低频振动注射对聚合物流变行为及试样结构与性能的研究.pdf

低频振动注射对聚合物流变行为及制品结构与性能的研究材料加工工程专业博士生：李又兵指导教师：中开智教授近年来，熔体振动技术作为一种有效的形态控制技术得到了比较广泛的研究本课题组创造性地研制了两套振动注射成型装置来分别实现对聚合物熔体的剪切振动和压力振动，并围绕低频振动注射成型工艺的研发、应用，对聚合物熔体的加工流变性能影响，制备的哑铃试样和方片试样的力学性能、结晶行为、相形态进行了系统的研究，得到了富有科学意义的理论成果，为改善聚合物的加工流变性能、实现聚合物自增强、自增韧开创了一个新的方法，为工业化生产奠定了必要的理论和实践基础研究中取得的主要成果如下：1 ．低频振动注射成型装置的研制以实现低频振动注射成型技术为目的，创造性地分别设计了剪切振动和压力振动实验装置，将不同类型的振动场巧妙地与注射过程有机地结合在一起，并能分别实现常规注射和振动注射，方便后续进行的制件结构与性能的对比性研究在剪切振动装置设计中，采用曲柄连杆机构实现的机械振动引入到熔体流动过程中，设计特殊的振动头实现了熔体在料筒中的剪切振动，振动频率( 0 —1 5 H z ) 和位移振幅( O 一3 m ) 都可方便而准确地进行调节。

选择液压系统首次实现了压力振幅( 0 ～5 9 ．4 M P a ) 、振动频率( O 一3 H z ) 可调的低频压力振动创新设计，文献报道的振幅都是位移振幅，本文首次采用压力振幅，实现增压和压力振动是该装置设计中的创新之处；选择贯穿料简、喷嘴、流道和模具型腔全过程的压力振动注射成型方案，这在相关的研究中都没有过报道李又兵：鹄囊最耪泣甜对橐套j ．鱼支行为置武坪诗构与性蕾曲研竞2 ．利用低频振动注射成型装置，着重研究了在振动场中聚合物熔体的流动行为聚合物熔体的表观粘度随着振动频率和位移振幅的增加而明显下降，当频率到达到特定的摄频( 5 ．0 H z 左右) 后，表观粘度随振频的增加而变化不大，这与研究振动注射成型的权威J ．P ．1 b a r 的研究成果是一致的，但他主要集中在非晶聚合物的振动流变行为研究，本文姆研究对象扩展到结晶聚合物H D P E 和P S 在剪切振动场中熔体表观粘度降低的最大幅度分别为5 3 ．2 ％、6 0 ．3 ％以前的振动场对熔体流变性能的研究主要集中在剪切振动，振幅也主要是位移振幅，本文创造性地在熔体的流动过程中叠加脉动的压力振幅，首次研究了压力振动场对聚合物熔体的流动性能的影响。

表观粘度随着压力振幅、振频的增加而明显下降，当压力振幅为2 9 ．7 M P a 时，H D P E 、P P 和A B S 表观粘度最大的降低幅度分别为9 9 ％、9 9 ％和9 4 ．3 ％；随着振频的增加，粘度迅速下降，当振频大于0 ．7 0 H z 之后，增加振频对粘度的影响不大，H D P E 、P P 和A B S 表观粘度随振频增加而降低幅度分别为4 8 ．9 ％、8 2 ．9 ％、6 6 ．7 ％，可见压力振动场相比于剪切振动场更能明显地改善聚合物熔体的流动行为3 ．低频振动注射成型哑铃形自增强聚合物试样结构与性能研究利用压力振动成型装置，对结晶型聚合物哑铃形试样的结构与性能进行了广泛的研究，普遍获得了自增强的注塑制件增加压力振幅可以明显地改善试样的拉伸强度、断裂伸长率降低、冲击强度增加；低频范围内增加频率获得拉伸强度较高、断裂伸长率有所下降，再增加振动频率可以实现强度增加的同时，断裂伸长率有所回升在形态研究中，首次对注射制件的表层、剪切层和芯层分别进行了D S C 、S E M 和w A x D 形态研究对H D P E 进行振动注射发现，试样获得自增强的效果不仅与分子量有着直接的关系，与分子量分布或者说高分子量的分子链的比重有很大的关系。

