目录
1前言 ......................................................................................................................................... 1
1．1超声波简介 ............................................................................................................... 3
1．2超高分子量聚乙烯 ................................................................................................... 5
1.2.1 UHMWPE的性能 ............................................................................................ 5
1.2.2 UHMWPE的成型加工 .................................................................................... 6
1.2.3 UHMWPE的应用及市场前景 ........................................................................ 8
1.3超声波振动对聚合物挤出过程及制品结构性能的影响 .......................................... 8
1.4 超声波辅助成型的发展前景 ..................................................................................... 9
1.5 本课题研究的目的和意义 ..................................................................................... 10
2 实验部分 .............................................................................................................................. 11
2．1实验原理 ................................................................................................................. 11
2．2实验装置与工艺流程 ............................................................................................. 12
2．2．1超声挤出设备 ........................................................................................... 12
2．2．2实验工艺流程 ........................................................................................... 13
2．3实验原料及仪器 ..................................................................................................... 13
2．4实验工艺条件 ......................................................................................................... 14
2．5实验内容和研究方法 ............................................................................................. 14
2．6实验性能表征 ......................................................................................................... 15
3 实验结果分析 ...................................................................................................................... 17
3．1 超声辐射对UHMWPE/PP熔体挤出参数的影响 . .............................................. 17
3．1．1超声辐射对挤出速率的影响 ................................................................... 17
3．1．2超声辐射对口模温度的影响 ................................................................... 19
3．1．3超声辐射对口模压力的影响 ................................................................... 22
3．1．4超声辐射对熔体表观黏度的影响 ........................................................... 23
3．1．5 本章小结 .................................................................................................. 26
3．2 超声辐射对UHMWPE/PP力学性能的影响 . ...................................................... 27
3．2．1 PP对UHMWPE/PP共混体系力学性能的影响 .................................... 27
3．2．2超声辐射对UHMWPE/PP拉伸强度的影响 . ......................................... 27
3．2．3超声辐射对UHMWPE/PP冲击强度的影响 . ......................................... 28
3．2．4超声辐射对UHMWPE 断裂伸长率的影响 ........................................... 29
3．2．5本章小结 ................................................................................................... 33
4 结论 ...................................................................................................................................... 34
参考文献 .................................................................................................................................. 35
致谢 .......................................................................................................................................... 37
1前言
1．1超声波简介
1．超声波发展史
声学作为物理学的一个分支, 它是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。1893年Golton 发现了超声哨子, 此时建立了超声波领域。20世纪20年代,R·伍德证实了超声强化物理化学过程的可能性, 美国普林斯顿大学化学实验室发现超声波有加速化学反应的作用。但在1940年以前, 只有单晶压电材料, 这种技术存在许多缺点, 使得超声波未能得到广泛应用。后来随着压电材料的发展，大大地促进了超声波领域的发展。80年代中期, 由于功率超声设备的普及与应用, 超声波在化学中的应用研究迅速展开, 形成一门新兴的交叉学科—声化学。
大量的文献报道和许多实验结果表明：超声波不仅可以改善反应条件, 加快反应速度和提高反应产率, 还可以使一些难以进行的化学反应得以实现[1]。目前，超声波已广泛应用于化学(如分析化学、物理化学、聚合物化学、电化学、光化学、环境化学等) 、医学、食品工业、工业焊接、废水处理和材料的改性等方面。
2．超声波的特点
通常把频率为2×104Hz ～109Hz 的声波称为超声波，而声学全部频率为10-4Hz ～1014Hz ，所以超声波的整个频率范围相当宽，占据声学全部频率范围的1/2以上。超声波作为声波的一部分，遵循声波传播的基本规律[2]，但超声波具有与其它声波不同的一些突出特点：
（1）超声波由于频率可以很高，因而传播的方向性较强，设备的几何尺寸较小；
（2）超声波传播过程中，介质质点振动加速度非常大；
（3）在液体介质中，当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象[3]。由于这些突出的特点，超声波在各种领域中都有相当广泛的用途。
超声波可分为检测超声和功率超声[4]。当把超声波看成一种波动形式用于作为信息载体时，超声波就是一种检测工具，超声波传入介质后，设法接收其回波或透射波，从接收波的幅度、位相等变化来获取有关传声介质的信息[5]，同时，要求避免超声波可能对介质造成的影响或破坏，应尽量使用小振幅声波。当超声波作为一种能量形式用于影响或改变介质时，如使介质的状态、组分或结构等发生变化，常需使用大振幅的所谓功
率超声，功率超声就是利用超声振动能量来改变物质组织结构状态或加速这些改变的过程[6]。超声波发生器目前采用的分两大类：
（1）利用机械方法产生功率超声：有气动式和液动式[7]其结构简单、操作可靠、效率较高，但所产生的振动频率不超过104Hz ～105Hz ，且在多数情况下难以在流体中形成高强振动；
（2）利用机电效应产生超声波：将相应频率的电振荡转变为辐射器的机械振动，一般能产生高频率和高强度的超声波。
3．超声波的作用机制
（1）线性交变振动，超声波在介质中传播时，必然使介质粒子做交变振动，并引起介质中的应力或声压的周期性变化，从而引起一系列次级效应；
（2）大振幅振动在介质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处形成大的压强梯度，从而产生局部高温高压等一系列特殊效应[8]；
（3）振动的非线性会引起相互靠近的伯努利力和黏度的周期性变化而引起的直流平均黏滞力，这些直流力可说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应；
（4）空化作用，这是只能在流体介质中出现的一种重要的基本作用。在声场中，液体的气泡可能逐步生成和扩大，然后突然破裂，在这急速的气泡破裂过程中，气泡内出现高压高温，气泡附近的流体中形成局部强烈的激波，同时可产生一系列次级效应，如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等，在流体中进行的超声处理技术，很多都与空化作用有关[9]。
这些作用机制导致了以下五种效应：
（1）力学效应：具有搅拌作用, 分散作用, 去气作用, 成雾作用, 凝聚作用, 定向作用, 冲击破碎作用, 疲劳破坏作用等；
（2）热学效应：能够吸收引起的整体加热, 边界面处的局部加热, 形成激波时波前处的局部加热等；
（3）光学效应：能够引起光的衍射、折射、双折射, 声致发光等；
（4）电学效应：在压电、压磁材料中产生电场和磁场, 引起电子逸出和电化学效应等；
（5）化学效应：促进化学反应, 促进氧化还原, 促进高分子物质的聚合或解聚, 引起照相底片的感光, 引起声化学发光等。
4．超声波在高分子材料中的应用
（1）超声加工：早在20世纪六、七十年代前苏联有关专家曾以超声波为振动源，对辅助橡胶材料的挤出加工做了有益的尝试。研究发现，超声波辐射可以增大熔体的流动性，降低挤出压力，提高挤出产量，改善产品性能，与低频机械振动相比，超声波无噪音，在微米级的水平上便可以改变熔体的流变性和黏弹性，对改变制品性能更为有效。
（2）超声焊接：功率超声波在塑料焊接领域的应用始于20世纪六十年代末，从简单的带有手动杠杆加压的超声波设备到带有多个超声波探头和发生器的特种设备，超声波塑料焊接已取得了迅速的发展，超声塑料焊接的应用已涉及电子、汽车、照相、包装等多种行业。由于功率超声焊接具有清洁无污染、高效、快速和高自动化等优点，因此超声功率作为直接和间接手段在焊接领域中的应用前景是极其广泛的。尤其是在现代汽车工业发达的今天，一些造型复杂，尺寸很大的塑料制件难以用常规方法实现一次成型，超声波塑料焊接则为复杂构件的制备提供了一条简洁有效的途径。
（3）声化学：声化学是指利用功率超声波加速和控制化学反应，提高反应速率和引发新的化学反应的一门新兴的边缘交叉学科。在国内，徐僖等在聚合物超声降解和共聚反应领域进行了开创性研究。目前，对聚合物声化学的研究主要集中于溶液体系。
本课题是在超高分子量聚乙烯挤出成型过程中，施加功率超声（超声加工），研究其对挤出成型过程和制品性能的影响。
1．2超高分子量聚乙烯
超高分子量聚乙烯是一种线型结构的热塑性工程塑料，分子结构和普通高密度聚乙烯完全相同，但具有106以上的极大分子量[10]，因此具有一些独特的性能，如优异的耐磨性、自润滑性和耐冲击性等。
1.2.1 UHMWPE的性能
1．力学性能
