北京化工大学毕业设计
目 录
前言 ......................................................................................................................................... （1） 第1章 绪论 ....................................................................................................................... （2）
第1.1节 课题的提出 ........................................................................................................... （2） 第1.2节 UHMWPE材料性能 .......................................................................................... （2） 第1.3节 UHMWPE加工方法和研究现状 ..................................................................... （3） 第1.4节 课题意义及研究内容 ......................................................................................... （5）
第2章 工艺设计 ............................................................................................................. （7）
第2.1节 生产线总体工艺设计 ......................................................................................... （7） 第2.2节 锥形双螺杆机挤出工艺 ..................................................................................... （8） 第2.3节 其他参数的确定 .................................................................................................. （8）
第3章 结构设计 .......................................................................................................... （10）
第3.1节 辊的布置与设计 ............................................................................................... （10） 第3.2节 箱体的结构设计 ............................................................................................... （15） 第3.3节 其他设备的设计与选型 .................................................................................. （16） 第3.4节 生产线总体视图 ............................................................................................... （19）
第4章 辊组工作状态下受力分析 ....................................................................... （20）
第4.1节 模拟方案及建模 ............................................................................................... （20） 第4.2节 三组辊组的结果分析 ...................................................................................... （23） 第3.4节 辊组分析结论 ................................................................................................... （28）
结论 ...................................................................................................................................... （29） 参考文献 ........................................................................................................................... （31） 致谢 ...................................................................................................................................... （33）
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前 言
超高分子量聚乙烯材料是一种新型的工程材料，其优异的抗冲击性，耐磨性，化学稳定性等使其具有广泛的应用前景，但是其加工性能较差，在熔融状态下几乎没有流动性，很难成型。目前为止管材的挤出成型技术相对成熟，可以挤出质量较好的管材，而板材很难挤出，通常方法还是压制烧结，因此生产过程缺乏连续性，为了解决板材成型的连续性，开展了本课题，旨在设计出一种用管材成型板材的方法。
