本發(fā)明涉及一種改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)塑化和輸送性能的裝置，屬于UHMWPE加工成型的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

UHMWPE是黏均分子量達(dá)150萬到1 000萬的聚乙烯，其分子鏈很長，且沿同一方向排列，并相互纏繞。通過強(qiáng)化分子之間的相互作用，較長的分子鏈能夠更有效地將載荷傳遞給主鏈。這樣特殊的結(jié)構(gòu)使UHMWPE具有優(yōu)異的耐磨性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性和抗老化性能，以及沖擊強(qiáng)度高、自潤滑性能好、不粘附、表面自由能低等特點(diǎn)。在國外，UHMWPE被稱為“令人驚異的塑料”，在化工、紡織、醫(yī)學(xué)、建筑、冶金、礦業(yè)、水利、煤炭、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

UHMWPE的分子量大、熔體黏度高、臨界剪切速率低、摩擦系數(shù)小、成型溫度范圍窄，易氧化降解，因此不易成型加工，在一定程度上限制了其應(yīng)用，故研究UHMWPE的成型加工顯得尤為重要。

目前UHMWPE的成型加工常有的方法主要有模壓成型、擠出成型、注塑成型以及近些年開發(fā)的特殊成型方法，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中模壓成型設(shè)備簡單成本低，較為經(jīng)濟(jì)，但是其加工過程中受熱不均，而且生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定。對于擠出成型和注塑成型，效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面有不同程度的提高，秦建華等發(fā)明了一種UHMWPE管材單螺桿擠出機(jī)筒成型設(shè)備(公開號CN101117017A)，提高了生產(chǎn)效率，但其穩(wěn)定性還有待提高，劉玉鳳等用德國Battenfeld公司的高壓高速注射機(jī)，對UHMWPE的注塑成型工藝進(jìn)行了研究，通過降低噴嘴直徑并配以合適的轉(zhuǎn)速生產(chǎn)出性能較為優(yōu)良的產(chǎn)品，其設(shè)備缺點(diǎn)是功率小，容易在高剪切作用下降解。擠出成型方法普遍為螺桿攪拌及外部電阻加熱圈加熱的熔融手段。如何實(shí)現(xiàn)均勻高效塑化，并且克服其自潤滑特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸送成為需要解決的問題。

本發(fā)明將解決UHMWPE高粘度難均勻塑化的問題，同時(shí)還將克服輸送摩擦力不足的問題，提出裝置和方法相結(jié)合的解決方案，用于不同加工領(lǐng)域需要UHMWPE塑化和輸送的場合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置。用表面處理過的石墨材料制備高密度聚乙烯(HDPE)母粒，并與UHMWPE共混物加入塑化擠出設(shè)備中，設(shè)備外設(shè)置電磁加熱裝置，機(jī)筒和石墨材料處于電磁場中，在電渦流作用下發(fā)熱并作為傳熱介質(zhì)，將熱量均勻供傳遞給UHMWPE，同時(shí)，石墨材料的加入弱化了UHMWPE的自潤滑性能，提高了料和機(jī)筒的摩擦力，螺桿輸送能力提高。該方法可擴(kuò)展到需要對UHMWPE高效塑化和輸送的各種工藝裝備中。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：操作步驟如下：第一步，將石墨材料用硝酸處理，然后用酒精清洗并干燥后與偶聯(lián)劑共混攪拌并放入高速分散機(jī)中，使其混合均勻，其中石墨材料的添加比例為50％～98％；第二步，將步驟一得到的共混物同HDPE按一定比例(例如1:1～1:3的比例)加入到雙螺桿擠出機(jī)中共混擠出，造粒后獲得石墨材料/HDPE母粒；第三步，將上述母粒和UHMWPE以一定的比例(可選的比例為1％～20％)均勻攪拌混合后放入擠出機(jī)料筒，擠出機(jī)機(jī)筒采用電磁加熱系統(tǒng)，電磁加熱作用下，機(jī)筒、螺桿以及材料中的石墨材料同時(shí)生熱，UHMWPE獲得均勻分散其中的石墨材料的熱量、螺桿剪切生熱及機(jī)筒和螺桿傳遞的熱量，均勻分散在基體UHMWPE中的石墨材料彌補(bǔ)了傳質(zhì)傳熱不足的缺點(diǎn)，還起到增大摩擦阻力的作用，即熔體塊向前輸送的驅(qū)動力變大。

