超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料,因分子量极高而具有其它塑料无可比拟的优异性能,在国内外有“惊异塑料”之称。它在许多场合可以替代碳钢、不锈钢、青铜等材料,用于机械、运输、纺织、造纸、农业、食品包装、煤矿、陶瓷及化工等领域,具有广阔的应用前景。但与其它热塑性塑料相比,UHMWPE的一个主要缺点在于,它不能用通常塑料加工设备进行成型。由于这种超高分子量的聚合物在熔融状态下只表现出高弹态,而几乎没有一般聚合物所呈现出的粘流态,因此无法采用传统的针对粘流态聚合物的成型方法,如挤出成型,对它进行成型加工。这成为直接广泛应用纯UHMWPE制品的主要技术障碍。要克服UHMWPE成型的困难,目前通常所采用的方法是在纯UHMWPE原料中添加诸如普通聚乙烯这类低分子量聚合物来改性,使改性后的UHMWPE原料在熔融状态下具有较低粘度和较好流动性,并在经过改造的传统设备上进行挤出成型。但是,这种措施往往是以牺牲制品的基于UHMWPE独有的超高的分子量而理应具备的某些优异性能和增加制造成本为代价的,实际上是一种无奈之举,不具有技术上的先进性。可以说,目前单螺杆挤出成型纯UHMWPE的技术仍然有待突破。为了攻克纯UHMWPE成型难这一世界性难题,本论文另辟蹊径,针对纯UHMWPE在高弹态下具有可挤压的特性,设想了在挤出机的机筒内进行纯UHMWPE管材成型的可能性,形成了机筒成型法新工艺方法的构想,并阐述了机筒成型法的特征。基于机筒成型法构想,论文认为挤出系统产生足够的挤出压力是确保机筒成型法成功的关键之一。论文基于熔融态的纯UHMWPE只表现出高弹态,而几乎没有一般聚合物所呈现出的粘流态的特点,突破对一般聚合物在粘流态成型加工过程理论分析的传统方式,以经典的固体输送理论为依据,在固体摩擦的静力平衡基础上,比较完整地建立了纯UHMWPE原料在机筒成型法挤出机的单螺杆挤出过程中的压力形成理论,详细地推导出纯UHMWPE原料在挤出机各段中压力形成的数学模型,从而给出了纯UHMWPE原料到达机头时所形成的总的挤出压力公式。同时从成型加工角度首次提出,挤出压力不够正是导致纯UHMWPE原料在传统单螺杆挤出机中不能正常挤出甚至不能挤出的直接原因。熔融过程充分而适当是确保机筒成型法成功的另一个关键。论文依据机筒成型法的成型规律,详细分析了纯UHMWPE原料在机筒成型法挤出机中的熔融特征;以传导热学为基础,建立起纯UHMWPE原料在机筒成型法挤出机中熔融过程的物理模型;进而利用有限差分法建立了其数学模型,同时建立了对计算数据进行评判和分析的规范和标准,形成了机筒成型法挤出纯UHMWPE的熔融理论。以机筒成型法挤出纯UHMWPE的挤出压力形成理论和熔融理论为基础,论文成功开发出机筒成型法挤出机专用CAD软件,实现了对机筒成型法挤出机的计算机辅助设计。该软件在给定纯UHMWPE原料的性能参数和特制挤出机结构参数的条件下,一方面能够计算纯UHMWPE原料在挤出机各段中所形成的挤出压力并显示出其趋势图和总的挤出压力趋势图,用以判断挤出压力是否适宜,从而提供基于挤出压力的挤出机结构参数优化的计算机辅助设计手段;另一方面能够模拟纯UHMWPE原料在挤出过程中温度的变化规律,用以分析和判别熔融是否充分和合理,从而提供基于熔融状态的挤出机结构参数优化的计算机辅助设计手段。为保证挤出压力必须足够大的和原料到达机头时熔融必须充分这两大要素的实现,论文抓住机筒成型法挤出机构的组合式机筒中的增压内衬这一关键,以较充分的理论分析为依据,提出了对增压内衬开螺旋形沟槽以取代传统的开轴向沟槽的做法,能有效降低纯UHMWPE原料在挤出过程中的内摩擦热的创新见解;并以实现最小有效速度差为要求,在对纯UHMWPE固体塞微元的受力和相应的速度进行详细理论分析的基础上,给出了最佳增压内衬螺旋角的数学模型,提供了设计合理增压内衬的理论根据。论文以机筒成型法挤出纯UHMWPE的挤出压力形成理论和熔融理论为基础,使用所开发的专用CAD软件,设计并制造出独特的带螺旋形沟槽组合机筒和等螺距变螺棱高度复合螺杆的单螺杆挤出机构,将一台普通ST45-25单螺杆挤出机改造成机筒成型法挤出机,用于成功连续挤出采用纯UHMWPE粉料作原料的管材样品。从而从试验角度论证了机筒成型法的可行性及其相关理论的正确性。论文进而对机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材试样与模压成型的纯UHMWPE块材试样一道进行了干摩擦条件下与钢配副的摩擦、磨损对比试验,结果证实,采用机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材的摩擦系数完全在正常范围内;而且比模压成型的纯UHMWPE块材低。对磨损试验后的表面磨损形貌的SEM分析表明,机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材试样的磨损较之于模压成型的纯UHMWPE块材试样轻微。机筒成型法独特的成型过程,看来正是赋予机筒成型法挤出的纯UHMWPE管材优于模压成型法制备的纯UHMWPE材料的摩擦学性能的原因。从而证明了机筒成型法技术的先进性。机筒成形法不论在成型工艺还是在成型理论方面都有别于传统的单螺杆挤出成型方法,是解决纯UHMWPE管材成型难这一世界性难题的可选途径之一,该理论和方法可进一步引申到纯UHMWPE片材和棒材的单螺杆挤出成型加工中去。