【摘 要】
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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有优异的机械性能和耐磨性能。然而由于UHMWPE黏度非常高,目前多数采用依靠热传导实现加热熔融的普通静态模压(CM)成型方式,而普通模压普遍存在成型周期长、耗能高、制品机械强度低和耐磨性能差等问题;高速冲击模压(HVC)成型的UHMWPE制品存在断裂韧性小、断裂强度低和延展性差等问题;超声模压成型过程中的超声波能量易引起分子链断裂和热降解,降低制品宏观性能。因此,
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超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有优异的机械性能和耐磨性能。然而由于UHMWPE黏度非常高,目前多数采用依靠热传导实现加热熔融的普通静态模压(CM)成型方式,而普通模压普遍存在成型周期长、耗能高、制品机械强度低和耐磨性能差等问题;高速冲击模压(HVC)成型的UHMWPE制品存在断裂韧性小、断裂强度低和延展性差等问题;超声模压成型过程中的超声波能量易引起分子链断裂和热降解,降低制品宏观性能。因此,本文提出脉振模压(PVM)协同熔体流动制备取向UHMWPE制品的低温成型方法,在UHMWPE模压成型过程中引入脉冲振动压力,系统地探究并阐明了脉振压力作用下UHMWPE低温高效成型机制以及熔体流动的调控方法,研究并建立了PVM成型和PVM协同熔体流动取向(OPVM)成型的“成型工艺参数-微观结构-宏观性能”之间内在关联,为UHMWPE加工成型提供新方法和新技术。通过对比普通模压(CM)与脉振模压(PVM)成型UHMWPE(CM-UHMWPE和PVM-UHMWPE)制品的微观形貌和宏观性能,探究PVM成型过程中成型温度、熔融热压阶段脉振频率fm对制件微观结构和宏观性能的影响规律,揭示脉振压力作用促进颗粒熔合,增强颗粒界面结合强度的作用机制。结果表明:脉振压力作用能快速实现物料的压实、排气,使UHMWPE颗粒界面充分接触,并促使颗粒摩擦生热以及塑性变形产生耗散热,加速颗粒熔融并促进颗粒界面熔合,同时均化了制品芯、表层的结构,实现低温高效成型,有效保留了增强机械强度的UHMWPE高结晶度、高规整度的初生相特征结构;随着成型温度T、脉振频率fm的提高,分子链运动能力和扩散速率提高,尤其是在颗粒界面处形成垂直于界面的晶相,能有效地促进界面熔合,提高界面固结质量,但当成型温度T超过170°C或脉振频率fm超过3 Hz后,对初生相特征结构破坏加剧,降低整体结晶度和晶片厚度,使制品的强度性能下降。为了改善PVM-UHMWPE制品韧性,提出了脉振模压协同熔体流动制备取向UHMWPE(OPVM-UHMWPE)制品的成型方法,在熔融热压阶段不同时间节点迫使熔体发生流动以制备出具有取向结构的OPVM-UHMWPE样品。通过对比研究了不同时间节点发生的熔体流动行为对OPVM-UHMWPE样品微观结构和宏观性能的影响,揭示了不同时间节点熔体流动行为对颗粒界面固结质量、分子链段取向程度、晶体结构等微观结构的作用规律。研究结果表明:当熔体流动发生的时间节点越接近熔融热压阶段末尾时,熔体流动发生前分子链段在颗粒界面处的扩散程度越高,而且越有利于保留熔体流动诱导产生的分子链段取向结构,最终在颗粒界面处形成大量垂直于流动方向规则排列的片晶结构,有效增强界面结合强度,从而改善宏观性能。进一步地探究了熔融热压阶段脉振频率fm对熔融热压阶段末尾所引发的熔体流动行为的影响机制,对比研究了不同脉振频率fm下的脉振模压协同熔体流动对取向OPVM-UHMWPE样品微观结构的影响,尤其是对颗粒界面处固结效果的影响;揭示了微观结构对不同频率fm下熔体流动作用的响应规律,并阐明了微观结构对宏观性能的影响机制。研究结果表明:随着脉振频率fm的提高,脉振模压的冲击能量提高,使熔体流动行为加剧,分子链段取向程度增大,极大地提高了整体结晶度;随着脉振频率fm提高至高频(3 Hz、5 Hz),在熔体流动程度更大的颗粒界面处,形成了许多垂直于流动方向规则排列的片晶结构,极大地提高了颗粒界面结合强度,大幅度地改善了拉伸性能和耐磨性能;相对于成型温度高40°C、成型周期多一倍的普通模压样品CM-210°C-60min,OPVM-170°C-3Hz样品的结晶度提高了大约18%,熔点高出大约1.4°C,屈服强度、拉伸模量、断裂强度和断裂功分别提高了大约11%、52%、71%和45%,磨损率和磨损指数分别下降了大约61%和39%。脉振模压协同熔体流动取向UHMWPE制品的低温成型方法,通过脉振压力作用生热和熔体流动促进界面熔合,极大地缩短了成型周期,降低了成型温度,并成功地实现了UHMWPE制品的增强增韧,为UHMWPE类极端流变特性材料的加工成型提供新思路和新技术,有助于促进聚合物材料动态模压成型技术及其装备的发展与推广应用,丰富聚合物材料动态加工基础理论。
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