（1）拉伸强度：随着分子量的增大和密度下降，拉伸屈服强度随之下降，但当密度为0.940或分子量超过1.5×106时，拉伸屈服强度的变化较小；而拉伸断裂强度仅与分子量有关，与拉伸屈服强度相反，随着分子量的增大相应有所提高。
（2）冲击强度：随分子量的增大，冲击强度随之提高，当分子量在（1~2）×106时达到最大值，若分子量再进一步增大，冲击强度反而有所下降[11]，并且UHMWPE 在低温下也能保持优异的冲击强度。UHMWPE 的冲击强度在整个工程塑料中名列前茅，以致于
用通常的悬臂梁冲击强度的测试方法难以使其破裂破坏。
（3）耐蠕变性：UHMWPE 比普通聚乙烯的耐蠕变性优良。
（4）耐磨损性：UHMWPE 的耐磨损性能居各种塑料之首，比碳钢、黄铜还耐磨数倍，并且随着分子量的增大其耐磨性还能进一步提高。
（5）自润滑性：UHMWPE 的动摩擦系数很低，故自润滑性能优异。UHMWPE 在无润滑剂存在时，与钢或黄铜的表面滑动不会发生发热黏着现象[12]。
2．热性能
UHMWPE 的耐热性较差，使用温度一般在100℃以下，但由于分子量大，热变形温度和维卡软化点都高于普通聚乙烯。但其耐低温性能优异，脆化温度在﹣80℃以下，在﹣40℃时仍有较高的冲击强度。
3．电性能
UHMWPE 与普通聚乙烯相同，分子链仅由C 、H 元素组成，具有优异的电气绝缘性能，但各项电性能与分子量的大小无关[13]。
4．耐化学药品性
由于UHMWPE 分子结构上没有双键和支链且结晶度高，除了氧化性酸溶液外，在一定温度和浓度范围内能耐多种酸、碱、盐类溶液的腐蚀；除萘溶剂之外它几乎不溶于任何有机溶剂，具有优良的耐化学药品性能
5．吸水率
UHMWPE 几乎不吸水，在水中也不膨胀。它的吸水率在工程塑料中是最小的，所以在成型加工前不必进行干燥处理。
6．卫生性 UHMWPE 卫生无毒，完全符合日本卫生协会的标准，并得到美国食品及药物行政管理局（FDA ）和美国农业部（USDA ）的同意，可用于接触食品和药物。
此外，UHMWPE 具有较低的密度、优异的耐疲劳性及耐γ-射线能力等性能。
1.2.2 UHMWPE的成型加工
1．成型特性
虽然UHMWPE 是热塑性塑料，具有许多优良性能，但由于其相对分子质量极高，分子链之间的缠绕多，以及分子间力的影响，庞大体积庞大的链段在加热下运动相当困难，熔体特性和一般热塑性塑料截然不同，给成型加工带来很大困难。其主要成型特性如下所述。
（1）物料熔融时黏度极高，不成黏流态而呈凝胶弹性体。与一般热塑性塑料相比，流动性极差，熔融指数几乎为0，因而不能采用通常热塑性塑料加工的方法直接挤出或注射成型；
（2）UHMWPE 的临界剪切速率极低。在挤出成型时，易出现熔体破裂而产生裂纹现象；在进行注射成型时，由于出现喷射流状态会引起气孔和脱层现象。
（3）UHMWPE 的摩擦系数极低，使粉料在进料过程中极易打滑，不易进料。
（4）成型温度范围窄，易氧化降解。所以只能采用效率低、能耗大的成型工艺进行加工，生产的制品形状比较简单，使得UHMWPE 的应用受到极大限制。
2．成型技术
目前，UHMWPE 的加工方法主要有凝胶纺丝、压制—烧结、柱塞式挤出、螺杆式挤出及注射成型等。
（1）凝胶纺丝法
将UHMWPE 以一定的浓度溶于适当的溶剂中，减小聚合物分子链的缠结，通过冷却—除溶剂，制得UHMWPE 凝胶。因分子链内(间) 的缠结较小，可以进行超高倍拉伸。
凝胶纺丝不受UHMWPE 分子量大小的限制，是获得高强高模UHMWPE 纤维及薄膜的重要方法。但因涉及到溶剂的大量使用和回收，生产成本较高。同时因它需要拉伸，所以只能生产至少在某一维方向上是小尺寸的制品。
（2）压制－烧结法
压制－烧结成型是加工UHMWPE 的主要方法。它是将树脂装在模具中，用加热加压的方法制成一定形状的塑料制品。Truss 等的研究表明：压制－烧结成型UHMWPE 的性能与冷却速度密切相关。
压制－烧结法生产UHMWPE 制品不受分子量大小的限制，产品纯度及表面光洁度较高，适宜于小批量的生产。但生产效率低，成本较高。
（3）柱塞式挤出法
由于UHMWPE 熔体粘度高，易热降解，粘附性差和摩擦系数低等特点，一般需要用专用的柱塞式挤出机或经特殊设计的螺杆挤出机进行挤出加工。柱塞式挤出UHMWPE 起源于美国，其特点是成型压力很高，成型工艺复杂，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实现了UHMWPE 的注射成型，1976年注射制
品实现了商业化。高压高速注射UHMWPE 时产生极大的剪切作用，一方面会改善熔体的流动性，提高可加工性，但另一方面，可能会加速树脂的氧化、降解作用而影响其机械性能。UHMWPE 的注射成型对注塑机要求高、注塑压力大，效率低且成本高。
（5）螺杆式挤出
UHMWPE 的分子链很长，大分子链间的无规缠结使其对热运动反应迟钝，当加热至熔点以上时，熔体呈现出橡胶状的高粘弹性，流动性极差，熔融指数几乎为0，因而不能采用通常热塑性塑料加工的方法直接挤出。
本课题想通过双螺杆挤出机实现连续挤出成型UHMWPE 制品，因此在研究螺杆挤出工艺时，主要从挤出机结构(螺杆、料筒及机头等) 、加工物料的配方优化(加入能提高其加工性能的其它组分) 及加工工艺进行改进，从而改善其加工性，提高制品性能。
1.2.3 UHMWPE的应用及市场前景
UHMWPE 在工业上的应用，从1960年利用其优异的耐冲击性制造机械零件以来，已有20余年的历史[14]。
（1）设备衬里：利用其自润滑性和耐磨性；
（2）食品机械：利用其食品卫生、自润滑性，耐磨性，消音性；
（3）建筑、农业机械：利用其自润滑性，耐磨性，耐冲击性；
（4）纺织机械：利用其耐冲击性；
（5）化工机械：利用其耐磨性，耐化学药品性；
（6）体育用品：利用其自润滑性，耐磨性，耐寒性。
此外，由于UHMWPE 具有优异的生理惰性，最近美国已批准其在食品，医疗，仿生材料等领域内使用[15]。由此可见，UHMWPE 具有很大的市场前景。
1.3 超声波振动对聚合物挤出过程及制品结构性能的影响
挤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。而将物理场直接作用于熔融聚合物是一种十分有效的强化成型技术，其最直接的办法是在挤出模头上施加机械振动和超声波振动[16]。低频机械振动相比，借助于在平行或垂直于流动方向上叠加高频超声波，易于在熔融聚合物中作剧烈振动，从而影响聚合物成型过程及制品性能。
1. 聚合物产量提高
施加超声振动后聚合物产量得到提高。Panov [17]等将17.5 kHz~23.5 kHz 的超声波
施加于圆形流道的机头，可使挤出机挤出的LDPE 和HDPE 产量提高30%~50%。
2. 挤出压力降低
施加超声振动后，熔体挤出压力降低。Fridman [18]等首先观察到挤出时聚合物熔体中的空化现象，在通过毛细管挤出HDPE 时，加入的超声波减少了流动阻力，减小了挤出压力。
3. 熔体黏度降低
施加超声振动后熔体黏度得到降低，Isayev [19]等人发现：CaCO 3（质量分数为47%）填充的PP 料比纯PP 料在相同的剪切速率下，施加超声波时动态黏度降低更大，在加入声频振动时可以观察到分子量和黏度的永久性降低。
4. 挤出膨胀比减小
5. 聚合物结晶形态发生演变
Lemelson [20]在口模或模腔壁面处叠加超声振动，他指出，在注射过程中施加超声振动有助于单晶结构组织的形成，熔体在半熔融状态下或在晶体结构形成之前施加超声振动可以改变晶体的结晶取向、影响晶体的生长速度并且可以形成比较统一的晶体结构。Pendleton [21]发现施加超声振动后制品晶体的有序性增强。
6. 制品的力学性能发生不同变化
超声波加入聚合物成型过程后，对制品力学性能的影响，从现有文献来看有不完全一致的结果。例如，在不同研究者的实验结果中，拉伸性能、冲击强度等发生的变化趋势不同。有关结果还待于进一步系统深入的分析研究[22]。
总之，超声振动可以提高聚合物的产量、降低挤出压力、降低熔体的表观黏度、减小挤出膨胀比、影响制品的力学性能、增强共混物相容性并且可以影响聚合物的结晶形态。
1.4 超声波辅助成型的发展前景
综上所述，聚合物加工过程中引入超声波场致作用是一项很有发展前景的新型成型、改性技术。超声波的引入给聚合物的成型加工领域注入了新的活力, 为聚合物成型加工开辟了新的途径, 使一些高粘度聚合物的注射、挤出加工成为可能, 进一步满足了工业生产和人们生活的需要, 同时也降低了成型加工对设备的要求, 降低了成型加工的成本, 提高了经济效应，并且超声波场致作用在控制聚合物的结晶和取向，改善聚合物的相容性，解决纳米粉体在聚合物中的团聚现象、提高纳米聚合物中纳米粉体的分散性
方面有其独特作用。随着超声技术的不断发展以及人们对超声作用认识的逐渐深入，超声波场致作用在聚合物加工、改性及改善现有成型、改性设备，提高制件性能方面发挥越来越大的作用。在不久的将来, 它将推动聚合物成型加工设备的更新换代, 并产生巨大的经济效应和社会效应, 再加上它绿色环保，超声波必定在聚合物成型加工领域具有极为广阔的前景[23]。
1.5 本课题研究的目的和意义
本课题主要研究的目的是：在超高分子量聚乙烯挤出成型过程中，通过加入聚丙烯
并且施加超声波振动后，UHMWPE 熔体黏度的变化，挤出速率的改变，以及成型后制品力学性能的改变与共混物中聚丙烯的含量，超声波功率大小之间的关系。
超高分子量聚乙烯是一种线型结构的热塑性工程塑料，具有106以上的极大分子量, 与其它许多聚合物材料相比，具有摩擦系数小、磨耗低、自润滑、耐化学药品性、耐冲击、耐压性、抗冻性、耐应力开裂性、卫生性等优良特性。但由于UHMWPE 的分子量大、分子链间缠绕多，在熔融时呈凝胶态弹性体，粘度大，熔融指数几乎为0，流动性能极差，临界剪切速率很低，给成型加工带来很大困难。对于要求UHMWPE 挤出成型的塑件，便不能采用通常热塑性塑料加工的方法直接挤成型。超声波作为一种方便、迅速、有效、安全的技术，大大优于传统的搅拌、外加热等热力学手段, 受到人们广泛的关注和重视，通过查阅资料发现，在聚合物挤出成型过程中，加入聚丙烯并施加超声振动后，熔体挤出压力降低，熔体黏度得到降低，挤出膨胀比减小，制品晶体的有序性增强，所以通过超声波辅助挤出成型UHMWPE 的研究, 对熔体降黏，提高生产效率，提升材料的机械性能有重要的意义。
2 实验部分
2．1实验原理
1．超声波作用机理
超声波在聚合物加工中的应用主要是应用超声的降粘作用, 降低聚合物熔体的流变性能, 以改善制品性能及降低成型加工条件和生产成本。而超声降粘作用是能量场作用、高频剪切振动和射流的力场作用以及小分子的增塑作用的结果
（1）在挤出成型加工中, 振动力场作用于聚合物熔体, 其作用机理是在主剪切流动上叠加了一个附加的交变应力, 使物料的状态由组合应力决定。当超声波作用于聚合物熔体时, 熔体媒质吸收声波能量, 使分子在其平衡位置的振动加剧, 从而使分子链段运动的能量增加, 使分子链段的活动性增强，这样挤出过程中的质量平衡、动量平衡、能量平衡关系都发生了变化；振动强化了聚合物在加工中的物理和化学变化过程, 改变了聚合物熔体的流变状态；同时, 周期性的脉动剪切力产生大量的耗散热, 导致聚合物熔体的粘度降低。
（2）根据自由体积理论, 高分子链的运动是通过链段的运动和扩散而逐步达到整体运动, 就象蚯蚓那样蠕动前进。UHMWPE 的分子链很长, 在熔体内部形成一种拟网状的缠结结构, 缠结结点之间构成空穴。当引入振动力场时, 一方面, 振动增加了高分子链之间的相互剪切摩擦, 产生大量的耗散热, 增加了高分子的热运动能, 空穴也增加和胀大, 分子间的相互作用力减小, 导致高分子链蠕动的增强; 另一方面, 振动不断对聚合物熔体进行挤压和释放, 增加了分子取向, 分子间的空穴增大, 分子链重心偏移, 也降低了分子间的相互作用力, 从而使聚合物熔体的流动性增加。由于振动力场的作用, 在加工过程中, 形成的局部压力场和速度场是脉动的, 高分子链及其链段表现为瞬时冲量负压扩散行为。振动力场的存在, 加速和加强了高分子链段的扩散和运动, 减小高分子链及链段之间的相互缠结, 使高分子解缠、取向容易；周期性脉动剪切力产生大量的耗散热, 宏观上表现为聚合物熔体的粘度减小, 熔体的流动性增加, 流率增大; 同时, 振动力场也使聚合物熔体的弹性减小, 制品的物理机械性能得以提高。
2．聚丙烯降黏机理
聚丙烯与聚乙烯的结构相似但不相同，属于不相容体系，聚丙烯分布于超高分子量聚乙烯初、次级微粒间，破坏了超高分子量聚乙烯的链缠结网络，起到了对界面层分子
解缠结的作用，使超高分子量聚乙烯的链缠结密度降低，在加工过程中，熔融的聚丙烯在超高分子量聚乙烯的晶区间同时起到微相润滑的作用，因而显著改善了纯超高分子量聚乙烯的加工性能；并且聚丙烯的屈服强度和杨氏模量比纯超高分子量聚乙烯的高很多，根据线性叠加原理，超高分子量聚乙烯的屈服强度和杨氏模量会随着共混物中聚丙烯的加入而增大，所以聚丙烯的加入既起到降黏作用又改善了材料的力学性能。 2．2实验装置与工艺流程 2．2．1超声挤出设备
超声辐射—挤出加工实验装置由同向旋转双螺杆挤出机和超声发生器组成，双螺杆挤出机的模头为平缝模头，口模的长、宽、高、分别为40mm 、30mm 、3mm ，并装有可连续测量挤出口模压力的高温熔体压力传感器；超声波频率19.8KHz, 功率0～300W 可调，超声波振动方向与熔体流出方向垂直（图 2-1）。
图 2-1 超声波辅助挤出成型装置示意图
1，挤出机； 2，超声波发生器；3，压电换能器； 4，口模； ５，电加热板； 6，熔体； P，压力传感器； T，热电偶。
同向双螺杆挤出机由于两螺杆啮合在一起具有自洁功能，能将物料强制推进，具有轴向强制输送物料作用，能防止物料在螺杆中打滑，在塑化段将物料压实成为熔体连续啮合推进，在计量段将物料输送至模具，从而可实现连续进料，不会形成料塞，不需要在料筒上开槽，且塑化混炼效果很好，是超高分子量聚乙烯挤出成型的理想设备。
2．2．2实验工艺流程
图 2-2 UHMWPE 挤出成型工艺流程图
2．3实验原料及仪器
本课题用到的实验原料及仪器见表2-1和表2-2
表2-1 实验原料
原料名称 超高分子量聚
乙烯 聚丙烯
简称 UHMWPE
规格 粒径≥400目
生产厂家 上海化工研究院 中国石油天然气股份有限公司大庆石化分
公司
PP
T30S
表2-2 实验仪器
实验仪器 同向双螺杆配混挤
出机 高速混合机 超声波发生器 材料万能 制样机 冲片机 悬臂梁冲击 试验机
新三思微机控制电子万能（拉力）实
验机 镀铬游标卡尺
仪器型号 TE20 GH —10A ZJS —2000型 ZHY —W 型 XYJ —I 型 XJU —22J 型
生产公司
