高压在技术上是必需的，用于加工超高分子量聚乙烯（UHMWPE），以抵消该材料的显著收缩倾向及其流动阻力。与标准热塑性塑料可以注塑成型不同，UHMWPE需要巨大的力来熔合粉末颗粒，并在从熔融状态到固体块状材料的转变过程中消除内部空隙。
核心见解 由于UHMWPE在冷却时体积会收缩，并且具有极高的熔体粘度，因此它无法自然填充模腔或自行正确熔合。连续高压是唯一能够迫使材料固结成致密、无空隙的结构，并具有高性能应用所需的机械完整性的方法。
固化过程中控制体积收缩
冷却差异
当大量熔融的UHMWPE开始冷却时，它会经历显著的体积收缩。
根本的挑战在于材料不会均匀冷却。熔体的外表面首先接触模具壁并首先固化，形成坚硬、刚性的“壳”。
内部空隙的风险
随着内部核心继续冷却和收缩，已经硬化的外壳阻止了材料自然收缩。
如果没有外部干预，这种限制会阻止核心自由收缩。这会导致在块状材料内部形成空隙和气泡，从而损害其结构密度。
压力作为均衡器
为了解决这个问题，工业级压制设备在整个固化过程中施加连续压力。
这种外部力会物理上推动半固态材料填充由内部收缩产生的空间。此操作可有效消除空隙，确保最终产品保持高密度和结构完整性。
克服高熔体粘度
熔合挑战
UHMWPE在熔融状态下具有极高的粘度；它不像标准液体聚合物那样流动。
注塑成型等常规方法是不可行的，因为树脂无法注入模腔。相反，树脂以粉末形式开始，必须直接熔合为固体片材。
促进分子扩散
需要压力将这些树脂颗粒压在一起，这个过程通常称为烧结。
在此阶段，压力促进了粉末颗粒之间的分子扩散和界面熔合。这消除了晶界缺陷，并将离散的微米级颗粒转化为单一的、内聚的质量。
增强机械性能
通过在加热（烧结）过程中保持压力，该过程最大限度地缩短了达到机械平衡所需的时间。
由此产生的块状材料具有优异的拉伸强度和冲击韧性。在医疗应用中，诸如热等静压（HIPing）等技术从各个方向施加均匀压力，以确保各向同性的密度和可靠性。
优化结晶结构
控制结晶
在冷却阶段也利用压力来严格控制聚合物的结晶。
通过使用压力淬火（例如，在10 MPa下）等技术，制造商可以抑制大球晶的过度生长。这可以在材料内部保持细小、均匀的晶体形态。
确保几何精度
在压力下冷却在微观结构方面以及在几何方面都起着重要作用。
它可防止内部应力集中，这是翘曲的常见原因。这确保最终的片材或部件保持精确的尺寸和平整度。
理解权衡
工艺时长
达到这种密度水平并非易事。压制成型周期可能需要超过24小时的高温和高压。
需要这么长的时间才能使聚合物链充分重排并完全固结。
设备和摩擦限制
高压带来了显著的摩擦学挑战。
钢制模具可能会与聚合物产生过大的摩擦，从而导致压力不稳定。通常首选特种高温聚合物模具，以降低表面能并允许稳定加工，而无需额外润滑剂。
为您的目标做出正确选择
为了获得UHMWPE的最佳效果，请根据您的最终用途要求调整您的加工压力策略：
- 如果您的主要重点是结构完整性（例如，植入物）：优先考虑热等静压（HIPing）以施加各向同性压力，确保消除微孔隙和均匀密度。
- 如果您的主要重点是尺寸精度：使用水冷压机进行压力淬火，以防止冷却阶段的翘曲和内部应力集中。
- 如果您的主要重点是材料强度：确保在烧结阶段保持持续压力，以促进粉末颗粒之间完全的界面熔合，从而最大化拉伸强度和冲击韧性。
成功的UHMWPE加工依赖于利用压力不仅来塑造材料，而且来机械补偿其固有的流动性差和高收缩率。
总结表：
| 挑战 | 无高压下的影响 | 高压的作用 |
|---|---|---|
| 体积收缩 | 内部空隙和气泡的形成 | 补偿收缩以确保密度 |
| 熔体粘度 | 流动性差和粉末熔合不完全 | 促进分子扩散和界面结合 |
| 结晶 | 大球晶和内部应力 | 控制形态并防止材料翘曲 |
| 机械流动 | 填充模腔的阻力 | 迫使材料固结成内聚的质量 |
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参考文献
- Assma musbah said. Ultra-High-Molecular-Weight-Polyethylene (UHMWPE) as Desired Polymer Material for Biomedical. DOI: 10.47705/kjdmr.216103
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
