通过双螺杆挤出法制备的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）/石蜡油热可逆溶胶的稳定性和流变特性

《Polymer Engineering & Science》：Stability and Rheological Characteristics of UHMWPE/Paraffin Oil Thermo-Reversible Sols, Obtained via Twin Screw Extrusion

本研究采用双螺杆挤出法制备UH-PO溶胶，系统研究螺杆配置、温度及氮气 purge 对溶胶热力学和流变学性质的影响。结果表明，提高UHMWPE浓度至9%仍能保持稳定溶胶和凝胶形成，但更高浓度引发降解；高温下氮气 purge有效抑制氧化降解，显著提升粘度和分子量稳定性；不同螺杆配置导致剪切强度差异，影响流变行为。研究为优化UHMWPE纤维加工工艺提供理论依据。

　　本研究聚焦于通过双螺杆挤出工艺制备超高分子量聚乙烯（UHMWPE）与石蜡油（PO）的溶胶（sols），并对其热性能和流变特性进行了系统分析。研究的核心目标是探讨不同工艺参数对溶胶状态下的材料行为以及最终纤维性能的影响。通过对溶胶的流变行为进行表征，可以更好地理解材料在挤出过程中的粘弹性响应，识别热力学和氧化降解现象，并评估其对分子量变化的影响。研究还结合热重分析（TGA）来分析挤出材料的组成变化和溶剂蒸发动力学。这些结果对于优化加工参数、提升材料性能以及推动更环保的制造工艺具有重要意义。

UHMWPE作为一种高分子量的聚乙烯材料，其分子量通常在2到10百万g/mol之间，这使得其在加工过程中面临诸多挑战。由于其理论粘流温度高于分解温度，传统加工方法难以直接应用。因此，研究采用双螺杆挤出工艺，并引入加工助剂，以确保在高温下能够形成稳定的溶胶和凝胶。在本研究中，UHMWPE的含量从7%到11%不等，研究人员通过调整螺杆配置、温度曲线以及氮气惰性气体的使用，对材料的性能进行了深入探讨。

研究发现，随着UHMWPE含量的增加，溶胶的稳定性在9%以下得以保持，但当含量超过这一阈值时，材料开始出现降解现象。这表明，提高聚合物浓度虽然有助于增强纤维的性能，但必须在适当的工艺条件下进行，以避免因机械应力或热应力导致的分子量损失。在加工过程中，机械剪切可能对材料造成一定影响，导致粘度略微下降。这一现象在高剪切强度的螺杆配置中更为明显，显示出剪切诱导降解的存在。

温度是影响材料性能的关键因素之一。随着挤出温度从185°C逐渐升高至215°C，材料的降解程度也随之增加，粘度显著下降。在较高温度下，即使在无氧环境下，材料仍会发生分解和蒸发，这表明温度对溶胶稳定性的影响不容忽视。然而，当在氮气保护下进行高温挤出时，材料的降解被有效抑制，从而减少了因氧化而导致的分子结构破坏。这为在高温条件下加工UHMWPE提供了新的可能性，同时展示了惰性气体保护在提升材料性能和降低能耗方面的潜力。

此外，研究还评估了不同螺杆配置对材料流变行为的影响。低强度混合配置主要由前向喂料元件构成，混合强度较低，对材料的剪切作用较弱；而高强度混合配置则包含了更多混合区域和反向喂料元件，能够延长材料在混合区的停留时间，从而提高混合效率。实验结果表明，高强度混合配置在某些情况下会略微降低粘度，但这种影响相对较小，且主要来源于剪切诱导的降解。因此，选择合适的螺杆配置对于在保证溶胶和凝胶形成的同时，减少材料降解至关重要。

为了确保实验结果的可靠性，研究强调了在挤出后尽快进行流变测试的重要性。由于溶胶容易发生溶剂流失（syneresis），即溶剂从凝胶中逐渐逸出，这会导致材料组成发生变化，从而影响其粘弹性行为。实验发现，材料在挤出后储存24小时，其粘度会显著下降，而溶剂的逸出会改变材料的结构和性能。因此，流变测试应在挤出后立即进行，以避免因溶剂流失而导致的数据偏差。

研究还通过热重分析（TGA）对不同温度下材料的组成变化进行了深入分析。结果显示，当材料在215°C下挤出时，溶剂的蒸发和分解更加明显，而氮气保护能够有效减缓这一过程。在氮气环境下，材料的粘度和结构稳定性得以保持，这表明氮气惰性气体的使用对于在高温下加工UHMWPE具有重要意义。然而，氮气保护并非万能，它可能会导致某些溶剂（如石蜡油）的损失，因此在优化加工条件时需要权衡其优缺点。

在流变模型方面，研究采用了Carreau-Yasuda模型对实验数据进行拟合，以更全面地描述材料的粘弹性行为。该模型的参数，如零剪切粘度、代表松弛时间、幂律指数和Yasuda指数，能够反映材料在不同剪切速率下的响应特性。随着温度的升高，零剪切粘度和松弛时间均呈下降趋势，而幂律指数和Yasuda指数则逐渐增加，表明材料在高温下更容易发生结构变化，例如链段解缠或分子量损失。这进一步验证了温度对材料降解的显著影响。

研究还探讨了不同UHMWPE含量对材料性能的影响。随着含量从7%增加到11%，材料的粘度呈现上升趋势，表明链段的相互缠绕程度增加。然而，在10%和11%含量的情况下，零剪切粘度出现轻微下降，这可能是由于剪切应力的增加导致了分子链的断裂。这一发现揭示了加工参数与材料性能之间的复杂关系，即虽然提高聚合物含量有助于增强材料的性能，但过高的剪切强度或温度可能导致分子量损失，从而降低材料的粘弹性特性。

从实际应用的角度来看，本研究的结果对于UHMWPE纤维的生产具有重要指导意义。尤其是在医疗领域，对纤维的强度、耐久性和残留溶剂含量有严格要求。因此，优化加工参数不仅能够提高纤维的性能，还能确保其符合相关法规和标准。此外，研究还指出，提高聚合物含量可以显著减少溶剂的使用，从而降低生产成本并提升工艺的可持续性。例如，当UHMWPE含量从5%提高到10%时，溶剂的使用量可减少约50%，这为降低工业生产中的能耗和环境影响提供了重要参考。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了双螺杆挤出工艺中多个关键参数对UHMWPE/PO溶胶性能的影响。结果表明，通过调整螺杆配置、温度和氮气保护等条件，可以在不牺牲溶胶和凝胶形成质量的前提下，有效控制材料的降解过程，从而提升最终纤维的性能。此外，研究还强调了流变测试在材料表征中的重要性，以及对加工过程中材料行为的深入理解对于实现可持续制造和高性能材料开发的必要性。这些发现不仅为UHMWPE纤维的工业生产提供了理论依据，也为未来材料加工技术的创新奠定了基础。