职业教育高分子材料加工技术专业教学资源库建设与应用策略的探索及实践

职业教育高分子材料加工技术专业教学资源库秉承“一体化设计,结构化课程,颗粒化资源”的建构逻辑,通过科学搭建专业课程体系、夯实基础及多重把关汇聚优质资源等建设机制举措,完成既定的教学资源制作目标;在应用方面依托智慧职教、职教云双平台联动,秉承边建边用的原则,采用多种策略进行资源库的应用推广。高分子资源库通过以上举措与策略的探索及实践,在建设应用过程中坚守情怀建库、融入情感,始终关注学生成长、助力教师专业化发展,形成了自身鲜明特色,从而将高分子资源库打造成为了有温度、有生命力、可持续发展的国家级专业教学资源库。

新型高分子材料透明制品内应力分布检测装置的研制

高分子材料制品普遍存在内应力,而内应力分布不均匀或过大均会使制品产生翘曲变形或应力开裂的缺陷,从而影响制品的正常使用。针对此类问题自主研制了一种基于应力双折射原理可视化表征高分子材料透明制品内应力分布的新装置,并利用该装置系统研究了不同注射成型工艺参数对聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等典型高分子材料透明制品内应力的影响。结果表明,注塑压力均会造成PS及PC制品内应力增大,但注射速度的增大使PC制品内应力增大,而对PS的影响则不明显;保压时间增加则会降低PS制品的内应力,而对PC内应力影响则不明显,该实验结论为今后寻求有效降低高分子材料制品内应力的措施奠定了理论与实践基础。

利用新型偏光仪进行高分子材料透明制品内应力的表征与分析

利用自主研制的新型内应力偏光仪并结合透明制品内应力与光程差的正相关关系,可快速从所检测干涉色中得出各干涉色所对应的内应力,并以此判断制品各部位内应力相对大小。据此开展了不同实验条件下PS、PC、PE等高分子材料透明制品内应力分布的表征及分析研究,结果表明该装置及方法为改善制品内应力状况奠定了一定的表征方法基础。

同向非对称双螺杆混合石墨增强导热高分子材料性能研究

选用粒径为15μm的鳞片石墨和3μm的氧化铝（A1203）为导热填料，采用新型同向非对称双螺杆挤出机为加工设备，在石墨填充量为10％（质量分数，下同）而Al2O3填充量为10%～50％范围内，制备聚丙烯（PP）／Al2O3和PP／A1203／石墨导热高分子材料并进行性能测试。结果表明，添加少量石墨，在Al2O3填充量低时可增强导热高分子材料的拉伸强度，石墨与Al2O3的混杂减缓了拉伸强度下降的速率，改善了导热高分子材料的弯曲和冲击性能；PP／Al2O3／石墨的熔体流动速率比PP／Al2O3的小，PP／Al2O3／石墨比PP／Al2O3的负载热变形温度升高约15％。

硅藻土负载ZnO制备及填充PLA/PBAT复合材料性能

将硅藻土原土作为载体,采用吸附-化学沉淀方法制备硅藻土负载ZnO(D-ZnO),用其填充制备抗菌性PLA/PBAT复合材料。对比研究了D-ZnO和市售纳米ZnO填充PLA/PBAT复合材料后,复合材料的抗菌、力学和结晶性能。结果表明,硅藻土表面成功负载六方纤锌矿型ZnO,负载率为12.81%。硅藻土原土对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌基本没有抑菌作用。而D-ZnO对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较强的杀菌作用,0.25 mg/mL D-ZnO水溶液处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌杀菌率达到100%。当采用1份D-ZnO填充PLA/PBAT复合材料时,其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌杀菌率可以达到99.5%和98.9%;采用相同含量的纳米ZnO填充PLA/PBAT复合材料时,其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌杀菌率仅为91.7%和90.9%。当D-ZnO填充量为1份时,PLA/PBAT/D-ZnO复合材料的力学性能变化较小,结晶度由5.9%提高至17.5%;而采用相同含量的纳米ZnO填充时,PLA/PBAT/ZnO复合材料的力学性能约下降了50%,并且,纳米ZnO对PLA/PBAT成核具有抑制作用。

高职材料成型与控制技术专业课程体系构建思考

从塑料机械行业背景及人才需求入手,总结出了材料成型与控制技术专业的职业岗位及其岗位能力,在课程体系改革思路的指导下,论述了高职院校材料成型与控制技术专业课程体系的构建,实现了基于工作过程的课程体系的开发。