高分子量的分子链在压力振动场中先形成线性初级核，然后诱导其他的分子链在其上结晶生长，S E M 显示振动试样获得了行式排列的片晶结构或串晶结构在振动注射的H D P E 试样中，有着较低分子量、分子量呈双峰分布的6 1 0 0 M 获得的力学性能提高幅度最大，达到了5 2 ．3 ％，而较高分子量的6 0 9 8 试样拉伸强度有4 1 ．5 ％增加，分子量较小的H D 6 0 7 0 E A ，拉伸强度有3 6 ．2 ％的提高6 1 0 0 M 和6 0 9 8 料的断裂伸长率随着强度的增强有所下降，并在较高的振频下有所回升，田川太荦博士季往论文而H D 6 0 7 0 E A 在强度增加的同时延展性有所增加或基本没有变化·I P P 振动试样的强度虽然只有1 7 ．2 ％的提高，但首次发现冲击强度在压力振幅大于3 9 ．6 M P a 时获得了跃升；在高温( 2 3 0 1 2 、2 5 0 1 2 ) 下进行振动注射，创造性地实现试样自增强的同时自增韧，突破了不少高分子专家认为自增强的同时韧性必然下降的固有看法，究其原因主要是振动注射获得了细化的球晶，在高频振动下获得了较多的1 3 晶。

S E M 显示振动场使球晶在流动方向上发生了取向变形，尺寸有所减小W A X D 证明振动注射有利于形成Y 晶，而B 晶含量的增减与成型温度有关，在低温下振动注射使§含量降低，这与S C O R I M 上的研究成果相吻合，在高温下高频、低振幅振动注射有利于1 3 晶含量的增加，这与大多数高分子学者认为剪切有利于生成1 3 晶的观点一致；调节振动注射加工参数可以控制B 、Y 晶型在试样中生成的含量，创造性地实现了试样性能的可改变性和可控制性；在大量的实验研究基础上，独创性地对a 、B 、Y 晶型相图迸行了绘制，创造性地总结出振动注射条件与性能要求之间的关系，对性能的可设计性具有一定的理论指导意义对玻纤在振动试样中的取向分布规律研究，直观地显示了振动注射场对分子取向的影响情况，实现与证明了取向的玻纤结构有利于P P 组分的Y 、晶型生成振动注射使试样维卡软化点温度提高，H D P E6 1 0 0 M 、H D P E 6 0 9 8 、H D 6 0 7 0 队、P P1 3 0 0 和F R P P 分别最大提高了1 0 ℃、1 1 ．7 ℃、5 ℃、8 ．6 1 2 和4 ．5 1 2 。

常规注射试样的结构主要由球晶构成的芯层为主，芯层范围宽，压力振动注射使剪切层范围扩大，芯层范围减少甚至于消失压力振动注射有利于晶粒细化，结晶更完善，结晶度提高，H D P E6 1 0 0 M 、H D P E 6 0 9 8 、H D 6 0 7 0 队、P P1 3 0 0分别最大提高了9 ．6 n 5 、7 ．9 ％、1 0 ．2 ％、1 2 ．1 ％和2 6 ．2 ％4 ．低频振动注射成型方片形聚合物试样结构与性能研究利用压力振动注射成型实现了聚合物方片形试样在纵横两向上的性能都得到了增强，这种利用单向应力场实现试样双向性能自增强的研究方法在国内外都没有进行过H D P E 、P P 和F R P P 在纵向上拉伸强度提高的幅度分别为2 5 ．8 ％、1 7 ．4 ％和1 1 ．8 ％；在横向上拉伸强度分别提高了1 4 ．3 ％、9 ．6 ％和1 4 ．9 ％S E M 证明双向自增强H D P E 振动试样中形成了串晶互锁结构；I P P 振动试样的形态仍然是以球晶结构为主，但在压力振动场的作用下，球晶沿流动方向有所变形取向，球晶尺寸有所降低，该形态研究结果和提出的形态演变过程在1 1 1±兰苎! 苎塑兰兰苎苎苎! 竺兰苎兰竺苎苎苎! 苎苎兰苎苎! ! ! 查．相关的文献中未见报道。