科倍隆科亚（南京）机械
有限公司 河北承德实验机厂 杭州成功超声设备有限公
司
河北承德实验机厂 承德市金建检测仪器有限
公司
河北承德实验机厂 深圳市新三思材料检测有
限公司 浙江春光量具厂
SL —10000型 最小刻度0.02mm
2．4实验工艺条件
UHMWPE 熔融温度：137℃ UHMWPE 分解温度：270℃以上
表2-3 实验工艺条件设定范围
工艺参数 料桶温度/℃ 机头温度/℃ 口模温度/℃ 螺杆转速/ Hz 超声波强度/W
设定范围 215 170～230 195 5～9 0～300
2．5实验内容和研究方法
本课题研究的内容是：考察在超高分子量聚乙烯挤出成型过程中，加入聚丙烯并且施加超声波振动对成型过程和材料力学性能的影响，主要包括以下方面：
1．超声波功率对挤出物性能的影响
a 研究超声波功率对聚合物体系表观黏度的影响： 考察因素：（1）剪切速率
（2）挤出温度 （3）超声波功率
b 研究超声波功率对挤出制品力学性能的影响： 考察因素：（1）剪切速率
（2）挤出温度 （3）超声波功率
2．熔体挤出流变行为的研究
测定在不同挤出温度、螺杆转速、超声波功率、等条件下的口模压力，在固定时间内对挤出物取样并称重，计算熔体的质量流量。以此来计算不同条件下熔体表观粘度。
3．性能测试
力学性能测试：拉伸、冲击性能测试； 流变性能测试：熔体表观粘度测试。 本课题研究的方法：
一、实验前的原料准备
由于UHMWPE 的分子量大，分子链间缠绕多，粘度大，流动性能极差，为了实现UHMWPE 的连续挤出，首先在UHMWPE 中加入一定量的PP 进行降粘，PP 与UHMWPE 分别以20：80、30：70、10：90的配比在高速混合机中共混；UHMWPE 的吸水率非常小，因此在成型加工前不必进行干燥处理。
二、同向旋转双螺杆挤出机挤出成型
1 预热，保证料桶内物料全部熔融；到达预定温度后，在设定的UHMWPE 成型温度范围（170℃～230℃）内调节机头温度，不施加超声波振动开始挤出。
2 当熔体流动稳定时，记一分钟流量，然后每隔20cm 取一个样条，一个挤出温度下取五组。
3 样条经裁样、性能测试后确定出UHMWPE 的最佳挤出温度，然后施加超声波振动并调节挤出机的挤出频率进行挤出成型，在0～300W 的范围内改变超声波的强度，同时记录相对应的一分钟流量、口模压力降。每组超声波强度下取样方法与第二步相同。 三、力学性能测试
1挤出样条分别在万能试样机和冲片机上裁成悬臂梁缺口冲击试样和哑铃型拉伸试样，然后进行性能测试。
2悬臂梁（缺口）冲击强度的测定按照GB/T 1843—1996进行；拉伸强度和断裂伸长率的测定按照GB/T 1040—1992进行，拉伸速率为50 mm/min实验温度25 ℃。记录实验数据。 2．6实验性能表征
1．熔体表观粘度按下式计算： 表观剪切应力：
τw =－△PH/2L （2-1）
式中 △P —口模压力差；
L 、H —板机头口模的长度和高度。
表观剪切速率：
γw = 6Q/WH2 （2-2） 式中 Q—熔体质量流量；
W —板机头口膜的宽度。
由此便可求得熔体的表观粘度：
ηa =τw /γw （2-3）
2．冲击强度按下式计算：
α=
Aκ-Aχ
（2-4） b
式中 α—冲击强度，J/m；
A k —刻度盘上读出的冲击消耗能，J ；
A
χ—能量损失修正值，J ；
b —试样厚度，m 。
3．拉伸强度按下式计算：
στ=
p
bd
式中στ—拉伸强度，MPa ；
p —最大负荷，N ；
b —试样宽度，mm ； d —试样厚度，mm 。
4．断裂伸长率按下式计算：
εL -L 0
τ=
L 0
式中 ετ——式中断裂伸长率，%；
L ——试样断裂时标线间距离，mm;
L 0——试样原始标距，mm 。
（2-5）
（2-6）
3 实验结果分析
3．1 超声辐射对UHMWPE/PP熔体挤出参数的影响 3．1．1 超声辐射对挤出速率的影响
1．PP 对UHMWPE/PP共混体系挤出速率的影响
由于UHMWPE 成型难度大，在施加超声辐射前，首先选用PP 作为流动改性剂，以免在UHMWPE 挤出过程中使螺杆堵塞。
挤出温度、螺杆转速一定，在不施加超声波辐射下，取一定时间内的挤出物称重，计算挤出速率（质量流量），数据如下所示：
表3-1 挤出频率为7 Hz时不同PP 含量下的质量流量 UHMWPE/PP 质量流量（g/min）
90:10 9.90
80:20 13.57
70:30 15.68
质量流量（g /m i n ）
PP 百分含量（%）
图 3-1 挤出频率为7 Hz时熔体质量流量随PP 含量的变化
图3-1表明，聚丙烯的加入能够显著改善超高分子量聚乙烯的流动性, 该熔体的流动速率几乎随聚丙烯含量的增加而线性增加。
纯超高分子量聚乙烯挤出时，由于分子量大，分子链之间缠绕多，熔体呈现橡胶态，流速很小, 当聚丙烯含量增加到30 wt％时，熔体的质量流量上升至15g/min。虽然超高分子量聚乙烯的熔点低于聚丙烯应该先熔，但熔融超高分子量聚乙烯仍不具有流动性，与固态相似，且具有不粘性，因而在物料-料桶间首先熔融而形成熔膜的应该是聚丙烯。
因超高分子量聚乙烯与聚丙烯相容性差，PP 熔体不能很快渗入UHMWPE 微粒的内部，而由熔膜流向有效螺腹形成熔池，对UHMWPE 固体产生很大推压力，使UHMWPE 固体更加密实，同时PP 熔膜包裹UHMWPE 固体向前移动，增大了物料与料桶之间的粘着力，降低了物料与螺杆间的摩擦力，使物料更好的塑化和输送。
在螺杆挤出UHMWPE/PP共混物时，与料筒接触的物料表层主要是PP ，芯层物料主要是UHMWPE ，而与螺杆接触的物料表层则是只含有少量PP 。这样就将螺杆对UHMWPE 的输送转变成对PP 的输送，解决了普通单螺杆挤出机挤出UHMWPE 时的打滑、料塞等问题，因而挤出效率显著提高。根据挤出成型的固体输送理论，物料与料筒表面的摩擦系数越高，与螺杆表面的摩擦系数越低，越有利于物料的输送。因PP 具有较高的摩擦系数，而UHMWPE 具有很小的摩擦系数且它具有不粘性，在进行挤出时， UHMWPE/PP共混物在料筒内的这种层状分布正好符合最优化物料输送条件。
2．改变挤出频率时超声辐射对挤出速率的影响
机头温度一定，改变挤出频率，测试熔体在不同超声波辐射强度下的质量流量，数据如表3-2所示：
表3-2 同一挤出频率时不同超声辐射强度下熔体的质量流量
超声波强度/ W
0 9.9 12.52
50 10.09 12.76 13.34 15.83 17.08
100 11.26 12.8 14.25 16.56 17.54
150 12.36 13.57 14.5 16.78 18.06
200 12.89 14.03 15.68 16.95 19.05
250 13.23 14.86 15.95 17.42 20.0
质量流量（g/min）
12.75 15.55 16.53
20
18
质量流量/g
16
14
12
10
超声波功率/W
图 3-2 同一挤出频率下质量流量随超声强度的变化
图3-2表明，随着超声波功率的增大，熔体的质量流量逐渐增大，在同一超声辐射强度下，挤出频率越大，质量流量越大。
因UHMWPE 具有极高的分子量，而且其分子链链段具有极好的柔软性，所以UHMWPE 分子链极易发生链缠结，熔融状态时几乎不流动。超声振动作用于聚合物熔体时，熔体媒质吸声波能量，使分子在其平衡位置的振动加剧，从而增加了分子链运动的能量，使分子链的活动性增强，使熔体易于流动。辐射功率越高，作用时间越长，分子链运动获得的能量就越大，熔体流动速率增加的程度也就越大。所以，超声辐射强度增大到250W 时，不同挤出频率下的熔体质量流量均达到最大值。
本实验中，剪切速率=挤出频率×12，随着挤出频率的增大，螺杆对熔体的剪切速率增大，产生“切力变稀”现象，使熔体更易流动，因此，挤出频率为9Hz 时的质量流量在不同超声辐射强度下均高于其他挤出频率时的质量流量。
3．改变机头温度时超声辐射对挤出速率的影响
挤出频率一定，改变机头温度，测试熔体在不同超声波辐射强度下的质量流量，数据如表3-3所示：
表3-3同一挤出温度时不同超声辐射强度下熔体的质量流量
超声波强度（ W ）
质量流量（g/min）
0 10.90 11.55 11.75 12.33
50 12.18 12.95 13.34 13.78
100 12.85 13.10 14.25 14.45
150 13.21 13.20 14.50 14.65
200 13.55 13.85 15.68 16.50
图 3-3表明，熔体的质量流量随着超声波辐射功率的增大而增大，在同一超声辐射强度下，机头温度越高，熔体的质量流量越大。
在UHMWPE 挤出过程中，由于振动力场的存在, 加速和加强了高分子链段的扩散和运动, 减小高分子链及链段之间的相互缠结, 使高分子解缠、取向容易；周期性脉动剪切力产生大量的耗散热, 宏观上表现为聚合物熔体的粘度减小, 熔体的流动性增加, 流率增大；随着机头温度的升高，分子链的运动性增强，分子间的距离增大，分子间的摩擦力减小，流动阻力减小，流量质量增大。如图所示，超声辐射强度在0～150W 之间时，对熔体质量流量的影响趋势与无超声辐射仅由温度对熔体质量流量的影响趋势大体一致，当超声辐射强度大于150W 时，经超声辐射的熔体质量流量增大程度远大于仅由温度升高引起熔体质量流量增大的程度，此现象说明，当超声辐射强度增大到一定程度时，
质量流量/g
超声波功率/W
图 3-3 同一机头温度下质量流量随超声强度的变化
3．1．2超声辐射对口模温度的影响
挤出温度一定，在不同挤出频率下，观察口模温度随超声波辐射强度的变化，口
△P /℃
超声波功率/W
图 3-4（a ）改变挤出频率时超声辐射对口模温度的影响
挤出频率一定，在不同挤出温度下，观察口模温度随超声波辐射强度的变化，口模 温度的变化与超声辐射强度之间的关系如图 3-4（b ）所示。
△T /℃
超声波功率/W
图 3-4 (b) 改变机头温度时超声辐射对口模温度的影响
在实验中发现，将超声振动应力场引入到UHMWPE/PP的挤出加工过程中，挤出机的口模温度随着超声辐射强度的增大而升高，如图3-4所示，随超声功率的增加，口模温
度增值大幅度上升。当螺杆转速为6rpm ，超声功率250w 时，口模温度可升高10℃ (图3-4-a ) 。
在超声波作用下，熔体分子将在其平衡位置附近振动，振动增加了高分子链之间的相互剪切摩擦, 产生大量的耗散热, 使口模温度上升，且口模在超声振动过程中吸收一部分声能，并把它转换成热能使其自身获得一定温升。超声功率越大，分子振动越剧烈，分子链间的剪切摩擦生热越大，挤出体系温升程度也越大。
在图 3-4（a ）中，无超声辐射时，不同挤出频率下的口模温度几乎不变，说明在挤出加工过程中，口模温度的上升主要是超声波所致。当施加超声辐射时，在同一超声波功率下，挤出频率越小，口模温度的增值越大，这主要是因为挤出速率越低，熔体受超声辐射时间越长，升温越明显。 3．1．3超声辐射对口模压力的影响
本实验中所用高温熔体压力传感器为两线输出，分别测试口模的前端和后端，即压力2和压力1。
控制口模温度为210℃左右, 测定在不同转速，不同超声辐射强度作用下UHMWPE/PP体系的挤出口模压力，其变化如图 3-5（a ）所示；控制挤出频率为7Hz, 测定在不同挤出温度，不同超声辐射强度作用下UHMWPE/PP体系的挤出口模压力，其变化如
压力1/M P a
压力2/M P a
超声波功率/W
超声波功率/W
图 3-5（a ）改变挤出频率时口模压力随超声辐射强度的变化
压力1/M P a
压力2/M P a
超 声 波功 率/W
超 声 波功 率/W
图 3-5（b ）改变机头温度时口模压力随超声辐射强度的变化
实验结果表明，超声波辐射能够明显降低挤出时的口模压力，且在同一挤出频率或机头温度下，超声功率越高，压力下降越大。这是由于：
1. 在宏观上，超声波影响流体的入口收敛流动，扰乱、改变入口流动的流型，减小了分子链沿流线敛集方向取向的程度和机会，减小了弹性损耗，从而降低了入口压力。
2. 在微观上，超声波对聚合物熔体粘弹行为产生影响。被超声活化的聚合物链产生形变所消耗的能量减小；分子链之间的相互作用减弱，流动过程中引起的粘性损耗减少。
二者的综合作用使入口压力降大幅降低。在UHMWPE/PP的挤出加工过程中，熔体在口模入口处的超声作用区受到超声作用后分子链活动能力增强，分子链之间的缠结作用及内聚力大大减弱；入口流动引起的可恢复弹性形变减小，并且形变松弛速度加快。 超声振动使聚合物挤出过程中的入口压力降，在平缝口模中流动时由粘性损耗引起的压力降及出口压力均降低，因此测量时所得的压力（口模压力）△P 在超声作用下大幅度降低。
3．1．4超声辐射对熔体表观黏度的影响
1． 改变机头温度时超声辐射对熔体表观黏度的影响
挤出频率一定（7Hz ），测定不同挤出温度，不同超声辐射强度下，UHMWPE/PP体系熔体的表观黏度，如表3-4所示。
表3-4同一挤出频率不同超声波辐射强度下熔体的表观黏度
超声波强度/ W
熔体表观黏度 /106/Pa. s
0 0.58521 0.56542 0.54392 0.42923
100 0.51747 0.51016 0.50893 0.4133
150 0.4964 0.45452 0.42099 0.40795
200 0.47138 0.46023 0.39802 0.39414
250 0.44834 0.44912 0.38259 0.37183
0.600.580.56
熔体表观黏度（106/P a . s ）
0.540.520.500.480.460.440.420.400.380.36
超声波功率(Hz )
图 3-6同一挤出频率下熔体表观黏度随超声波功率大小的变化
图 3-6表明，熔体的表观黏度在超声波辐射下，随着超声波功率的增大而逐渐降低，在相同的超声波功率之下，挤出温度较高时的熔体表观黏度均大于较低挤出温度时熔体的表观黏度。这是因为，一方面随着机头温度升高，高分子链运动加剧，分子间距离增大，使得熔体黏度下降，另一方面超声波振动时超声射流产生的强烈的冲击作用使分子间的作用力减弱，增大了熔体的自由体积，加强了大分子链段的扩散和运动，有利于大分子链解缠结，熔体表观粘度降低。
2 改变时挤出频率时超声辐射对熔体表观黏度的影响
挤出温度一定（210℃左右），测定不同挤出频率，不同超声辐射强度下，UHMWPE/PP体系熔体的表观黏度，如表3-5所示。
表3-5同一挤出温度不同超声波辐射强度下熔体的表观黏度
超声波强度/ W
熔体表观黏度 /106/Pa. s
0 0.56761 0.50948 0.49117 0.42486 0.39285
