超高分子聚乙烯(UHMWPE)具有许多诸如高抗冲击、自润滑、耐磨等卓越性能,在国防、运输、体育、医疗等领域被广泛应用。但是,因为其极高的分子量和极长的分子链,内部很容易发生分子链缠结,形成物理缠结网络。因此,其熔体粘度极大、流动性极差、临界剪切速率极低等,使得UHMWPE的成型加工变得极其困难,已成为世界性难题。设备是材料加工的根本,应符合材料的加工特性。目前采用的常规设备加工UHMWPE仍存在效率低、材料损伤大、材料稳定性不高等问题。所以,急需新型加工设备的设计与开发,在本质上为UHMWPE的难加工寻求突破。首先,选用具有剪切和拉伸混合流场的连续密炼挤出设备CM-50D对分子量为3.0×10~6 g/mol的UHMWPE进行加工,根据其特殊的熔融塑化规律可将其分为混合输运区、压缩粘结区、熔融塑化区以及熔体输送区四个特征区域。CM-50D可以实现UHMWPE的高效率和连续性加工,为其加工开辟了一种新的方式。但是对于UHMWPE而言其仍然存在剪切力过大、局部摩擦过热、加工温度过高、喂料困难和易抱杆堵塞等不足,导致物料发生氧化降解,分子量降至2.1×10~5 g/mol。相比于传统模压工艺,样品储能模量降低一个数量级,拉伸强度下降34%。因此需要根据UHMWPE的塑化特点对连续密炼挤出设备的塑化功能分区比例进行调整和转子结构进行重新的设计和改造。其次,根据对UHMWPE熔融塑化的深入探究和密炼转子的有限元模拟分析表明,减少混合输运区和压缩粘结区的比例能明显缩短转子长度,减少物料的热加工历程;增大转子螺棱的楔入角和增加转子与机筒的间隙可以有效的降低密炼转子的平均剪切力,减少物料受到过度剪切而发生分子链断裂,分子量降低的现象;根据物料在转子内部的受力分析可知,将密炼转子正反向密炼螺纹的正对相接方式通过将反向螺纹周向旋转30°的设计改变为交错断开,可以消除塑化空间的高压区域,避免发生局部高剪切和局部摩擦过热现象;将交错断开的反向螺头起始端的90°垂直改为45°倾斜可以使高粘度UHMWPE熔体顺利向前输运,从而避免物料集聚而发生的摩擦生热过多,加工温度过高现象,致使物料受热历程过长而发生热氧化降解。经过预实验和加工工艺优化表明,加工温度降低约50℃,加工能力提升60%,分子量可以达到2.2×10~6 g/mol。最后,采用重新设计开发的专用化三棱低温K型双转子连续密炼挤出设备CM-35S-K对UHMWPE进行加工制样,通过测试分析表明,UHMWPE的加工温度降低50℃左右,分子量保留率提升10倍,缠结分子量Me降低79%,缠结点密度增加52倍,拉伸强度可达45 MPa以上,断裂伸长率可达760%。设计改造后设备加工样品的拉伸强度提高61%、断裂伸长率提升287%,说明密炼转子的设计与改造非常成功,加工性能提升非常明显,同时材料的分子量和超高性能保持很好。与传统的模压和转矩密炼相比,机械性能更好,加工温度更低,加工连续性、稳定性更好,加工效率也大大提高。