石墨材料/HDPE在UHMWPE中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過30％，石墨材料含量越高，在同樣電磁外部作用條件下，產(chǎn)生的熱量越大，基體越容易運(yùn)動，特別地，石墨烯或者石墨化碳纖維的加入有助于提高加工成品整體力學(xué)性能及導(dǎo)電性，達(dá)到多重效果。

采用高頻電磁加熱的方法對粉料進(jìn)行加熱熔融，替換傳統(tǒng)的電阻加熱圈加熱，電磁加熱頻率優(yōu)選和石墨材料的共振頻率相吻合，有助于提高石墨材料的發(fā)熱效率提高，有助于提高石墨材料和基體材料的結(jié)合強(qiáng)度。

石墨材料也可以是鋁粉等其他導(dǎo)電材料，作用是在交變磁場作用下能夠產(chǎn)生電渦流進(jìn)而生熱，均勻分散在UHMWPE中可實(shí)現(xiàn)高效均勻加熱。

本發(fā)明提出一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置，主要包括混合裝置和擠出機(jī)，混合裝置將處理過石墨材料與HDPE混合，所述的擠出機(jī)包括進(jìn)料筒、機(jī)筒、螺桿、保溫層、電磁加熱裝置一段、電磁加熱裝置二段、電磁加熱裝置三段、擠出機(jī)模頭、顆粒冷卻及成型系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，螺桿位于機(jī)筒內(nèi)部，機(jī)筒外有保溫層，保溫層外部從機(jī)筒加料口到擠出機(jī)模頭排布電磁加熱裝置一段、電磁加熱裝置二段、電磁加熱裝置三段，機(jī)筒加料口處安裝有進(jìn)料筒，傳動系統(tǒng)控制螺桿的旋轉(zhuǎn)，處理過的石墨材料與HDPE塑化均勻經(jīng)擠出機(jī)模頭后再經(jīng)過顆粒冷卻及成型系統(tǒng)進(jìn)行造粒得到母粒。母粒與UHMWPE根據(jù)性能要求按比例混合后經(jīng)擠出機(jī)加工成所需型材。型材加工用擠出機(jī)包括包括進(jìn)料筒、機(jī)筒、螺桿、保溫層、電磁加熱裝置一段、電磁加熱裝置二段、電磁加熱裝置三段、擠出機(jī)模頭、型材定型冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，由于有母粒的混入，UHMWPE與母粒的混合材料與加料段機(jī)筒的內(nèi)徑的摩擦系數(shù)增大，擠出性能提高，按照UHMWPE的加工溫度要求設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)電磁加熱裝置一段、調(diào)節(jié)電磁加熱裝置二段和調(diào)節(jié)電磁加熱裝置三段的溫度，混合物充分均勻熔融后從擠出口模擠出，經(jīng)型材定型冷卻系統(tǒng)得到所需的制品。

本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置，采用高頻電磁加熱的方法也適用于其他聚合物加工的加熱，如注塑、滾塑、壓鑄等。電磁加熱能夠提高溫控精度，也是高效節(jié)能的加熱方式，減小能耗，降低成本。

本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置，其中采用的石墨材料可以是石墨粉、石墨片、石墨烯或石墨化碳纖維，其中石墨粉的平均直徑在500nm-1mm之間，石墨化碳纖維的平均長度在0.01mm-3mm之間，尺度分布不超過50％，對材料尺度的控制，有助于提高基體材料熔體的摩擦系數(shù)，尺度越大，摩擦系數(shù)越大，電磁作用生熱效果越明顯。

本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置，其中采用的偶聯(lián)劑優(yōu)選硅烷偶聯(lián)劑。

由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.利用石墨材料/HDPE作為改性母粒，加入U(xiǎn)HMWPE擠出過程，在電磁作用下具備良好相容性，一顆顆母粒作為熱源是很好的發(fā)熱介質(zhì)，為UHMWPE提供均勻分散的熱量，將母粒鄰近的UHMWPE熔化。