50 0.53435 0.50796 0.46769 0.41236 0.38965
100 0.48557 0.43901 0.42099 0.38519 0.38099
150 0.43621 0.40851 0.39802 0.38221 0.37002
200 0.4006 0.39511 0.38259 0.36737 0.35079
250 0.39569 0.38326 0.37893 0.3531 0.33033
0.600.580.560.540.520.500.480.460.440.420.400.380.360.340.32
粘度106（P a . s ）
超声波功率（W）
图 3-7同一挤出温度下熔体表观黏度随超声波功率大小的变化
熔体的表观黏度随着超声波功率的增大而降低，在同一超声功率下，挤出频率越大，熔体的表观黏度越低，如图3-7所示。
如图所示，超声功率低于100W 时，不同挤出频率下的表观黏度之间差值较大，但超声功率高于100W 时这种差值迅速减小，这是由于在UHMWPE/PP挤出过程中，超声辐射产生的高频振动力场平行叠加于熔体的稳态剪切流动，使分子链之间的缠结减少，链段跃迁所受的束缚降低，降低了熔体的流动阻力。而这种超声辐照高频振动力场与稳态剪切流场的叠加使剪切作用增强，可以提高分子链段沿流动方向跃迁的几率，使分子链的重心更有效地发生位移。因此，在叠加超声振动的情况下，UHMWPE/PP熔体粘度
对剪切力场的依赖性减小，需要从剪切力场获取的能量降低。超声功率越大，熔体流动需要从剪切力场获得的能量越小，熔体粘度对剪切速率的敏感性越低。
总之，超声辐射对聚合物熔体流变性能的作用机理可以从两方面分析：
（1）宏观上看，纵向振动场叠加于同向剪切流动场，相当于在稳态剪切流动的熔体上施加一个脉冲推动力，促进熔体更加积极地整体沿流动方向运动。
（2）微观上看，超声波对聚合物分子链的作用分为物理作用和化学作用：a. 熔体媒质吸声波能量，使分子链的活动性增强，单个分子链或分子链段的运动自由度和运动能量增加，大部分分子链的构象发生变化，变得更加无规和自由。b. 超声空化引起的热点效应、冲击波和射流作用使熔体的分子量降低，分子量分布发生变化。这些综合效果使熔体粘度降低，加工流动性变好。 3．1．5 本章小结
1．一定量PP 的加入，能有效改善双螺杆挤出机对UHMWPE 的物料输送和熔融塑化，显著改善了UHMWPE 的流动性，实现了UHMWPE 在双螺杆挤出机中的连续挤出成型。
2．熔体的质量流量随着超声波功率的增大而增大，在同一超声波功率下，机头温度越高、挤出频率越大，熔体的质量流量越大。
3．将超声振动应力场引入到UHMWPE/PP的挤出加工过程中，挤出机的口模温度随着超声波功率的增大而升高，口模温度的升高，降低了挤出加工过程中的能耗。 4．超声辐射能明显降低口模压力，且超声功率越高，压力下降越大。口模压力的下降，意味着在相同的口模压力下，可以提高挤出机转速，使挤出产量增加。
5．在UHMWPE 的挤出过程中施加超声辐照会显著降低熔体的表观粘度。辐照功率越大，熔体表观粘度越低；熔体在挤出口模中停留的时间越长，受辐照作用的时间越长，熔体表观粘度降低的程度越大。
3．2 超声辐射对UHMWPE/PP力学性能的影响 3．2．1 PP对UHMWPE/PP共混体系力学性能的影响
挤出频率为7Hz ，挤出温度控制在210℃左右，超声波功率定在200W ，测试UHMWPE/PP分别为80：20、70：30、90：10时的力学性能，见表3-6。
表3-6不同PP 含量下UHMWPE/PP的力学性能
力学性能 拉伸强度(MPa) 悬臂梁缺口冲击强度(kJ/m2) 断裂伸长率(%)
纯UHMWPE
23.0 84.4
80：20 27.5 98.4
UHMWPE/PP 70：30 25.8 86.5
90：10 24.6 85.2
412.5 324.8 276.3 408.6
表3-6说明，适量的PP 加入到UHMWPE 中，可提高UHMWPE 的力学性能。如表所示， UHMWPE 的拉伸强度随聚丙烯的加入得到改善, 当PP 的含量为20%时，拉伸强度从纯UHMWPE 时的23.0 MPa增加到27.5MPa , 达到最大值；共混物的冲击强度从纯UHMWPE 时的84.4 kJ/m 2增加到98.4kJ/m 2，这主要是由于本实验所用PP 本身具有较高的力学强度，在超声辐射作用下，PP 以微小相更加均匀的分布于UHMWPE 机体中，改善了两相的相容性，起到了较好增强的作用。断裂伸长率随着PP 的加入而降低，当PP 的含量增加时，材料仍具有很高的抗冲击性能。随着PP 含量进一步的增加，拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度呈下降趋势，这可能是由于PP 含量较高，由于UHMWPE 本身特有的超长分子链和极高的熔体粘度，熔融流动性能极差，均匀共混的难度也相应增大，导致共混效果不佳，两相之间存在界面，加入填料均形成应力集中点，容易产生裂纹，使材料的缺陷增加，导致样条的力学性能下降。
3．2．2 超声辐射对UHMWPE/PP拉伸强度的影响
1．改变挤出频率时超声辐射对拉伸强度的影响
拉伸强度亦称屈服强度，是材料抵抗拉伸变形和破坏能力的量度。挤出温度控制在210℃左右，改变挤出频率，测试不同超声波功率下UHMWPE/PP的拉伸强度，数值如表3-7所示。
表3-7 改变挤出频率时的拉伸强度
超声波强度/ W
拉伸强度/ MPa
0 25.48 25.06 24.43 24.81 24.34
50 25.44 25.12 24.60 24.8 24.58
100 25.75 25.20 25.88 24.64 24.64 150 26.42 25.45 26.06 24.84 25.38
200 28.19 25.78 26.5 25.54 25.86
250 27.38 25.54 25.44 24.99 25.54
拉伸 强度（M P a ）
超 声波 功 率（W）
图3-8 挤出温度不变时拉伸强度随超声波功率的变化
当超声波功率低于200W 时，拉伸强度随着超声波功率的增大而增强，但超声波功率超过200W 时，拉伸强度随着超声波功率的增大而急剧降低，在同一超声波功率下，基本呈现出低剪切速率下的拉伸强度较大，如图3-8所示。
当挤出速率为5Hz 时，UHMWPE/PP的拉伸强度在不同超声功率下均大于其他频率下的拉伸强度，这主要是由于挤出频率小时，熔体的流速慢，熔体在在口模中停留的时间较长，受超声辐射的时间较长，在超声振动下，物料的分散效果进一步改善，熔体中
大分子的取向发生也发生变化。随着挤出频率的增加，熔体流动速率增大，UHMWPE/PP受超声辐射的时间变短，导致PP 不能与基体UHMWPE 更好的相互扩散，使得塑化效果不好，影响了共混物的拉伸强度，而且UHMWPE 分子链极长，在高剪切条件下易发生分子链断裂而影响性能，这也是拉伸强度下降的原因之一。但在低挤出速率下，在较强的辐射强度和和较长的作用时间下，大分子降解和解缠结现象严重，也会使得拉伸强度下降。
2．改变机头温度时超声辐射对拉伸强度的影响
挤出频率控制在7 Hz ，改变挤出温度，测试不同超声波功率下UHMWPE/PP的拉伸强度，数值如表3-9所示。
表3-9改变机头温度时的拉伸强度
超声波强度/ W
0 24.88
50 26.26 25.07 24.33 26.26
100 27.53 25.4 26.46 26.61
150 27.82 26.27 26.5 26.24
200 28.13 27.2 27 26.34
250 27.99 26.68 26.31 26.18
拉伸强度/ MPa
23.40 24.43 25.82
28.528.027.527.0
拉伸强度（M P a ）
26.526.025.525.024.524.023.523.0
超声波功率（W）
图3-9 挤出频率不变时拉伸强度随超声波功率的变化
图3-9表明，在同一挤出温度下，UHMWPE/PP的拉伸强度在超声功率低于200W 时总体呈上升趋势，超声功率高于200W 时，拉伸强度明显下降；当超声功率较低时，
在同一超声功率下挤出温度较高时的拉伸强度较大，如图所示，超声功率在0～50W 时挤出温度为230℃时的拉伸强度最大，当超声功率较高时，在同一超声功率下挤出温度较低时的拉伸强度较大，如图所示，超声功率高于50W 时，挤出温度为170℃时的拉伸强度最大，而且在拉伸强度整体下降区域也高于其他挤出温度下的拉伸强度。当超声功率为200W 时，超声辐射对熔体的作用与温度对熔体的作用达到“协同”，拉伸强度达到最大值。
3．2．3 超声辐射对UHMWPE/PP冲击强度的影响 1．改变挤出频率时超声辐射对冲击强度的影响
挤出温度控制在210℃，改变挤出频率，得到UHMWPE/PP的冲击强度随超声功率的变化如图4-3所示。
冲击强度k J /m 2
超声波功率(W )
图3-10改变挤出频率时冲击强度随超声波功率的变化
由图可知，在挤出口模处施加适宜的超声振动，使UHMWPE/PP的缺口冲击强度有所增加。如图3-10所示，当超声功率低于200W 时，冲击强度随着超声功率的增大而提高，在同一超声功率下，挤出频率为7Hz 时的冲击强度较大；当超声功率超过200W 时，冲击强度明显下降，挤出频率为5Hz 时的冲击强度下降幅度最大，这是因为低的挤出速率意味着更长的超声波辐射时间，在较强的辐射强度和和较长的作用时间下，大分子降解和解缠结现象严重，严重影响了UHMWPE/PP的力学性能。 2．改变机头温度时超声辐射对冲击强度的影响
挤出频率控制在7Hz ，改变挤出温度，得到UHMWPE/PP的冲击强度随超声功率的变化如图3-11所示。
图3-11表明，当超声功率低于200W 时，冲击强度随着超声功率的增大明显提高，在同一超声功率下，挤出温度为210℃时的冲击性能较好；当超声功率超过200W 时，不同挤出温度下的抗冲击性能均大幅度下降。这是因为适当的超声振动使得PP 在UHMWPE 中分散更均匀，提高了二者的界面相容性，使得力学性能提高，但过大的超
0.0740.072
冲击强度（J ）×106
0.0700.0680.0660.0640.062
超声波功率（W）
图3-11改变挤出频率时冲击强度随超声波功率的变化
3．2．4 超声辐射对UHMWPE 断裂伸长率的影响
断裂伸长率是指由拉伸负荷使试样有效部分标线间距离的增量与原始标距之比的百分率。本实验采用哑铃型试样，原始标距为35mm 。 1．改变挤出频率时超声辐射对断裂伸长率的影响
[1**********]0
断裂伸长率/%
[***********]260240
超声波功率/W
图3-12改变挤出频率时断裂伸长率随超声波功率的变化
挤出温度控制在210℃，改变挤出频率，得到UHMWPE/PP的断裂伸长率随超声功率的变化如图3-12所示。
图3-12表明，当超声功率低于200W 时，断裂伸长率随着超声波功率的增大而提高，在同一超声功率下，挤出频率较低时的断裂伸长率较大，如图所示，挤出频率为5Hz 时均大于其他挤出频率在不同超声功率下的断裂伸长率；当超声功率超过200W 时，断裂伸长率随着超声功率的继续增大而明显减小。 2．改变挤出频率时超声辐射对断裂伸长率的影响
挤出频率控制在7Hz ，改变挤出温度，得到UHMWPE/PP的断裂伸长率随超声功率的变化如图3-13所示。
断裂伸长率/%
超声波功率/W
图3-13改变挤出温度时断裂伸长率随超声波功率的变化
从图4-6可以看出，当超声功率低于200W 时，断裂伸长率随着超声功率的增大而显著增大，在同一超声功率下，挤出温度较低时的断裂伸长率较好；当超声功率超过200W 时，断裂伸长率随着超声功率的增大明显降低。 3．2．5 本章小结
1．适量的PP 加入到UHMWPE 中，可提高UHMWPE 的力学性能，当PP 的含量为20%时，拉伸强度从纯UHMWPE 时的23.0 MPa增加到27.5MPa, 冲击强度从纯UHMWPE 时的84.4 kJ/m 2增加到98.4kJ/m 2。
2．当超声功率不超过200W 时，UHMWPE 的拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率随着超声功率的增大而显著提高，并且在较低的挤出频率，较高的成型温度下，这些力学性能相对更好。
3．当超声功率高于200W 时，UHMWPE 的拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率随着超声功率的继续增大而明显降低。因为在较强的辐射强度和和较长的作用时间下，大分子降解和解缠结现象严重，使材料的力学性能降低。
4 结论
（1）在UHMWPE 中加入适量的PP ，可显著提高UHMWPE 的加工流动性，首先在聚合物内部有效实现了UHMWPE 在双螺杆挤出机上的连续挤出成型；同时适量的PP 还可提高UHMWPE 的抗冲击性能和力学强度。
（2）在UHMWPE/PP的挤出过程中施加超声辐射会显著降低熔体的表观粘度。辐射功率越大，熔体表观粘度越低; 熔体在挤出口模中停留的时间越长，受辐照作用的时间越长，熔体表观粘度降低的程度越大。此外，辐照功率越高，熔体获得相同表观粘度所需口模温度越低。
（3）在UHMWPE/PP的挤出过程中，施加适当功率的超声辐射，能够显著提高UHMWPE 的拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率；若超声功率过大，会使熔体中大分子降解和解缠结现象严重，反而使材料的力学性能降低。
（4）在UHMWPE/PP的挤出过程中，超声辐射所提供的能量场作用、高频剪切振动和射流的力场作用以及小分子增塑作用，使分子间作用力减弱，链段活动性增强，链的缠结程度降低，从分子水平上改变了材料在加工过程中的流变性和粘弹性，有效地改善了UHMWPE 的加工性能。
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致谢
本实验是在刘亚青老师、付一政老师、罗佳师兄的悉心指导下完成的，从论文的选题、实验方案设计、实验中关键问题的解决到论文的撰写都凝聚着老师和师兄的大量心血。三个月来，老师和师兄毫无保留地将知识和经验传授给我，不仅对我知识的掌握和学术水平的提高有莫大帮助，也对我实际技能的提高、思维方式的开拓、分析问题、解决问题的能力的提高有极大的促进，我的每一点进步都离不开老师和师兄的教诲。在此向刘老师、付老师、罗师兄表示崇高的敬意和衷心的感谢。
此外，在整个实验的过程中，李迎春老师和柳学义老师以及各实验室的老师在实验操作和理论上也给予了我很大帮助，在此一并表示诚挚的谢意！
由于知识水平有限，错误和缺在所难免，敬请各位老师批评指正。