芯层中的玻纤在流动场和压力振动场的综合作用下，呈现与流动方向成4 5 夹角的取向，这有利于纵横两向性能的提高·低温下进行振动注射D P P 同样使B 晶含量有所降低，有利于Y 晶晶型的生成振动方片试样的维卡耐热温度普遍得到了提高，H O l a E 6 1 0 0 M 、l a p1 3 0 0 和F R l a l a 软化点温度最大能分别提高4 ．2 ℃、3 ．5 ' C 、2 ．5 “ C ，说明压力振动注射实现了试样在包括厚度方向在内的立体多方位的增强，为改善试样各向异性提供了一条新方法振动注射使H O P EB L O O M 熔融峰向高温漂移、结晶更完善、结晶度提高，结晶度在剪切层上最大能提高1 0 ％左右：使P P1 3 0 0 振动试样在芯层中的结晶度最大能提高1 1 ％5 ．低频振动注射成型P P 几L D P E 共混体系的形态与性能研究L L D P E 组分的加入，大大改善了P P 的韧性，但屈服强度有所降低基于振动注射能实现聚合物哑铃试样自增强的实验成果，将该体系进行振动注射振动注射有利于P P 组分中Y 晶型的生成，有利于获得类似串晶的取向晶带结构和高的结晶度，从而实现P P ／L L D P E 试样拉伸强度的提高，低频、高振幅下振动注射明显使晶粒细化，有利于冲击韧性的改善。

当P P 几L D P E 配比为6 5 ／3 5 时，振动试样的拉伸强度提高5 ，7 ％的同时，冲击韧性提高了4 7 ．4 ％这样L L D P E 组分加入提高了P P 韧性，通过振动注射实现了试样冲击韧性的再次提升，而拉伸强度有一定程度的增强振动注射有利于提高L L D P E ／P l a 注射试样的维卡软化温度，当配比为6 5 ／3 5 软化点温度最大能分别提高5 ．2 “ C 可以预见振动注射可以广泛地实现共混体系注射试样的自增强为共混体系的增强提供了一条新思路总之，振动注射成型有利于聚合物熔体的改善，实现聚合物注射制件的自增强，等舰聚丙烯在高温下注射获得自增强的同时自增韧关键词：形态控制低频振动注射振频振幅流变性能砸铃方片力学性能热性能自增强自增韧皮芯结构串晶串晶互锁球晶取向结晶度分子量分子量分布l a pH O l a EF R P PP P 几L D P E——! 型查! ! ! ±! 苎垒圭．一一————_ ————_ ————_ _ - ———————_ —●——————_ —- ——————————_ ———————————一一S t u d yo nP o l y m e rR e o l o g i c a lB e h a v i o ra n dS t r u c t u r e ——p r o p e r ti e sP r e p a r e dv i aL o wF r e q u e n c yV i b r a t i o nI n j e c t i o nM o l d i n gM a t e r i a l sP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n gP h ．D ．S t u d e n t ：L iY o u b i n gA d v is o t ：P r o f ．S h e nK a i z h lR e c e n t l yt h em e l tv i b r a t i o nt e c h n i q u e ，a sa ne f f e c t i v em o r p h o l o g yc o n t r o lt e c h n i q u e ，i sw i d e l ys t u d i e di nt h ew o r l d ．I nt h i sp a p e r , t W Oc r e a t i v e l ys e l f - m a d ev i b r a t i o ni n j e c t i o n - m o l d i n gd e v i c e sa r ea p p l i e dt or e a l i z es h e a rv i b r a t i o na n dp r e s s u r ev i b r a t i o n ，r e s p e c t i v e l y , w h i c ha r eu s e dt os t u d yt h 。