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脉动压力诱导塑化注射成型技术是一项在聚合物塑化、注射、保压成型全过程引入振动的新型注射成型加工技术,具有自主知识产权。实践和前期研究显示,注射成型过程的脉动压力对注射填充过程熔体的流动行为、制品聚集态结构与性能有重要的影响,通过加工对材料的形态结构进行控制以优化制品性能,是当今聚合物成型加工领域的一个重要研究课题。
本文在综合论述前人在振动辅助注射成型加工技术及相关方面研究进展的基础上,从理论上分析了脉动压力诱导塑化注射填充过程熔体的流动特性,建立了脉动压力诱导塑化注射过程熔体剪切应力、剪切速率和表观剪切黏度模型,构建了脉动压力诱导塑化注射过程熔体表观剪切黏度的测量与表征实验装置,发明了“聚合物动态注射流变特性与行为检测方法及设备”。同时通过力学性能测试、差示扫描量热分析、傅立叶偏振红外光谱分析和X射线衍射分析等对脉动压力诱导塑化注射成型iPP制品的力学性能、结晶态结构和取向态结构进行了系统的研究。结果表明:
在脉动压力诱导塑化注射充模过程,流道壁面处熔体剪切应力由两部分组成,第一部分与稳态注射过程的类似,取决于流道上熔体的压力降;另一部分则直接由外加振动所引起,并与外加振动频率、螺杆振幅成正比。熔体平均剪切速率与熔体的平均体积流率成正比,并且与熔体实际非牛顿指数有关。
与稳态注射成型过程的相比较,脉动压力诱导塑化注射成型过程压力损耗和压力降小,熔体充模流动长度和流道壁面处熔体平均剪切速率随着外加振动振幅的提高而逐步增加,在振幅达到最大时略有下降。壁面处熔体平均剪切应力基本上随着振幅的增加而下降,在接近最大振幅时下降的幅度变小或略有回升;熔体平均表观剪切黏度随着振幅和频率的增加而下降,最大下降了35.8%。脉动压力诱导塑化注射成型过程螺杆的振动对iPP制品的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均有影响,尤其对制品冲击强度的影响最为明显,制品冲击强度普遍高于稳态加工的,最大提高了约31.6%。
脉动压力诱导塑化注射成型iPP制品中微晶尺寸变小,结晶更加完善,熔点向高温方向漂移;而结晶度则是有的增加,有的减小。同时β型晶体含量有所下降。制品中晶区与非晶区之间、表层与芯部之间取向度差别缩小,取向态结构分布趋向均匀。脉动压力对芯层晶区取向度和整体取向度的影响最大,与稳态成型的相比较,最大分别增加了约109.6%和87.0%,其次是皮层非晶区的取向度,最多下降了55.0%,对皮层晶区取向度和整体取向度,以及芯层非晶区取向度的影响相对较小些,约20%~25%左右。
在上述基础上,本文研制发明了单缸液压式脉动压力诱导塑化注射成型设备,该设备输出激振力大。应用该装置,可以实现低温注射,而且成型精度提高。在大振幅下成型的iPP制品拉伸强度提高,冲击强度却有所降低;DSC测试结果表明制品的熔点、热焓和结晶度,与稳态成型的相比较变化不大,但存在着双重熔融峰的迹象。通过对振动条件进行优化,可以使制品在强度提高的同时,仍然具有较高的断裂伸长率,达到对制品同时进行增强和增韧的目的。
上述这些研究成果既丰富了聚合物动态成型加工理论,加深了对脉动压力诱导塑化注射成型过程振动影响熔体流动行为、制品结构和性能的规律的认识,同时,为优化注射成型的工艺参数以及改进成型设备,提供了实验数据与理论依据,对新技术的推广应用,制备高性能聚合物材料制品,具有重要的理论意义和现实意义。