目录
1前言 ......................................................................................................................................... 1
1．1超声波简介 ............................................................................................................... 3
1．2超高分子量聚乙烯 ................................................................................................... 5
1.2.1 UHMWPE的性能 ............................................................................................ 5
1.2.2 UHMWPE的成型加工 .................................................................................... 6
1.2.3 UHMWPE的应用及市场前景 ........................................................................ 8
1.3超声波振动对聚合物挤出过程及制品结构性能的影响 .......................................... 8
1.4 超声波辅助成型的发展前景 ..................................................................................... 9
1.5 本课题研究的目的和意义 ..................................................................................... 10
2 实验部分 .............................................................................................................................. 11
2．1实验原理 ................................................................................................................. 11
2．2实验装置与工艺流程 ............................................................................................. 12
2．2．1超声挤出设备 ........................................................................................... 12
2．2．2实验工艺流程 ........................................................................................... 13
2．3实验原料及仪器 ..................................................................................................... 13
2．4实验工艺条件 ......................................................................................................... 14
2．5实验内容和研究方法 ............................................................................................. 14
2．6实验性能表征 ......................................................................................................... 15
3 实验结果分析 ...................................................................................................................... 17
3．1 超声辐射对UHMWPE/PP熔体挤出参数的影响 . .............................................. 17
3．1．1超声辐射对挤出速率的影响 ................................................................... 17
3．1．2超声辐射对口模温度的影响 ................................................................... 19
3．1．3超声辐射对口模压力的影响 ................................................................... 22
3．1．4超声辐射对熔体表观黏度的影响 ........................................................... 23
3．1．5 本章小结 .................................................................................................. 26
3．2 超声辐射对UHMWPE/PP力学性能的影响 . ...................................................... 27
3．2．1 PP对UHMWPE/PP共混体系力学性能的影响 .................................... 27
3．2．2超声辐射对UHMWPE/PP拉伸强度的影响 . ......................................... 27
3．2．3超声辐射对UHMWPE/PP冲击强度的影响 . ......................................... 28
3．2．4超声辐射对UHMWPE 断裂伸长率的影响 ........................................... 29
3．2．5本章小结 ................................................................................................... 33
4 结论 ...................................................................................................................................... 34
参考文献 .................................................................................................................................. 35
致谢 .......................................................................................................................................... 37
1前言
1．1超声波简介
1．超声波发展史
声学作为物理学的一个分支, 它是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。1893年Golton 发现了超声哨子, 此时建立了超声波领域。20世纪20年代,R·伍德证实了超声强化物理化学过程的可能性, 美国普林斯顿大学化学实验室发现超声波有加速化学反应的作用。但在1940年以前, 只有单晶压电材料, 这种技术存在许多缺点, 使得超声波未能得到广泛应用。后来随着压电材料的发展，大大地促进了超声波领域的发展。80年代中期, 由于功率超声设备的普及与应用, 超声波在化学中的应用研究迅速展开, 形成一门新兴的交叉学科—声化学。
大量的文献报道和许多实验结果表明：超声波不仅可以改善反应条件, 加快反应速度和提高反应产率, 还可以使一些难以进行的化学反应得以实现[1]。目前，超声波已广泛应用于化学(如分析化学、物理化学、聚合物化学、电化学、光化学、环境化学等) 、医学、食品工业、工业焊接、废水处理和材料的改性等方面。
2．超声波的特点
通常把频率为2×104Hz ～109Hz 的声波称为超声波，而声学全部频率为10-4Hz ～1014Hz ，所以超声波的整个频率范围相当宽，占据声学全部频率范围的1/2以上。超声波作为声波的一部分，遵循声波传播的基本规律[2]，但超声波具有与其它声波不同的一些突出特点：
（1）超声波由于频率可以很高，因而传播的方向性较强，设备的几何尺寸较小；
（2）超声波传播过程中，介质质点振动加速度非常大；
（3）在液体介质中，当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象[3]。由于这些突出的特点，超声波在各种领域中都有相当广泛的用途。
超声波可分为检测超声和功率超声[4]。当把超声波看成一种波动形式用于作为信息载体时，超声波就是一种检测工具，超声波传入介质后，设法接收其回波或透射波，从接收波的幅度、位相等变化来获取有关传声介质的信息[5]，同时，要求避免超声波可能对介质造成的影响或破坏，应尽量使用小振幅声波。当超声波作为一种能量形式用于影响或改变介质时，如使介质的状态、组分或结构等发生变化，常需使用大振幅的所谓功
率超声，功率超声就是利用超声振动能量来改变物质组织结构状态或加速这些改变的过程[6]。超声波发生器目前采用的分两大类：
（1）利用机械方法产生功率超声：有气动式和液动式[7]其结构简单、操作可靠、效率较高，但所产生的振动频率不超过104Hz ～105Hz ，且在多数情况下难以在流体中形成高强振动；
（2）利用机电效应产生超声波：将相应频率的电振荡转变为辐射器的机械振动，一般能产生高频率和高强度的超声波。
3．超声波的作用机制
（1）线性交变振动，超声波在介质中传播时，必然使介质粒子做交变振动，并引起介质中的应力或声压的周期性变化，从而引起一系列次级效应；
（2）大振幅振动在介质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处形成大的压强梯度，从而产生局部高温高压等一系列特殊效应[8]；
（3）振动的非线性会引起相互靠近的伯努利力和黏度的周期性变化而引起的直流平均黏滞力，这些直流力可说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应；
（4）空化作用，这是只能在流体介质中出现的一种重要的基本作用。在声场中，液体的气泡可能逐步生成和扩大，然后突然破裂，在这急速的气泡破裂过程中，气泡内出现高压高温，气泡附近的流体中形成局部强烈的激波，同时可产生一系列次级效应，如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等，在流体中进行的超声处理技术，很多都与空化作用有关[9]。
这些作用机制导致了以下五种效应：
（1）力学效应：具有搅拌作用, 分散作用, 去气作用, 成雾作用, 凝聚作用, 定向作用, 冲击破碎作用, 疲劳破坏作用等；
（2）热学效应：能够吸收引起的整体加热, 边界面处的局部加热, 形成激波时波前处的局部加热等；
（3）光学效应：能够引起光的衍射、折射、双折射, 声致发光等；
（4）电学效应：在压电、压磁材料中产生电场和磁场, 引起电子逸出和电化学效应等；
（5）化学效应：促进化学反应, 促进氧化还原, 促进高分子物质的聚合或解聚, 引起照相底片的感光, 引起声化学发光等。
4．超声波在高分子材料中的应用
（1）超声加工：早在20世纪六、七十年代前苏联有关专家曾以超声波为振动源，对辅助橡胶材料的挤出加工做了有益的尝试。研究发现，超声波辐射可以增大熔体的流动性，降低挤出压力，提高挤出产量，改善产品性能，与低频机械振动相比，超声波无噪音，在微米级的水平上便可以改变熔体的流变性和黏弹性，对改变制品性能更为有效。
（2）超声焊接：功率超声波在塑料焊接领域的应用始于20世纪六十年代末，从简单的带有手动杠杆加压的超声波设备到带有多个超声波探头和发生器的特种设备，超声波塑料焊接已取得了迅速的发展，超声塑料焊接的应用已涉及电子、汽车、照相、包装等多种行业。由于功率超声焊接具有清洁无污染、高效、快速和高自动化等优点，因此超声功率作为直接和间接手段在焊接领域中的应用前景是极其广泛的。尤其是在现代汽车工业发达的今天，一些造型复杂，尺寸很大的塑料制件难以用常规方法实现一次成型，超声波塑料焊接则为复杂构件的制备提供了一条简洁有效的途径。
（3）声化学：声化学是指利用功率超声波加速和控制化学反应，提高反应速率和引发新的化学反应的一门新兴的边缘交叉学科。在国内，徐僖等在聚合物超声降解和共聚反应领域进行了开创性研究。目前，对聚合物声化学的研究主要集中于溶液体系。
本课题是在超高分子量聚乙烯挤出成型过程中，施加功率超声（超声加工），研究其对挤出成型过程和制品性能的影响。
1．2超高分子量聚乙烯
超高分子量聚乙烯是一种线型结构的热塑性工程塑料，分子结构和普通高密度聚乙烯完全相同，但具有106以上的极大分子量[10]，因此具有一些独特的性能，如优异的耐磨性、自润滑性和耐冲击性等。
1.2.1 UHMWPE的性能
1．力学性能
