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北化王建教授課題組在超大長徑比雙螺桿擠出機用于超高分子量聚乙烯凝膠紡絲的最新進展
2023-04-11  來源:高分子科技


  超大長徑比(>100可提高雙螺桿擠出機的剪切、分散、混合和輸送能力特別高分子鏈解繞方面具有優勢開發的長徑比136同向嚙合雙螺桿擠出機成功應用于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)凝膠紡絲,紡絲質量得到顯著提升


  雙螺桿擠出機被廣泛用于提供添加劑、填料和液體等不同成分的均勻混合,是食品、纖維素漿、高分子化合物、化合物和含能材料連續生產線的核心。擠壓是一個連續的過程,包括在螺桿/機筒系統內成型或轉化材料,所涉及的機制包括傳動傳熱傳質的過程。長徑比(L/D)是關系到產品質量和擠壓過程中材料流變性能的一個非常重要的因素。增加L/D比可以容易地延長停留時間,從而提高產量、混合能力、模具壓力、熔融能力等,但也容易引起降解,影響塑料的塑化和擠出質量。應根據加工材料的物理性能和產品的質量要求,充分利用增加的L/D比的優勢。通過對CoperionLeistritzKrauss-Maffei等世界頂級擠出機供應商的調查發現,商用雙螺桿擠出機的L/D比大多為21?48。對于熱敏材料、顆粒材料和沒有高質量要求的產品(如廢物回收和造粒)的加工,建議選擇較小的L/D比。從3948的大L/D比更適合于需要更高溫度、壓力和產品質量的材料。L/D比的增加通常是有限的,因為螺桿軸將承受更大的扭矩。由于懸臂梁的結構通常應用于擠出機中,增加L/D比容易導致掃頻、異響、抖動、磨損等。超過100L/D比可以定義為超大長徑比超大L/D比對于許多領域是必要的,例如聚合物復合材料/納米復合材料的復合、紡絲和反應擠出。由于缺乏具有超大L/D比的雙螺桿擠出機,人們在這些領域必須采用多個擠出循環。


  超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維以其高強度、低密度、優異的機械性能在軍事和工業中得到了廣泛的應用。生產超高分子量聚乙烯纖維的凝膠紡絲工藝于1979年開發。在紡絲過程中,將UHMWPE粉末在溶劑中的懸浮液送入擠出機進行加熱和溶解,然后通過噴絲板紡絲。通過凝膠紡絲工藝可以有效地實現分子鏈解開的聚合物晶體,并生產出具有高韌性和高模量的纖維。纖維的理想結構是大分子鏈完全延伸,只有細長的晶體存在。然而,實際的纖維結構具有非晶區和折疊鏈,纖維張力集中在非晶區,導致實際強度和理論強度之間存在很大差異。減少分子鏈的糾纏是實現更好的加工性和更高的模量的關鍵。UHMWPE纖維的研究活動主要集中在材料配方、擠出工藝和后處理工藝。然而,對用于UHMWPE凝膠紡絲的機器或設備的研究很少。


  雙螺桿擠出機具有良好的展開能力,是凝膠紡絲工藝的主要設備。鑒于超大L/D比在改善分子鏈解纏結方面的優勢,本文研究了使用超大L/D比雙螺桿擠出機進行凝膠紡絲的可行性。新型支撐元件使雙螺桿擠出機的L/D比增加到136成為可能。成功制備了超高分子量聚乙烯凝膠纖維。通過拉伸試驗、廣角X射線衍射(WAXD)、差示掃描量熱法(DSC)和掃描電子顯微鏡(SEM)對纖維樣品進行了表征。研究了溶液濃度、料筒溫度和螺桿轉速對超高分子量聚乙烯凝膠纖維的停留時間、拉伸性能、熱性能和表觀形態的影響。將L/D比為36的雙螺桿擠出機也用于制備UHMWPE凝膠纖維進行比較。廣泛分析了長徑比對產品質量和擠出特性的影響。


  超大L/D比可以提高雙螺桿擠出機的剪切、分散、混合和輸送能力。特別是L/D比的增加可以增加停留時間,從而提高分子鏈的解繞能力,這適合于UHMWPE的紡絲,有利于產品質量。開發的長徑比為136的雙螺桿擠出機成功應用于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的凝膠紡絲工藝。在150?180°C的筒體溫度和10?40 rpm的螺桿轉速下生產濃度為6?18 wt%UHMWPE凝膠纖維。UHMWPE凝膠溶液在擠出機中的停留時間隨著溶液濃度和料筒溫度的增加而增加,隨著螺桿轉速的增加而減少。隨著溶液濃度的增加,UHMWPE凝膠纖維的拉伸性能和結晶度降低。由于超大長徑比的巨大剪切效應,可以降低筒體溫度和螺桿轉速,以優化UHMWPE纖維的結構和拉伸性能。與L/D比為36的擠出機相比,L/D136的擠出機制備的凝膠纖維的拉伸強度、模量和斷裂伸長率分別提高了148.8%117.6%54.2%。凝膠纖維的結晶度提高了50.6%。纖維表面致密光滑,原纖維取向,這表明超大L/D比具有很強的分子鏈解纏結能力。 



  以上研究成果以《Gel-spinning of ultra-high molecular weight polyethylene by a twin-screw extruder with an ultra-large length-to-diameter ratio》為題在聚合物加工領域權威期刊Polymer Engineering and Science(DOI: 10.1002/pen.26143)上發表。該論文第一作者和通訊作者為北京化工大學王建教授


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/pen.26143
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(責任編輯:xu)
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