3种混炼单元加工聚合物混合性能的模拟对比

采用屏障单元、混沌单元和叶片单元,应用聚合物流体动力学软件Polyflow,对这3种新型混炼单元加工聚合物的混合性能进行模拟与对比分析。结果表明,叶片单元的混合指数大于屏障单元和混沌单元,3种新型混炼单元流道内的物料均以拉伸作用为主,流道内拉伸作用强度最大的是叶片单元;混沌单元的停留时间期望值大约为4 s,屏障单元的大约为5 s,叶片单元的大约为6 s,叶片单元对物料的分布混合效果相对较好;叶片单元的拉伸作用明显高于屏障单元和混沌单元;3种新型混炼单元的瞬态混合效率从高到低依次是叶片单元、屏障单元、混沌单元,屏障单元的时均混合效率始终高于混沌单元,叶片单元随着轴向位置的增加对物料混合性能的影响越来越显著。

流体驱动弹头辅助注塑技术

流体驱动弹头辅助注塑工艺是一种基于流体辅助注塑工艺发展起来的新型中空注塑工艺。该工艺利用压力流体驱动弹头在熔体中穿透形成中空,可分为短射法、溢料法、回流法、活动型芯法和流动成型法。固体弹头的引入使得其突破了流体辅助注塑工艺的局限,具有诸多优点,但也存在一定的局限,可给予进一步的改进。弹头的合理设计是该工艺最关键的技术,该工艺要顺利实施还需要合理的模具设计及工艺控制。对该工艺进行深入研究将有助于该技术在我国的推广应用。

MWNTs对PP/MWNTs导热复合材料性能影响

利用新型非对称同向双螺杆挤出机制备聚丙烯(PP)/多壁碳纳米管(MWNTs)导热复合材料。研究了不同MWNTs含量对该复合材料热学及力学性能的影响。结果表明,该复合材料的热导率、缺口冲击强度及断裂伸长率均呈先增后减趋势。与纯PP相比,当MWNTs含量为6份时,导热复合材料热导率可提高123%;当MWNTs含量为4份时,导热复合材料最大分解速率温度可提高4.8%,热稳定性得到有效改善但存有较为明显的突变特性;当MWNTs含量为2份时,导热复合材料缺口冲击强度可提高13.7%;随着MWNTs含量的增加,观察导热复合材料微观断面形貌表明,含量增加整体团聚尺度趋于增大,团聚量也呈增多趋势。

同向非对称双螺杆混沌混合制备导热高分子材料性能研究

以聚丙烯(PP)为高分子材料基体,选用粒径为3μm的氧化铝(Al2O3)导热填料,采用新型同向非对称双螺杆挤出机为加工设备,制备PP/Al2O3导热高分子材料,通过力学性能、熔体流动速率、热变形温度、维卡软化温度、热导率和扫描电镜的测试分析,研究混沌混合加工对导热高分子材料性能的影响。结果表明:随着Al2O3含量的增加,PP/Al2O3导热高分子材料的拉伸强度先增大后减小,冲击韧性逐渐下降,加工流动性能变差,弯曲性能和抵抗热变形能力提高,热导率逐渐增大,Al2O3含量为20%左右达到逾渗阈值,当Al2O3含量为50%时,其热导率是纯PP的1.7倍。微观形态观察表明:Al2O3含量为30%时,PP/Al2O3导热高分子材料的综合性能最好,同传统双螺杆挤出相比,同向非对称双螺杆混沌混合加工可以制备出力学性能、热性能、导热性能等更加优异的填充型导热高分子材料。

PP/KPEG/MWNTs导热复合材料制备及性能

将可膨胀石墨(KPEG)和多壁碳纳米管(MWNTs)混合填料填充至聚丙烯(PP)制备PP/KPEG/MWNTs导热复合材料。保持混合填料总质量分数30%不变,改变两者质量比进行试验。结果表明,随着MWNTs填充比例增加,导热复合材料的拉伸强度呈先增大后减小趋势,而缺口冲击强度总体呈下降趋势。与纯PP相比,当MWNTs与KPEG质量比为1∶5(MWNTs质量分数为5%)时,导热复合材料的热导率提高了328.4%;MWNTs可提高复合材料热稳定性,但改变其与KPEG质量比在试验范围内对热稳定性影响较弱。