（1）拉伸强度：随着分子量的增大和密度下降，拉伸屈服强度随之下降，但当密度为0.940或分子量超过1.5×106时，拉伸屈服强度的变化较小；而拉伸断裂强度仅与分子量有关，与拉伸屈服强度相反，随着分子量的增大相应有所提高。
（2）冲击强度：随分子量的增大，冲击强度随之提高，当分子量在（1~2）×106时达到最大值，若分子量再进一步增大，冲击强度反而有所下降[11]，并且UHMWPE 在低温下也能保持优异的冲击强度。UHMWPE 的冲击强度在整个工程塑料中名列前茅，以致于
用通常的悬臂梁冲击强度的测试方法难以使其破裂破坏。
（3）耐蠕变性：UHMWPE 比普通聚乙烯的耐蠕变性优良。
（4）耐磨损性：UHMWPE 的耐磨损性能居各种塑料之首，比碳钢、黄铜还耐磨数倍，并且随着分子量的增大其耐磨性还能进一步提高。
（5）自润滑性：UHMWPE 的动摩擦系数很低，故自润滑性能优异。UHMWPE 在无润滑剂存在时，与钢或黄铜的表面滑动不会发生发热黏着现象[12]。
2．热性能
UHMWPE 的耐热性较差，使用温度一般在100℃以下，但由于分子量大，热变形温度和维卡软化点都高于普通聚乙烯。但其耐低温性能优异，脆化温度在﹣80℃以下，在﹣40℃时仍有较高的冲击强度。
3．电性能
UHMWPE 与普通聚乙烯相同，分子链仅由C 、H 元素组成，具有优异的电气绝缘性能，但各项电性能与分子量的大小无关[13]。
4．耐化学药品性
由于UHMWPE 分子结构上没有双键和支链且结晶度高，除了氧化性酸溶液外，在一定温度和浓度范围内能耐多种酸、碱、盐类溶液的腐蚀；除萘溶剂之外它几乎不溶于任何有机溶剂，具有优良的耐化学药品性能
5．吸水率
UHMWPE 几乎不吸水，在水中也不膨胀。它的吸水率在工程塑料中是最小的，所以在成型加工前不必进行干燥处理。
6．卫生性 UHMWPE 卫生无毒，完全符合日本卫生协会的标准，并得到美国食品及药物行政管理局（FDA ）和美国农业部（USDA ）的同意，可用于接触食品和药物。
此外，UHMWPE 具有较低的密度、优异的耐疲劳性及耐γ-射线能力等性能。
1.2.2 UHMWPE的成型加工
1．成型特性
虽然UHMWPE 是热塑性塑料，具有许多优良性能，但由于其相对分子质量极高，分子链之间的缠绕多，以及分子间力的影响，庞大体积庞大的链段在加热下运动相当困难，熔体特性和一般热塑性塑料截然不同，给成型加工带来很大困难。其主要成型特性如下所述。
（1）物料熔融时黏度极高，不成黏流态而呈凝胶弹性体。与一般热塑性塑料相比，流动性极差，熔融指数几乎为0，因而不能采用通常热塑性塑料加工的方法直接挤出或注射成型；
（2）UHMWPE 的临界剪切速率极低。在挤出成型时，易出现熔体破裂而产生裂纹现象；在进行注射成型时，由于出现喷射流状态会引起气孔和脱层现象。
（3）UHMWPE 的摩擦系数极低，使粉料在进料过程中极易打滑，不易进料。
（4）成型温度范围窄，易氧化降解。所以只能采用效率低、能耗大的成型工艺进行加工，生产的制品形状比较简单，使得UHMWPE 的应用受到极大限制。
2．成型技术
目前，UHMWPE 的加工方法主要有凝胶纺丝、压制—烧结、柱塞式挤出、螺杆式挤出及注射成型等。
（1）凝胶纺丝法
将UHMWPE 以一定的浓度溶于适当的溶剂中，减小聚合物分子链的缠结，通过冷却—除溶剂，制得UHMWPE 凝胶。因分子链内(间) 的缠结较小，可以进行超高倍拉伸。
凝胶纺丝不受UHMWPE 分子量大小的限制，是获得高强高模UHMWPE 纤维及薄膜的重要方法。但因涉及到溶剂的大量使用和回收，生产成本较高。同时因它需要拉伸，所以只能生产至少在某一维方向上是小尺寸的制品。
（2）压制－烧结法
压制－烧结成型是加工UHMWPE 的主要方法。它是将树脂装在模具中，用加热加压的方法制成一定形状的塑料制品。Truss 等的研究表明：压制－烧结成型UHMWPE 的性能与冷却速度密切相关。
压制－烧结法生产UHMWPE 制品不受分子量大小的限制，产品纯度及表面光洁度较高，适宜于小批量的生产。但生产效率低，成本较高。
（3）柱塞式挤出法
由于UHMWPE 熔体粘度高，易热降解，粘附性差和摩擦系数低等特点，一般需要用专用的柱塞式挤出机或经特殊设计的螺杆挤出机进行挤出加工。柱塞式挤出UHMWPE 起源于美国，其特点是成型压力很高，成型工艺复杂，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实现了UHMWPE 的注射成型，1976年注射制
品实现了商业化。高压高速注射UHMWPE 时产生极大的剪切作用，一方面会改善熔体的流动性，提高可加工性，但另一方面，可能会加速树脂的氧化、降解作用而影响其机械性能。UHMWPE 的注射成型对注塑机要求高、注塑压力大，效率低且成本高。
（5）螺杆式挤出
UHMWPE 的分子链很长，大分子链间的无规缠结使其对热运动反应迟钝，当加热至熔点以上时，熔体呈现出橡胶状的高粘弹性，流动性极差，熔融指数几乎为0，因而不能采用通常热塑性塑料加工的方法直接挤出。
本课题想通过双螺杆挤出机实现连续挤出成型UHMWPE 制品，因此在研究螺杆挤出工艺时，主要从挤出机结构(螺杆、料筒及机头等) 、加工物料的配方优化(加入能提高其加工性能的其它组分) 及加工工艺进行改进，从而改善其加工性，提高制品性能。
1.2.3 UHMWPE的应用及市场前景
UHMWPE 在工业上的应用，从1960年利用其优异的耐冲击性制造机械零件以来，已有20余年的历史[14]。
（1）设备衬里：利用其自润滑性和耐磨性；
（2）食品机械：利用其食品卫生、自润滑性，耐磨性，消音性；
（3）建筑、农业机械：利用其自润滑性，耐磨性，耐冲击性；
（4）纺织机械：利用其耐冲击性；
（5）化工机械：利用其耐磨性，耐化学药品性；
（6）体育用品：利用其自润滑性，耐磨性，耐寒性。
此外，由于UHMWPE 具有优异的生理惰性，最近美国已批准其在食品，医疗，仿生材料等领域内使用[15]。由此可见，UHMWPE 具有很大的市场前景。
1.3 超声波振动对聚合物挤出过程及制品结构性能的影响
挤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。而将物理场直接作用于熔融聚合物是一种十分有效的强化成型技术，其最直接的办法是在挤出模头上施加机械振动和超声波振动[16]。低频机械振动相比，借助于在平行或垂直于流动方向上叠加高频超声波，易于在熔融聚合物中作剧烈振动，从而影响聚合物成型过程及制品性能。
1. 聚合物产量提高
施加超声振动后聚合物产量得到提高。Panov [17]等将17.5 kHz~23.5 kHz 的超声波
施加于圆形流道的机头，可使挤出机挤出的LDPE 和HDPE 产量提高30%~50%。
2. 挤出压力降低
施加超声振动后，熔体挤出压力降低。Fridman [18]等首先观察到挤出时聚合物熔体中的空化现象，在通过毛细管挤出HDPE 时，加入的超声波减少了流动阻力，减小了挤出压力。
3. 熔体黏度降低
施加超声振动后熔体黏度得到降低，Isayev [19]等人发现：CaCO 3（质量分数为47%）填充的PP 料比纯PP 料在相同的剪切速率下，施加超声波时动态黏度降低更大，在加入声频振动时可以观察到分子量和黏度的永久性降低。
4. 挤出膨胀比减小
5. 聚合物结晶形态发生演变
Lemelson [20]在口模或模腔壁面处叠加超声振动，他指出，在注射过程中施加超声振动有助于单晶结构组织的形成，熔体在半熔融状态下或在晶体结构形成之前施加超声振动可以改变晶体的结晶取向、影响晶体的生长速度并且可以形成比较统一的晶体结构。Pendleton [21]发现施加超声振动后制品晶体的有序性增强。
6. 制品的力学性能发生不同变化
超声波加入聚合物成型过程后，对制品力学性能的影响，从现有文献来看有不完全一致的结果。例如，在不同研究者的实验结果中，拉伸性能、冲击强度等发生的变化趋势不同。有关结果还待于进一步系统深入的分析研究[22]。
总之，超声振动可以提高聚合物的产量、降低挤出压力、降低熔体的表观黏度、减小挤出膨胀比、影响制品的力学性能、增强共混物相容性并且可以影响聚合物的结晶形态。
1.4 超声波辅助成型的发展前景
综上所述，聚合物加工过程中引入超声波场致作用是一项很有发展前景的新型成型、改性技术。超声波的引入给聚合物的成型加工领域注入了新的活力, 为聚合物成型加工开辟了新的途径, 使一些高粘度聚合物的注射、挤出加工成为可能, 进一步满足了工业生产和人们生活的需要, 同时也降低了成型加工对设备的要求, 降低了成型加工的成本, 提高了经济效应，并且超声波场致作用在控制聚合物的结晶和取向，改善聚合物的相容性，解决纳米粉体在聚合物中的团聚现象、提高纳米聚合物中纳米粉体的分散性
方面有其独特作用。随着超声技术的不断发展以及人们对超声作用认识的逐渐深入，超声波场致作用在聚合物加工、改性及改善现有成型、改性设备，提高制件性能方面发挥越来越大的作用。在不久的将来, 它将推动聚合物成型加工设备的更新换代, 并产生巨大的经济效应和社会效应, 再加上它绿色环保，超声波必定在聚合物成型加工领域具有极为广阔的前景[23]。
1.5 本课题研究的目的和意义
本课题主要研究的目的是：在超高分子量聚乙烯挤出成型过程中，通过加入聚丙烯
并且施加超声波振动后，UHMWPE 熔体黏度的变化，挤出速率的改变，以及成型后制品力学性能的改变与共混物中聚丙烯的含量，超声波功率大小之间的关系。
超高分子量聚乙烯是一种线型结构的热塑性工程塑料，具有106以上的极大分子量, 与其它许多聚合物材料相比，具有摩擦系数小、磨耗低、自润滑、耐化学药品性、耐冲击、耐压性、抗冻性、耐应力开裂性、卫生性等优良特性。但由于UHMWPE 的分子量大、分子链间缠绕多，在熔融时呈凝胶态弹性体，粘度大，熔融指数几乎为0，流动性能极差，临界剪切速率很低，给成型加工带来很大困难。对于要求UHMWPE 挤出成型的塑件，便不能采用通常热塑性塑料加工的方法直接挤成型。超声波作为一种方便、迅速、有效、安全的技术，大大优于传统的搅拌、外加热等热力学手段, 受到人们广泛的关注和重视，通过查阅资料发现，在聚合物挤出成型过程中，加入聚丙烯并施加超声振动后，熔体挤出压力降低，熔体黏度得到降低，挤出膨胀比减小，制品晶体的有序性增强，所以通过超声波辅助挤出成型UHMWPE 的研究, 对熔体降黏，提高生产效率，提升材料的机械性能有重要的意义。
2 实验部分
2．1实验原理
1．超声波作用机理
超声波在聚合物加工中的应用主要是应用超声的降粘作用, 降低聚合物熔体的流变性能, 以改善制品性能及降低成型加工条件和生产成本。而超声降粘作用是能量场作用、高频剪切振动和射流的力场作用以及小分子的增塑作用的结果
（1）在挤出成型加工中, 振动力场作用于聚合物熔体, 其作用机理是在主剪切流动上叠加了一个附加的交变应力, 使物料的状态由组合应力决定。当超声波作用于聚合物熔体时, 熔体媒质吸收声波能量, 使分子在其平衡位置的振动加剧, 从而使分子链段运动的能量增加, 使分子链段的活动性增强，这样挤出过程中的质量平衡、动量平衡、能量平衡关系都发生了变化；振动强化了聚合物在加工中的物理和化学变化过程, 改变了聚合物熔体的流变状态；同时, 周期性的脉动剪切力产生大量的耗散热, 导致聚合物熔体的粘度降低。
（2）根据自由体积理论, 高分子链的运动是通过链段的运动和扩散而逐步达到整体运动, 就象蚯蚓那样蠕动前进。UHMWPE 的分子链很长, 在熔体内部形成一种拟网状的缠结结构, 缠结结点之间构成空穴。当引入振动力场时, 一方面, 振动增加了高分子链之间的相互剪切摩擦, 产生大量的耗散热, 增加了高分子的热运动能, 空穴也增加和胀大, 分子间的相互作用力减小, 导致高分子链蠕动的增强; 另一方面, 振动不断对聚合物熔体进行挤压和释放, 增加了分子取向, 分子间的空穴增大, 分子链重心偏移, 也降低了分子间的相互作用力, 从而使聚合物熔体的流动性增加。由于振动力场的作用, 在加工过程中, 形成的局部压力场和速度场是脉动的, 高分子链及其链段表现为瞬时冲量负压扩散行为。振动力场的存在, 加速和加强了高分子链段的扩散和运动, 减小高分子链及链段之间的相互缠结, 使高分子解缠、取向容易；周期性脉动剪切力产生大量的耗散热, 宏观上表现为聚合物熔体的粘度减小, 熔体的流动性增加, 流率增大; 同时, 振动力场也使聚合物熔体的弹性减小, 制品的物理机械性能得以提高。
2．聚丙烯降黏机理
聚丙烯与聚乙烯的结构相似但不相同，属于不相容体系，聚丙烯分布于超高分子量聚乙烯初、次级微粒间，破坏了超高分子量聚乙烯的链缠结网络，起到了对界面层分子
解缠结的作用，使超高分子量聚乙烯的链缠结密度降低，在加工过程中，熔融的聚丙烯在超高分子量聚乙烯的晶区间同时起到微相润滑的作用，因而显著改善了纯超高分子量聚乙烯的加工性能；并且聚丙烯的屈服强度和杨氏模量比纯超高分子量聚乙烯的高很多，根据线性叠加原理，超高分子量聚乙烯的屈服强度和杨氏模量会随着共混物中聚丙烯的加入而增大，所以聚丙烯的加入既起到降黏作用又改善了材料的力学性能。 2．2实验装置与工艺流程 2．2．1超声挤出设备
超声辐射—挤出加工实验装置由同向旋转双螺杆挤出机和超声发生器组成，双螺杆挤出机的模头为平缝模头，口模的长、宽、高、分别为40mm 、30mm 、3mm ，并装有可连续测量挤出口模压力的高温熔体压力传感器；超声波频率19.8KHz, 功率0～300W 可调，超声波振动方向与熔体流出方向垂直（图 2-1）。
图 2-1 超声波辅助挤出成型装置示意图
1，挤出机； 2，超声波发生器；3，压电换能器； 4，口模； ５，电加热板； 6，熔体； P，压力传感器； T，热电偶。
同向双螺杆挤出机由于两螺杆啮合在一起具有自洁功能，能将物料强制推进，具有轴向强制输送物料作用，能防止物料在螺杆中打滑，在塑化段将物料压实成为熔体连续啮合推进，在计量段将物料输送至模具，从而可实现连续进料，不会形成料塞，不需要在料筒上开槽，且塑化混炼效果很好，是超高分子量聚乙烯挤出成型的理想设备。
2．2．2实验工艺流程
图 2-2 UHMWPE 挤出成型工艺流程图
2．3实验原料及仪器
本课题用到的实验原料及仪器见表2-1和表2-2
表2-1 实验原料
原料名称 超高分子量聚
乙烯 聚丙烯
简称 UHMWPE
规格 粒径≥400目
生产厂家 上海化工研究院 中国石油天然气股份有限公司大庆石化分
公司
PP
T30S
表2-2 实验仪器
实验仪器 同向双螺杆配混挤
出机 高速混合机 超声波发生器 材料万能 制样机 冲片机 悬臂梁冲击 试验机
新三思微机控制电子万能（拉力）实
验机 镀铬游标卡尺
仪器型号 TE20 GH —10A ZJS —2000型 ZHY —W 型 XYJ —I 型 XJU —22J 型
生产公司
