超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种性能卓越的热塑性工程塑料,具有抗冲击性、耐磨性、自润滑性、耐低温性、化学惰性、生物相容性、耐应力开裂性和卫生无毒等优异性能,在生物医学、微电子、化工机械等高新科技领域以及粮食加工、物料输送、纺织等行业中得到越来越广泛的应用。然而,极大的分子量、极长的分子链和高度密集的物理缠结使UHMWPE具有极高的熔体粘度,熔体流动性极差,加上其极低的临界剪切速率,使UHMWPE的成型加工异常困难,不能采用常规的聚合物成型加工装备直接进行成型加工,极大地限制它的应用和推广。UHMWPE在螺杆挤出成型过程中,物料容易打滑而形成料塞,生产效率极低,即使采用UHMWPE专用螺杆进行挤出也要添加适量加工流变助剂进行辅助,其生产效率仍然非常低,可见传统的加工方法及设备不能有效地解决UHMWPE的加工难题。本文率先将基于拉伸流变的高分子材料成型加工新方法和新理念应用于UHMWPE的成型加工,采用以体积拉伸形变为主导的偏心转子挤出机对UHMWPE进行挤出加工,研究了UHMWPE体积脉动挤出加工过程和体积拉伸形变作用下UHMWPE的熔融塑化过程及机理,并探讨了UHMWPE体积脉动挤出物的形态和结构及其影响因素,为实现纯UHMWPE连续高效的工业生产提供新思路及理论依据,对丰富UHMWPE的熔融塑化和成型加工理论具有重要的学术价值。本文采用以体积拉伸形变为主导的偏心转子挤出机,在不添加任何加工助剂的前提下,首次实现了UHMWPE高效的熔融塑化和挤出加工过程,对于480万分子量的UHMWPE,在转速为125 r/min时的挤出产量为48 kg/h,达到普通PE的挤出生产效率,有效解决了纯UHMWPE在螺杆挤出加工过程中生产效率低的难题。偏心转子挤出机对UHMWPE具有高效的熔融塑化作用,挤出机转速超过100 r/min时UHMWPE的熔融塑化效果良好,且物料的分子量对熔融塑化效果的影响很小,结果表明,挤出加工过程中,偏心转子的体积拉伸形变作用和滚压作用迫使UHMWPE物料体积连续发生剧烈变化,强化了UHMWPE的传质传热过程,使原本处于“芯”部的未熔融物料更接近热源,从而加速UHMWPE的熔融进程。此外,UHMWPE物料在挤出过程中经受连续的拉伸形变作用而产生原位成纤现象,进一步提高了传质传热的效率,有利于UHMWPE的高效熔融塑化。基于拉伸流变的挤出加工过程能很好地保持UHMWPE的分子量,经过偏心转子挤出机加工后的UHMWPE物料,其流变性能、热性能和力学性能与原料的差别不大,表明经过加工的物料的分子量未发生明显变化。UHMWPE熔体在体积挤出成型过程中受到拉伸、剪切、粘滑效应和分子链形变回复等作用时容易发生变形或破裂,由于UHMWPE的熔体流动性很差、松弛时间很长,被破裂的熔体重新形成连续的熔体需要较长的缓冲时间。偏心转子挤出过程是一个高效的短流程挤出成型过程,UHMWPE物料在偏心转子中的停留时间较短,加工流变助剂和较小分子量聚合物的加入加剧了UHMWPE在体积脉动挤出过程中的熔体破裂现象,使其在较低挤出速度下仍难以连续成型,而未添加助剂或第二组分聚合物时,增大口模的长径比可在较高挤出速度下获得表面平整的UHMWPE挤出物,结合针对UHMWPE的熔体特性开发专用模头可高效挤出表面质量较好的制品。