置的2～8个分体式独立循环冷却流道。
10.根据权利要求1所述的一种控制超高分子量聚乙烯制品尺寸精确度的方法，其特征在于，所述的模具包括挤出成型模具、注塑成型模具或模压成型模具。
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