科倍隆科亚（南京）机械
有限公司 河北承德实验机厂 杭州成功超声设备有限公
司
河北承德实验机厂 承德市金建检测仪器有限
公司
河北承德实验机厂 深圳市新三思材料检测有
限公司 浙江春光量具厂
SL —10000型 最小刻度0.02mm
2．4实验工艺条件
UHMWPE 熔融温度：137℃ UHMWPE 分解温度：270℃以上
表2-3 实验工艺条件设定范围
工艺参数 料桶温度/℃ 机头温度/℃ 口模温度/℃ 螺杆转速/ Hz 超声波强度/W
设定范围 215 170～230 195 5～9 0～300
2．5实验内容和研究方法
本课题研究的内容是：考察在超高分子量聚乙烯挤出成型过程中，加入聚丙烯并且施加超声波振动对成型过程和材料力学性能的影响，主要包括以下方面：
1．超声波功率对挤出物性能的影响
a 研究超声波功率对聚合物体系表观黏度的影响： 考察因素：（1）剪切速率
（2）挤出温度 （3）超声波功率
b 研究超声波功率对挤出制品力学性能的影响： 考察因素：（1）剪切速率
（2）挤出温度 （3）超声波功率
2．熔体挤出流变行为的研究
测定在不同挤出温度、螺杆转速、超声波功率、等条件下的口模压力，在固定时间内对挤出物取样并称重，计算熔体的质量流量。以此来计算不同条件下熔体表观粘度。
3．性能测试
力学性能测试：拉伸、冲击性能测试； 流变性能测试：熔体表观粘度测试。 本课题研究的方法：
一、实验前的原料准备
由于UHMWPE 的分子量大，分子链间缠绕多，粘度大，流动性能极差，为了实现UHMWPE 的连续挤出，首先在UHMWPE 中加入一定量的PP 进行降粘，PP 与UHMWPE 分别以20：80、30：70、10：90的配比在高速混合机中共混；UHMWPE 的吸水率非常小，因此在成型加工前不必进行干燥处理。
二、同向旋转双螺杆挤出机挤出成型
1 预热，保证料桶内物料全部熔融；到达预定温度后，在设定的UHMWPE 成型温度范围（170℃～230℃）内调节机头温度，不施加超声波振动开始挤出。
2 当熔体流动稳定时，记一分钟流量，然后每隔20cm 取一个样条，一个挤出温度下取五组。
3 样条经裁样、性能测试后确定出UHMWPE 的最佳挤出温度，然后施加超声波振动并调节挤出机的挤出频率进行挤出成型，在0～300W 的范围内改变超声波的强度，同时记录相对应的一分钟流量、口模压力降。每组超声波强度下取样方法与第二步相同。 三、力学性能测试
1挤出样条分别在万能试样机和冲片机上裁成悬臂梁缺口冲击试样和哑铃型拉伸试样，然后进行性能测试。
2悬臂梁（缺口）冲击强度的测定按照GB/T 1843—1996进行；拉伸强度和断裂伸长率的测定按照GB/T 1040—1992进行，拉伸速率为50 mm/min实验温度25 ℃。记录实验数据。 2．6实验性能表征
1．熔体表观粘度按下式计算： 表观剪切应力：
τw =－△PH/2L （2-1）
式中 △P —口模压力差；
L 、H —板机头口模的长度和高度。
表观剪切速率：
γw = 6Q/WH2 （2-2） 式中 Q—熔体质量流量；
W —板机头口膜的宽度。
由此便可求得熔体的表观粘度：
ηa =τw /γw （2-3）
2．冲击强度按下式计算：
α=
Aκ-Aχ
（2-4） b
式中 α—冲击强度，J/m；
A k —刻度盘上读出的冲击消耗能，J ；
A
χ—能量损失修正值，J ；
b —试样厚度，m 。
3．拉伸强度按下式计算：
στ=
p
bd
式中στ—拉伸强度，MPa ；
p —最大负荷，N ；
b —试样宽度，mm ； d —试样厚度，mm 。
4．断裂伸长率按下式计算：
εL -L 0
τ=
L 0
式中 ετ——式中断裂伸长率，%；
L ——试样断裂时标线间距离，mm;
L 0——试样原始标距，mm 。
（2-5）
（2-6）
3 实验结果分析
3．1 超声辐射对UHMWPE/PP熔体挤出参数的影响 3．1．1 超声辐射对挤出速率的影响
1．PP 对UHMWPE/PP共混体系挤出速率的影响
由于UHMWPE 成型难度大，在施加超声辐射前，首先选用PP 作为流动改性剂，以免在UHMWPE 挤出过程中使螺杆堵塞。
挤出温度、螺杆转速一定，在不施加超声波辐射下，取一定时间内的挤出物称重，计算挤出速率（质量流量），数据如下所示：
表3-1 挤出频率为7 Hz时不同PP 含量下的质量流量 UHMWPE/PP 质量流量（g/min）
90:10 9.90
80:20 13.57
70:30 15.68
质量流量（g /m i n ）
PP 百分含量（%）
图 3-1 挤出频率为7 Hz时熔体质量流量随PP 含量的变化
图3-1表明，聚丙烯的加入能够显著改善超高分子量聚乙烯的流动性, 该熔体的流动速率几乎随聚丙烯含量的增加而线性增加。
纯超高分子量聚乙烯挤出时，由于分子量大，分子链之间缠绕多，熔体呈现橡胶态，流速很小, 当聚丙烯含量增加到30 wt％时，熔体的质量流量上升至15g/min。虽然超高分子量聚乙烯的熔点低于聚丙烯应该先熔，但熔融超高分子量聚乙烯仍不具有流动性，与固态相似，且具有不粘性，因而在物料-料桶间首先熔融而形成熔膜的应该是聚丙烯。
因超高分子量聚乙烯与聚丙烯相容性差，PP 熔体不能很快渗入UHMWPE 微粒的内部，而由熔膜流向有效螺腹形成熔池，对UHMWPE 固体产生很大推压力，使UHMWPE 固体更加密实，同时PP 熔膜包裹UHMWPE 固体向前移动，增大了物料与料桶之间的粘着力，降低了物料与螺杆间的摩擦力，使物料更好的塑化和输送。
在螺杆挤出UHMWPE/PP共混物时，与料筒接触的物料表层主要是PP ，芯层物料主要是UHMWPE ，而与螺杆接触的物料表层则是只含有少量PP 。这样就将螺杆对UHMWPE 的输送转变成对PP 的输送，解决了普通单螺杆挤出机挤出UHMWPE 时的打滑、料塞等问题，因而挤出效率显著提高。根据挤出成型的固体输送理论，物料与料筒表面的摩擦系数越高，与螺杆表面的摩擦系数越低，越有利于物料的输送。因PP 具有较高的摩擦系数，而UHMWPE 具有很小的摩擦系数且它具有不粘性，在进行挤出时， UHMWPE/PP共混物在料筒内的这种层状分布正好符合最优化物料输送条件。
2．改变挤出频率时超声辐射对挤出速率的影响
机头温度一定，改变挤出频率，测试熔体在不同超声波辐射强度下的质量流量，数据如表3-2所示：
表3-2 同一挤出频率时不同超声辐射强度下熔体的质量流量
超声波强度/ W
0 9.9 12.52
50 10.09 12.76 13.34 15.83 17.08
100 11.26 12.8 14.25 16.56 17.54
150 12.36 13.57 14.5 16.78 18.06
200 12.89 14.03 15.68 16.95 19.05
250 13.23 14.86 15.95 17.42 20.0
质量流量（g/min）
12.75 15.55 16.53
20
18
质量流量/g
16
14
12
10
超声波功率/W
图 3-2 同一挤出频率下质量流量随超声强度的变化
图3-2表明，随着超声波功率的增大，熔体的质量流量逐渐增大，在同一超声辐射强度下，挤出频率越大，质量流量越大。
因UHMWPE 具有极高的分子量，而且其分子链链段具有极好的柔软性，所以UHMWPE 分子链极易发生链缠结，熔融状态时几乎不流动。超声振动作用于聚合物熔体时，熔体媒质吸声波能量，使分子在其平衡位置的振动加剧，从而增加了分子链运动的能量，使分子链的活动性增强，使熔体易于流动。辐射功率越高，作用时间越长，分子链运动获得的能量就越大，熔体流动速率增加的程度也就越大。所以，超声辐射强度增大到250W 时，不同挤出频率下的熔体质量流量均达到最大值。
本实验中，剪切速率=挤出频率×12，随着挤出频率的增大，螺杆对熔体的剪切速率增大，产生“切力变稀”现象，使熔体更易流动，因此，挤出频率为9Hz 时的质量流量在不同超声辐射强度下均高于其他挤出频率时的质量流量。
3．改变机头温度时超声辐射对挤出速率的影响
挤出频率一定，改变机头温度，测试熔体在不同超声波辐射强度下的质量流量，数据如表3-3所示：
表3-3同一挤出温度时不同超声辐射强度下熔体的质量流量
超声波强度（ W ）
质量流量（g/min）
0 10.90 11.55 11.75 12.33
50 12.18 12.95 13.34 13.78
100 12.85 13.10 14.25 14.45
150 13.21 13.20 14.50 14.65
200 13.55 13.85 15.68 16.50
图 3-3表明，熔体的质量流量随着超声波辐射功率的增大而增大，在同一超声辐射强度下，机头温度越高，熔体的质量流量越大。
在UHMWPE 挤出过程中，由于振动力场的存在, 加速和加强了高分子链段的扩散和运动, 减小高分子链及链段之间的相互缠结, 使高分子解缠、取向容易；周期性脉动剪切力产生大量的耗散热, 宏观上表现为聚合物熔体的粘度减小, 熔体的流动性增加, 流率增大；随着机头温度的升高，分子链的运动性增强，分子间的距离增大，分子间的摩擦力减小，流动阻力减小，流量质量增大。如图所示，超声辐射强度在0～150W 之间时，对熔体质量流量的影响趋势与无超声辐射仅由温度对熔体质量流量的影响趋势大体一致，当超声辐射强度大于150W 时，经超声辐射的熔体质量流量增大程度远大于仅由温度升高引起熔体质量流量增大的程度，此现象说明，当超声辐射强度增大到一定程度时，
质量流量/g
超声波功率/W
图 3-3 同一机头温度下质量流量随超声强度的变化
3．1．2超声辐射对口模温度的影响
挤出温度一定，在不同挤出频率下，观察口模温度随超声波辐射强度的变化，口
△P /℃
超声波功率/W
图 3-4（a ）改变挤出频率时超声辐射对口模温度的影响
挤出频率一定，在不同挤出温度下，观察口模温度随超声波辐射强度的变化，口模 温度的变化与超声辐射强度之间的关系如图 3-4（b ）所示。
△T /℃
超声波功率/W
图 3-4 (b) 改变机头温度时超声辐射对口模温度的影响
在实验中发现，将超声振动应力场引入到UHMWPE/PP的挤出加工过程中，挤出机的口模温度随着超声辐射强度的增大而升高，如图3-4所示，随超声功率的增加，口模温
度增值大幅度上升。当螺杆转速为6rpm ，超声功率250w 时，口模温度可升高10℃ (图3-4-a ) 。
在超声波作用下，熔体分子将在其平衡位置附近振动，振动增加了高分子链之间的相互剪切摩擦, 产生大量的耗散热, 使口模温度上升，且口模在超声振动过程中吸收一部分声能，并把它转换成热能使其自身获得一定温升。超声功率越大，分子振动越剧烈，分子链间的剪切摩擦生热越大，挤出体系温升程度也越大。
在图 3-4（a ）中，无超声辐射时，不同挤出频率下的口模温度几乎不变，说明在挤出加工过程中，口模温度的上升主要是超声波所致。当施加超声辐射时，在同一超声波功率下，挤出频率越小，口模温度的增值越大，这主要是因为挤出速率越低，熔体受超声辐射时间越长，升温越明显。 3．1．3超声辐射对口模压力的影响
本实验中所用高温熔体压力传感器为两线输出，分别测试口模的前端和后端，即压力2和压力1。
控制口模温度为210℃左右, 测定在不同转速，不同超声辐射强度作用下UHMWPE/PP体系的挤出口模压力，其变化如图 3-5（a ）所示；控制挤出频率为7Hz, 测定在不同挤出温度，不同超声辐射强度作用下UHMWPE/PP体系的挤出口模压力，其变化如
压力1/M P a
压力2/M P a
超声波功率/W
超声波功率/W
图 3-5（a ）改变挤出频率时口模压力随超声辐射强度的变化
压力1/M P a
压力2/M P a
超 声 波功 率/W
超 声 波功 率/W
图 3-5（b ）改变机头温度时口模压力随超声辐射强度的变化
实验结果表明，超声波辐射能够明显降低挤出时的口模压力，且在同一挤出频率或机头温度下，超声功率越高，压力下降越大。这是由于：
1. 在宏观上，超声波影响流体的入口收敛流动，扰乱、改变入口流动的流型，减小了分子链沿流线敛集方向取向的程度和机会，减小了弹性损耗，从而降低了入口压力。
2. 在微观上，超声波对聚合物熔体粘弹行为产生影响。被超声活化的聚合物链产生形变所消耗的能量减小；分子链之间的相互作用减弱，流动过程中引起的粘性损耗减少。
二者的综合作用使入口压力降大幅降低。在UHMWPE/PP的挤出加工过程中，熔体在口模入口处的超声作用区受到超声作用后分子链活动能力增强，分子链之间的缠结作用及内聚力大大减弱；入口流动引起的可恢复弹性形变减小，并且形变松弛速度加快。 超声振动使聚合物挤出过程中的入口压力降，在平缝口模中流动时由粘性损耗引起的压力降及出口压力均降低，因此测量时所得的压力（口模压力）△P 在超声作用下大幅度降低。
3．1．4超声辐射对熔体表观黏度的影响
1． 改变机头温度时超声辐射对熔体表观黏度的影响
挤出频率一定（7Hz ），测定不同挤出温度，不同超声辐射强度下，UHMWPE/PP体系熔体的表观黏度，如表3-4所示。
表3-4同一挤出频率不同超声波辐射强度下熔体的表观黏度
超声波强度/ W
熔体表观黏度 /106/Pa. s
0 0.58521 0.56542 0.54392 0.42923
100 0.51747 0.51016 0.50893 0.4133
150 0.4964 0.45452 0.42099 0.40795
200 0.47138 0.46023 0.39802 0.39414
250 0.44834 0.44912 0.38259 0.37183
0.600.580.56
熔体表观黏度（106/P a . s ）
0.540.520.500.480.460.440.420.400.380.36
超声波功率(Hz )
图 3-6同一挤出频率下熔体表观黏度随超声波功率大小的变化
图 3-6表明，熔体的表观黏度在超声波辐射下，随着超声波功率的增大而逐渐降低，在相同的超声波功率之下，挤出温度较高时的熔体表观黏度均大于较低挤出温度时熔体的表观黏度。这是因为，一方面随着机头温度升高，高分子链运动加剧，分子间距离增大，使得熔体黏度下降，另一方面超声波振动时超声射流产生的强烈的冲击作用使分子间的作用力减弱，增大了熔体的自由体积，加强了大分子链段的扩散和运动，有利于大分子链解缠结，熔体表观粘度降低。
2 改变时挤出频率时超声辐射对熔体表观黏度的影响
挤出温度一定（210℃左右），测定不同挤出频率，不同超声辐射强度下，UHMWPE/PP体系熔体的表观黏度，如表3-5所示。
表3-5同一挤出温度不同超声波辐射强度下熔体的表观黏度
超声波强度/ W
熔体表观黏度 /106/Pa. s
0 0.56761 0.50948 0.49117 0.42486 0.39285