本论文分为4章，第1章绪论：对材料的性能、研究意义及背景进行概述；第2章工艺设计：设计了工艺路线，确定了相关参数；第3章结构设计：对结构进行了合理化布置和设计并对一些辅机进行了选型；第4章辊组的受力分析：对辊组进行了有限元模拟分析。
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第1章 绪论
第1.1节 课题的提出
超高分子量聚乙烯是一种性能优异的工程塑料，其良好的抗冲击性，耐磨性和生物相容性等，其应用潜力非常巨大，目前已经在军工，医疗，机械等较前沿行业领域有所应用，但是其加工的难度较大，目前技术上难以实现连续化大生产，尤其是板材的连续化生产很难实现。因此提高UHMWPE板材的生产效率是目前研究的重要课题之一。
目前是研究方向以对其流动性的改性为主，而本课题重点在对其加工设备的结构上的设计，通过一种理论上可行的管材直剖平展方法，达到成型板材的目的，希望通过结构和工艺上的匹配实现板材的连续性生产。
第1.2节 UHMWPE材料性能
超高分子量聚乙烯 （UHMWPE，高强高模聚乙烯纤维） 是继碳纤维、 芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维，是新型热塑性工程塑料，其分子结构单元和普通聚乙烯相同，是一种线性聚合物，相对分子质量达 150 万至1 000万，密度 0. 92～0. 96g/
cm3,是目前世界上比强度和比模量最高的纤维[1,2]。UHMWPE常用指标见表1·1[3]。
表1·1 UHMWPE常用指标
项 目 相对分子质量（万） 结晶度（%） 密度（g/cm3） 洛氏硬度（HRM） 熔点（℃） 热变形温度（℃） 脆化温度（℃） 拉伸强度（MPa） 冲击强度（KJ/m2） 2
数 值 >150 65~85 0.92~0.96 40~60 135~137 >85 <-137 30~50 不断 北京化工大学毕业设计
断裂伸长率（%） 吸水率（%） 耐环境应力开裂/h 300~500 <0.01 >4000 其他物理性质：熔融状态时呈现橡胶状高粘弹性体，临界剪切速率低，熔体易破裂，摩擦系数小，成型温度比较窄，易氧化降解。
采用超高分子量聚乙烯材料的优势：比强度比模量最高，非常优异的耐磨，耐冲击，耐腐蚀，自润滑性能，板材的主要应用场合，如医疗器材，运动器材，军工防弹材料，输送行业，零件称层等[4]。然而制造加工方面存在许多问题，熔体粘度高，摩擦系数小，临界剪切速率低，易降解[5]，因此其实际应用能力远达不到理论潜力[6]。
2010年国外UHMW-PE产能约14.09万吨，2010年国外UHMW-PE表观消费量约 12.0万吨，主要用于生产防弹衣和武器装备等军工产品。预 计 2010-2015年国外UHMW-PE产能和需求量的年均增长速率分别约为 5.0%和 5.9%，2015年国外UHMW-PE产能和需求量分别约为18万吨和16万吨。2010年我国UHMW-PE产能约6.48万吨，2010年，我国UHMW-PE产 量 约3.0万吨，表观消费量约2.5万吨，主要用于制造防刺服、防弹衣、防弹头盔、绳缆、远洋渔网、劳动防护等。我国UHMW-PE有效产能将进一步提高，预计2015年我国UHMW PE产能约 7.7万吨，2010-2015年期间年均产能增长速率约3.5%。据预计，2010-2015年是我国UHMW-PE产业的高速发展期，产品质量和产品结构将进一步优化，我国UHMW-PE需求量的年均增长速率约为14.9%，2015年我国UHMW-PE需求量将达约5.0万吨。
第1.3节 UMHWPE加工方法及研究现状
1.3.1压制成型制板
压制成型工艺是UHMWPE最原始的加工方法。此法生产效率颇低,易发生氧化和降解。辊压成型工艺指在UHMWPE熔点一下对其施加很大的压力使粒子形变并从模口挤出物料，一般与挤出机联用。辊压成型法的专利相对较多，如美国约瑟夫等人通过抑制模具退出时下方的结晶温度，优化背压装置，从而补偿了加工特性的变化，实现UHMWPE板材成型的改善[7]。Werner和Pfleiderer公司开发了一种超高速熔结加工法,采用叶片式混合机,叶片旋转的最大速度可达150m/s,使物料仅在几秒内就可升至
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加工温度[8]。2012年北京化工大学首次引入称为松散烧结的方法制备超高分子量聚乙烯（UHMWPE）微孔材料[9]。韩国一个专利介绍了一种用于生产UHMWPE板材的装置，此装置特点是能实现自动化生产，缩短周期 [10]。
压制的方法制造UHMWPE板材可行性较好，加工设备简单，成本低，但也存在劳动强度大，板材质量不稳定，生产效率低等特点。仍然是目前生产板材最广泛的方法。
1.3.2 挤出成型板材
挤出工艺一般需要改性改变其流动特性，如用低分子量共混改性[11]，无机填料改性，聚合填充改性[12]，交联改性[13]等。但是改性后产品分子量降低，机械性能也降低。
四川大学的孙阳,袁辉对双螺杆挤出UHMWPE板材进行了研究。研究得出采用双螺杆机是最佳的连续高效挤出改性UHMWPE的设备，气辅挤出能使粘滑转变提前发生，共混体系挤出的板材有一定优势。该研究仍有许多不完善的地方，比如形成气膜的方式存在缺陷，气膜不稳定，没有对粘滑转变点定量分析等[14,15]。
双螺杆板机头挤出板材的工艺由于UHMWPE流动性差，几乎不可能实现，所以一定要进行改性，改性后的UHMWPE分子量降低，机械性能下降，但是连续性好。UHMWPE的诸多优良特性皆取决于它极高的分子量特性，在加工过程中保住了超高制品的分子量，就等于保住了超高的一切优良特性。因此对于纯净的UHMWPE板材挤出成型工艺还有许多问题值得研究。 1.3.3注塑成型
UHMWPE 注塑成型技术最早由日本三井石油化学公司在 1974 年开始研究，并于 1976 年实现商业化。北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所继 1997 年 UHMWPE 单螺杆挤出管材技术开发成功之后，2000 年又针对 UHMWPE 物料特性而专门研制出 UZ300 型 UHMWPE 注射机，在该注射机上实现了改性 UHMWPE 在低温、低压和低注射速度条件下的注射成型，制品形状、尺寸稳定，达到了工业化水平[16]。
1.3.4 与本课题相似的片材生产装置
刘阜东设计的UHMWPE单丝及其热拉伸加工方法提供了一种板材加工的可能，方案如下，单螺杆挤出管材，挤出后由切刀纵向剖开管材，展开成板材，加热压延得到膜片[17,18]。压延之前的工序可以借鉴，之后可以进行板材的压平等工序。 1.3.5直缝焊管与钢带加工
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