2.石墨材料或其他金屬顆粒的加入，使得基體材料同機(jī)筒的摩擦系數(shù)提高，促進(jìn)了螺桿擠壓下輸送能力的提高。

3.石墨材料的加入，可改善基體材料的導(dǎo)電特性，用于需要靜電屏蔽等場合。

4.當(dāng)石墨材料采用石墨烯、石墨化碳纖維時(shí)，基體材料成型后的力學(xué)性能將提升。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置的加工流程圖。

圖2為本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的裝置擠出加工設(shè)備簡圖。

圖中：1-進(jìn)料筒；2-機(jī)筒；3-保溫層；4-電磁加熱裝置一段；5-電磁加熱裝置二段；6-電磁加熱裝置三段；7-擠出機(jī)模頭；8-螺桿；9-電機(jī)座；10-聯(lián)軸器；11-套筒；12-推力軸承；13-軸套。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置，如圖1所示，為混料制備流程。

第一步，將石墨材料用硝酸處理，然后用酒精清洗并干燥后與偶聯(lián)劑共混攪拌并加入高速分散機(jī)中，使其混合均勻，其中石墨材料的添加比例為50％；第二步，將步驟一得到的共混物同HDPE以1:1的比例加入到雙螺桿擠出機(jī)中共混擠出，造粒后獲得石墨材料/HDPE母粒；第三步，將上述母粒和UHMWPE以8％的比例均勻攪拌混合后得到共混粉末。本發(fā)明的裝置主要包括混合裝置和擠出機(jī)，混合裝置將處理過石墨材料與HDPE混合。所述的擠出機(jī)包括進(jìn)料筒1、機(jī)筒2、螺桿8、保溫層3、電磁加熱裝置一段4、電磁加熱裝置二段5、電磁加熱裝置三段6、擠出機(jī)模頭7、顆粒冷卻及成型系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，圖2中示出了部分組成，螺桿8位于機(jī)筒2內(nèi)部，機(jī)筒2外有保溫層3，保溫層3外部從機(jī)筒2加料口到擠出機(jī)模頭7排布電磁加熱裝置一段4、電磁加熱裝置二段5、電磁加熱裝置三段6，機(jī)筒加料口處安裝有進(jìn)料筒1，傳動系統(tǒng)控制螺桿8的旋轉(zhuǎn)，圖2所示螺桿8相關(guān)的還有聯(lián)軸器10、套筒11、推力軸承12、軸套13和電機(jī)座9，處理過的石墨材料與HDPE塑化均勻經(jīng)擠出機(jī)模頭7后再經(jīng)過顆粒冷卻及成型系統(tǒng)進(jìn)行造粒得到母粒。母粒與UHMWPE根據(jù)性能要求按比例混合后經(jīng)擠出機(jī)加工成所需型材。型材加工用擠出機(jī)包括進(jìn)料筒、機(jī)筒、螺桿、保溫層、電磁加熱裝置一段、電磁加熱裝置二段、電磁加熱裝置三段、擠出機(jī)模頭、型材定型冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，由于有母粒的混入，UHMWPE與母粒的混合材料與加料段機(jī)筒的內(nèi)徑的摩擦系數(shù)增大，擠出性能提高，按照UHMWPE的加工溫度要求設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)電磁加熱裝置一段、調(diào)節(jié)電磁加熱裝置二段和調(diào)節(jié)電磁加熱裝置三段的溫度，混合物充分均勻熔融后從擠出口模擠出，經(jīng)型材定型冷卻系統(tǒng)得到所需的制品。

母粒的外表面可以制作成帶棱的結(jié)構(gòu)，或者母粒在混入U(xiǎn)HMWPE之前經(jīng)過粗糙輥進(jìn)行滾壓，使得母粒的外表面粗糙，當(dāng)母粒與UHMWPE混合后在擠出機(jī)中塑化時(shí)，混合物料與機(jī)筒的摩擦力更大，可進(jìn)一步增大擠出量。

本發(fā)明一種改善UHMWPE塑化和輸送性能的加工裝置，所述的擠出機(jī)選用雙螺桿擠出機(jī)。