50 0.53435 0.50796 0.46769 0.41236 0.38965
100 0.48557 0.43901 0.42099 0.38519 0.38099
150 0.43621 0.40851 0.39802 0.38221 0.37002
200 0.4006 0.39511 0.38259 0.36737 0.35079
250 0.39569 0.38326 0.37893 0.3531 0.33033
0.600.580.560.540.520.500.480.460.440.420.400.380.360.340.32
粘度106（P a . s ）
超声波功率（W）
图 3-7同一挤出温度下熔体表观黏度随超声波功率大小的变化
熔体的表观黏度随着超声波功率的增大而降低，在同一超声功率下，挤出频率越大，熔体的表观黏度越低，如图3-7所示。
如图所示，超声功率低于100W 时，不同挤出频率下的表观黏度之间差值较大，但超声功率高于100W 时这种差值迅速减小，这是由于在UHMWPE/PP挤出过程中，超声辐射产生的高频振动力场平行叠加于熔体的稳态剪切流动，使分子链之间的缠结减少，链段跃迁所受的束缚降低，降低了熔体的流动阻力。而这种超声辐照高频振动力场与稳态剪切流场的叠加使剪切作用增强，可以提高分子链段沿流动方向跃迁的几率，使分子链的重心更有效地发生位移。因此，在叠加超声振动的情况下，UHMWPE/PP熔体粘度
对剪切力场的依赖性减小，需要从剪切力场获取的能量降低。超声功率越大，熔体流动需要从剪切力场获得的能量越小，熔体粘度对剪切速率的敏感性越低。
总之，超声辐射对聚合物熔体流变性能的作用机理可以从两方面分析：
（1）宏观上看，纵向振动场叠加于同向剪切流动场，相当于在稳态剪切流动的熔体上施加一个脉冲推动力，促进熔体更加积极地整体沿流动方向运动。
（2）微观上看，超声波对聚合物分子链的作用分为物理作用和化学作用：a. 熔体媒质吸声波能量，使分子链的活动性增强，单个分子链或分子链段的运动自由度和运动能量增加，大部分分子链的构象发生变化，变得更加无规和自由。b. 超声空化引起的热点效应、冲击波和射流作用使熔体的分子量降低，分子量分布发生变化。这些综合效果使熔体粘度降低，加工流动性变好。 3．1．5 本章小结
1．一定量PP 的加入，能有效改善双螺杆挤出机对UHMWPE 的物料输送和熔融塑化，显著改善了UHMWPE 的流动性，实现了UHMWPE 在双螺杆挤出机中的连续挤出成型。
2．熔体的质量流量随着超声波功率的增大而增大，在同一超声波功率下，机头温度越高、挤出频率越大，熔体的质量流量越大。
3．将超声振动应力场引入到UHMWPE/PP的挤出加工过程中，挤出机的口模温度随着超声波功率的增大而升高，口模温度的升高，降低了挤出加工过程中的能耗。 4．超声辐射能明显降低口模压力，且超声功率越高，压力下降越大。口模压力的下降，意味着在相同的口模压力下，可以提高挤出机转速，使挤出产量增加。
5．在UHMWPE 的挤出过程中施加超声辐照会显著降低熔体的表观粘度。辐照功率越大，熔体表观粘度越低；熔体在挤出口模中停留的时间越长，受辐照作用的时间越长，熔体表观粘度降低的程度越大。
3．2 超声辐射对UHMWPE/PP力学性能的影响 3．2．1 PP对UHMWPE/PP共混体系力学性能的影响
挤出频率为7Hz ，挤出温度控制在210℃左右，超声波功率定在200W ，测试UHMWPE/PP分别为80：20、70：30、90：10时的力学性能，见表3-6。
表3-6不同PP 含量下UHMWPE/PP的力学性能
力学性能 拉伸强度(MPa) 悬臂梁缺口冲击强度(kJ/m2) 断裂伸长率(%)
纯UHMWPE
23.0 84.4
80：20 27.5 98.4
UHMWPE/PP 70：30 25.8 86.5
90：10 24.6 85.2
412.5 324.8 276.3 408.6
表3-6说明，适量的PP 加入到UHMWPE 中，可提高UHMWPE 的力学性能。如表所示， UHMWPE 的拉伸强度随聚丙烯的加入得到改善, 当PP 的含量为20%时，拉伸强度从纯UHMWPE 时的23.0 MPa增加到27.5MPa , 达到最大值；共混物的冲击强度从纯UHMWPE 时的84.4 kJ/m 2增加到98.4kJ/m 2，这主要是由于本实验所用PP 本身具有较高的力学强度，在超声辐射作用下，PP 以微小相更加均匀的分布于UHMWPE 机体中，改善了两相的相容性，起到了较好增强的作用。断裂伸长率随着PP 的加入而降低，当PP 的含量增加时，材料仍具有很高的抗冲击性能。随着PP 含量进一步的增加，拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度呈下降趋势，这可能是由于PP 含量较高，由于UHMWPE 本身特有的超长分子链和极高的熔体粘度，熔融流动性能极差，均匀共混的难度也相应增大，导致共混效果不佳，两相之间存在界面，加入填料均形成应力集中点，容易产生裂纹，使材料的缺陷增加，导致样条的力学性能下降。
3．2．2 超声辐射对UHMWPE/PP拉伸强度的影响
1．改变挤出频率时超声辐射对拉伸强度的影响
拉伸强度亦称屈服强度，是材料抵抗拉伸变形和破坏能力的量度。挤出温度控制在210℃左右，改变挤出频率，测试不同超声波功率下UHMWPE/PP的拉伸强度，数值如表3-7所示。
表3-7 改变挤出频率时的拉伸强度
超声波强度/ W
拉伸强度/ MPa
0 25.48 25.06 24.43 24.81 24.34
50 25.44 25.12 24.60 24.8 24.58
100 25.75 25.20 25.88 24.64 24.64 150 26.42 25.45 26.06 24.84 25.38
200 28.19 25.78 26.5 25.54 25.86
250 27.38 25.54 25.44 24.99 25.54
拉伸 强度（M P a ）
超 声波 功 率（W）
图3-8 挤出温度不变时拉伸强度随超声波功率的变化
当超声波功率低于200W 时，拉伸强度随着超声波功率的增大而增强，但超声波功率超过200W 时，拉伸强度随着超声波功率的增大而急剧降低，在同一超声波功率下，基本呈现出低剪切速率下的拉伸强度较大，如图3-8所示。
当挤出速率为5Hz 时，UHMWPE/PP的拉伸强度在不同超声功率下均大于其他频率下的拉伸强度，这主要是由于挤出频率小时，熔体的流速慢，熔体在在口模中停留的时间较长，受超声辐射的时间较长，在超声振动下，物料的分散效果进一步改善，熔体中
大分子的取向发生也发生变化。随着挤出频率的增加，熔体流动速率增大，UHMWPE/PP受超声辐射的时间变短，导致PP 不能与基体UHMWPE 更好的相互扩散，使得塑化效果不好，影响了共混物的拉伸强度，而且UHMWPE 分子链极长，在高剪切条件下易发生分子链断裂而影响性能，这也是拉伸强度下降的原因之一。但在低挤出速率下，在较强的辐射强度和和较长的作用时间下，大分子降解和解缠结现象严重，也会使得拉伸强度下降。
2．改变机头温度时超声辐射对拉伸强度的影响
挤出频率控制在7 Hz ，改变挤出温度，测试不同超声波功率下UHMWPE/PP的拉伸强度，数值如表3-9所示。
表3-9改变机头温度时的拉伸强度
超声波强度/ W
0 24.88
50 26.26 25.07 24.33 26.26
100 27.53 25.4 26.46 26.61
150 27.82 26.27 26.5 26.24
200 28.13 27.2 27 26.34
250 27.99 26.68 26.31 26.18
拉伸强度/ MPa
23.40 24.43 25.82
28.528.027.527.0
拉伸强度（M P a ）
26.526.025.525.024.524.023.523.0
超声波功率（W）
图3-9 挤出频率不变时拉伸强度随超声波功率的变化
图3-9表明，在同一挤出温度下，UHMWPE/PP的拉伸强度在超声功率低于200W 时总体呈上升趋势，超声功率高于200W 时，拉伸强度明显下降；当超声功率较低时，
在同一超声功率下挤出温度较高时的拉伸强度较大，如图所示，超声功率在0～50W 时挤出温度为230℃时的拉伸强度最大，当超声功率较高时，在同一超声功率下挤出温度较低时的拉伸强度较大，如图所示，超声功率高于50W 时，挤出温度为170℃时的拉伸强度最大，而且在拉伸强度整体下降区域也高于其他挤出温度下的拉伸强度。当超声功率为200W 时，超声辐射对熔体的作用与温度对熔体的作用达到“协同”，拉伸强度达到最大值。
3．2．3 超声辐射对UHMWPE/PP冲击强度的影响 1．改变挤出频率时超声辐射对冲击强度的影响
挤出温度控制在210℃，改变挤出频率，得到UHMWPE/PP的冲击强度随超声功率的变化如图4-3所示。
冲击强度k J /m 2
超声波功率(W )
图3-10改变挤出频率时冲击强度随超声波功率的变化
由图可知，在挤出口模处施加适宜的超声振动，使UHMWPE/PP的缺口冲击强度有所增加。如图3-10所示，当超声功率低于200W 时，冲击强度随着超声功率的增大而提高，在同一超声功率下，挤出频率为7Hz 时的冲击强度较大；当超声功率超过200W 时，冲击强度明显下降，挤出频率为5Hz 时的冲击强度下降幅度最大，这是因为低的挤出速率意味着更长的超声波辐射时间，在较强的辐射强度和和较长的作用时间下，大分子降解和解缠结现象严重，严重影响了UHMWPE/PP的力学性能。 2．改变机头温度时超声辐射对冲击强度的影响
挤出频率控制在7Hz ，改变挤出温度，得到UHMWPE/PP的冲击强度随超声功率的变化如图3-11所示。
图3-11表明，当超声功率低于200W 时，冲击强度随着超声功率的增大明显提高，在同一超声功率下，挤出温度为210℃时的冲击性能较好；当超声功率超过200W 时，不同挤出温度下的抗冲击性能均大幅度下降。这是因为适当的超声振动使得PP 在UHMWPE 中分散更均匀，提高了二者的界面相容性，使得力学性能提高，但过大的超
0.0740.072
冲击强度（J ）×106
0.0700.0680.0660.0640.062
超声波功率（W）
图3-11改变挤出频率时冲击强度随超声波功率的变化
3．2．4 超声辐射对UHMWPE 断裂伸长率的影响
断裂伸长率是指由拉伸负荷使试样有效部分标线间距离的增量与原始标距之比的百分率。本实验采用哑铃型试样，原始标距为35mm 。 1．改变挤出频率时超声辐射对断裂伸长率的影响
[1**********]0
断裂伸长率/%
[***********]260240
超声波功率/W
图3-12改变挤出频率时断裂伸长率随超声波功率的变化
挤出温度控制在210℃，改变挤出频率，得到UHMWPE/PP的断裂伸长率随超声功率的变化如图3-12所示。
图3-12表明，当超声功率低于200W 时，断裂伸长率随着超声波功率的增大而提高，在同一超声功率下，挤出频率较低时的断裂伸长率较大，如图所示，挤出频率为5Hz 时均大于其他挤出频率在不同超声功率下的断裂伸长率；当超声功率超过200W 时，断裂伸长率随着超声功率的继续增大而明显减小。 2．改变挤出频率时超声辐射对断裂伸长率的影响
挤出频率控制在7Hz ，改变挤出温度，得到UHMWPE/PP的断裂伸长率随超声功率的变化如图3-13所示。
断裂伸长率/%
超声波功率/W
图3-13改变挤出温度时断裂伸长率随超声波功率的变化
从图4-6可以看出，当超声功率低于200W 时，断裂伸长率随着超声功率的增大而显著增大，在同一超声功率下，挤出温度较低时的断裂伸长率较好；当超声功率超过200W 时，断裂伸长率随着超声功率的增大明显降低。 3．2．5 本章小结
1．适量的PP 加入到UHMWPE 中，可提高UHMWPE 的力学性能，当PP 的含量为20%时，拉伸强度从纯UHMWPE 时的23.0 MPa增加到27.5MPa, 冲击强度从纯UHMWPE 时的84.4 kJ/m 2增加到98.4kJ/m 2。
2．当超声功率不超过200W 时，UHMWPE 的拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率随着超声功率的增大而显著提高，并且在较低的挤出频率，较高的成型温度下，这些力学性能相对更好。
3．当超声功率高于200W 时，UHMWPE 的拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率随着超声功率的继续增大而明显降低。因为在较强的辐射强度和和较长的作用时间下，大分子降解和解缠结现象严重，使材料的力学性能降低。
4 结论
（1）在UHMWPE 中加入适量的PP ，可显著提高UHMWPE 的加工流动性，首先在聚合物内部有效实现了UHMWPE 在双螺杆挤出机上的连续挤出成型；同时适量的PP 还可提高UHMWPE 的抗冲击性能和力学强度。
（2）在UHMWPE/PP的挤出过程中施加超声辐射会显著降低熔体的表观粘度。辐射功率越大，熔体表观粘度越低; 熔体在挤出口模中停留的时间越长，受辐照作用的时间越长，熔体表观粘度降低的程度越大。此外，辐照功率越高，熔体获得相同表观粘度所需口模温度越低。
（3）在UHMWPE/PP的挤出过程中，施加适当功率的超声辐射，能够显著提高UHMWPE 的拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率；若超声功率过大，会使熔体中大分子降解和解缠结现象严重，反而使材料的力学性能降低。
（4）在UHMWPE/PP的挤出过程中，超声辐射所提供的能量场作用、高频剪切振动和射流的力场作用以及小分子增塑作用，使分子间作用力减弱，链段活动性增强，链的缠结程度降低，从分子水平上改变了材料在加工过程中的流变性和粘弹性，有效地改善了UHMWPE 的加工性能。
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致谢
本实验是在刘亚青老师、付一政老师、罗佳师兄的悉心指导下完成的，从论文的选题、实验方案设计、实验中关键问题的解决到论文的撰写都凝聚着老师和师兄的大量心血。三个月来，老师和师兄毫无保留地将知识和经验传授给我，不仅对我知识的掌握和学术水平的提高有莫大帮助，也对我实际技能的提高、思维方式的开拓、分析问题、解决问题的能力的提高有极大的促进，我的每一点进步都离不开老师和师兄的教诲。在此向刘老师、付老师、罗师兄表示崇高的敬意和衷心的感谢。
此外，在整个实验的过程中，李迎春老师和柳学义老师以及各实验室的老师在实验操作和理论上也给予了我很大帮助，在此一并表示诚挚的谢意！
由于知识水平有限，错误和缺在所难免，敬请各位老师批评指正。