聚合物加工成型技术创新研究进展

依据聚合物工业对加工过程节能降耗、废旧聚合物循环利用、可再生资源利用的重大需求,笔者在聚合物振动剪切形变加工成型方法和设备的基础上提出和研究了聚合物体积拉伸形变加工成型方法和技术,着重讨论了拉伸形变支配的叶片挤压系统的塑化输运过程、技术特征及混合特性.研究结果表明:这种新技术及其设备与传统螺杆塑化输运技术及其设备相比较,具有加工热机械历程缩短、加工能耗降低、混合混炼效果好、物料适应性广、制品质量高等优异的技术特点,且在聚合物多相多组分复合材料、聚合物/生物质复合材料等物料体系的加工方面具有显著优势.

成型加工过程中聚合物的连续自增强

提出了成型加工过程中聚合物连续自增强的概念.先介绍了传统加工过程中实现聚合物自增强的主要加工方法和设备,然后重点介绍了基于振动力场及拉伸力场的聚合物连续自增强加工方法和设备,阐述了聚合物在振动力场以及拉伸力场作用下连续自增强的机理、振动力场与拉伸力场对制品性能的影响.研究结果表明:振动力场和拉伸力场加工聚合物制品的自增强效果显著,制品力学性能与微观形态均明显改善;连续自增强技术具有物料适应广、适合实际生产加工等优点.

高频电场与正应力场协同作用下聚合物的热响应特性

目前高分子材料成型方法都采用高温塑化、低温成型的成型机理进行加工.这一过程消耗了大量的能量,并造成聚合物及其添加剂的热降解,降低了塑料的性能和可回收性.因此,文中在聚合物热压成型加工中引入高频电场,使物料在正应力和高频电场协同作用下实现低温塑化,研究物料在高频电场中发生热响应的压力、温度依赖性,以及在临界塑化温度点下制备的聚合物片材的力学性能,建立合理的温升模型.研究表明:材料极性越强,其介电损耗越高,物料吸热能力越强;极性材料和非结晶性聚合物吸热量随成型压力的增大而增大,而非极性的结晶性聚合物吸热量存在最佳吸热压力点;均聚物具有最佳吸热温度点,而多相的共聚物吸热量随加工温度呈指数增长;施加高频电场试样的拉伸性能显著提升,证实了协同低温塑化行为的存在.

叶片挤出机中聚合物固体形变的可视化和影响因素

采用组装式叶片挤出机在线观察了聚合物固体形变,考察了物料参数、颗粒大小和工艺参数对聚合物固体形变的影响.结果表明:固体颗粒会在叶片塑化输运单元的强制挤压作用下产生形变;高模量的聚合物固体经叶片塑化输运单元作用后产生的塑性形变大;大颗粒料经叶片塑化输运单元挤压作用后变成薄片,但小颗粒料则经历大的形变后粘连;聚合物固体颗粒的形变量随着温度升高减小,随着转速的增加增大.

叶片挤出机中聚丙烯熔融过程的可视化研究

通过自主研发的组装式叶片挤出机,采用动态可视化技术在线观察不同尺寸的结晶型聚丙烯的熔融过程,分析结晶型聚合物在叶片挤出机中的熔融规律和机理.研究表明:聚丙烯在叶片挤出机中的熔融过程分为全固体、富固体和富熔体3个阶段;在全固体和富固体熔融阶段,固体颗粒产生很大的塑性变形,固体颗粒在热传导和塑性耗散热的共同作用下熔融;而在富熔体熔融阶段,可以明显观察到固体颗粒的熔融,熔融过程主要受熔体黏性耗散热的影响;熔融所需VPCU组数受最难融固体颗粒(最大固体颗粒)控制,小颗粒物料比大颗粒物所需VPCU组数少.

体积拉伸流场中的纤维取向

运用粘弹性流动分析软件ANSYS POLYFLOW对基于体积拉伸流动成型的叶片挤出机中一个叶片单元的流场进行数值模拟,并将速度梯度张量代入纤维取向分布函数,计算叶片单元中纤维在不同方向的取向概率,分布函数最大值对应的方向为纤维取向方向,然后使用数学软件Matlab对周向不同剖面上的纤维取向分布进行可视化显示,发现:在叶片单元入口处纤维主要沿轴向(即挤出方向)取向,在远离叶片单元入口处纤维主要沿与周向和轴向呈一定夹角的方向取向,结合分散指数分布云图发现拉伸流场比剪切流场更有利于纤维的取向.文中还通过实验对数值模拟结果进行了验证,实验结果和数值模拟结果一致.

PS/Talc复合材料的制备及其超临界CO_2挤出发泡

利用混合效果优异的平行三螺杆挤出机制备了聚苯乙烯/活性滑石粉(PS/Talc)复合材料,分析了Talc在PS基体中的分散性,研究了复合材料的力学性能和热稳定性,并通过挤出发泡正交试验,探讨影响泡孔结构的主次因素.研究结果表明,三螺杆挤出混炼能很好地改善Talc在基体中的分散效果,当Talc含量在6%以下时,能够均匀分散在PS基体中;拉伸强度、冲击强度以及断裂伸长率随着Talc含量增加呈现先增加后减小的趋势,当Talc含量为6%时,拉伸强度、冲击强度以及断裂伸长率出现极大值;随着Talc含量增加,弯曲强度下降,弯曲模量增加;Talc能够增加复合材料的热稳定性,当Talc的填充量为10%时,复合材料的热稳定最好;挤出发泡正交实验结果表明,影响PS/Talc复合材料发泡行为的主次因素为:Talc含量、口模压力、口模温度;当Talc填充量为8%时,得到的泡孔尺寸最小,泡孔密度最大,它们分别为12.4μm和2.4×108个/cm3.