聚合物加工叶片塑化输运单元动力学模拟研究

应用多体系统动力学软件ADAMS,对叶片塑化输运单元的运动规律及动力学特性进行模拟仿真。结果表明,叶片塑化输送单元叶片的运动规律为简谐振动,随着转子转速的增加,叶片简谐振动频率增大,位移谐振强度不变,速度谐振强度提高,叶片与定子之间的作用力增大,作用力的变化幅度提高,加剧了叶片伸缩运动时与定子的冲击;叶片塑化输送单元的第11阶模态对单元系统振动的影响最大,第13阶模态次之,激励频率为5.7544、24.36、153.7Hz时单元系统会发生共振,但是偏心激励不会引起叶片共振断裂。

改性伊利石对ABS/EVAC膨胀阻燃复合材料的协效作用

采用十六烷基三甲基溴化铵(OTAB)对伊利石(ILT)进行表面处理,以改善其与聚合物基体之间的相容性,通过对比实验得出有机改性伊利石(OILT)使复合材料具有更优异的综合力学性能。同时研究了OILT用量对丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)/乙烯–乙酸乙烯酯塑料(EVAC)阻燃复合材料力学性能、阻燃性能和热稳定性能的影响,结果表明,当OILT用量为1%时,复合材料的拉伸强度最大,为16.85 MPa,冲击强度达到4.3 k J/m^2,氧指数也达最大值27.3%,燃烧级别达到V–0级,且具有最好的起始热稳定性能。适量的OILT对ABS/EVAC阻燃复合材料具有良好的阻燃协效作用。

PP/石墨/Al_2O_3导热复合材料的制备及性能

选择粒径为15μm鳞片石墨(FG)和3μm Al2O3混杂导热填料,采用新型同向非对称双螺杆挤出机,当Al2O3质量分数为20%时,改变FG的质量分数,制备PP/FG/Al2O3导热复合材料,研究混沌混合加工对导热复合材料性能的影响。结果表明,随着FG含量的增加,导热复合材料的拉伸强度和弯曲强度均呈现先增大后减小的趋势,而断裂伸长率、冲击强度逐渐减小,弯曲弹性模量逐渐增大,加工流动性能变差。当FG质量分数为40%时,导热复合材料的拉伸强度和弯曲强度有最大值,分别为32.76,46.88 MPa;抵抗热变形能力和热稳定性能逐渐提高,热导率逐渐增大。当FG质量分数为50%时,维卡软化温度提高7.2℃,负载变形温度提高38.6℃,最大分解速率温度提高13.7℃,热导率是未填充FG的6.6倍、纯PP的7.9倍。制备的导热复合材料具有优异的力学、耐热、导热性能。

PP/EG/MWNTs导热复合材料试验对比

利用高温膨胀插层工艺制备PP/EG/MWNTs导热复合材料,对比置于室温、800℃、900℃3种条件下制备的导热复合材料的热性能和力学性能,试验结果表明,经900℃高温膨胀后,PP/EG/MWNTs热导率可达1.51 W/(m·K),比纯PP的热导率提高了487.5%,与室温和800℃条件下制备的PP/EG/MWNTs相比,热稳定性和拉伸强度均得到有效增强,但缺口冲击强度没有明显变化。结合微观形貌可知,高温可使MWNTs进入膨胀后的EG层间,将复合材料结构空间填实后,有利于形成导热网络,从而提高了复合材料的热性能和力学性能。

非对称同向双螺杆端面造型对混合行为影响数值模拟

提出了同向自洁型双螺杆挤出机端面非对称造型的新概念。以符合Carreau定律的纯黏性流体为加工对象,建立相应的数学模型。采用Polyflow软件,基于叠加网格技术,对两种螺杆造型端面内的周期性流动和混合情况进行数值模拟。将粒子示踪技术及分离尺度相结合,研究了流场内分布混合能力;将分散准数与剪切速率相结合,表征了流场的分散混合能力。当两组螺杆单位时间转过的总圈数一致时,螺杆转速比为2∶3的组合混合能力稍优于转速比为2∶1的组合。

带有扰动副螺棱的单螺杆挤出机内混沌混合

提出一种采用副螺棱轴向往复运动来提高单螺杆挤出机混合的结构,探讨不同扰动幅度对螺槽内混合的影响。建立扰动副螺棱作用下三维周期性物理模型和相应的数学模型,对挤出机内牛顿流体三维周期性流动和混合过程进行计算。采用有限体积方法,变量分布采用交错网格,副螺棱的周期性运动边界通过叠加网格方式实现。采用4阶Runge-Kutta方法实现流体运动前锋追踪计算,对比Poincaré截面,得到示踪剂空间构型演变及界面增长。结果表明,副螺棱往复运动将导致螺槽内部的混沌混合区域围绕内部KAM管,并被外部准周期运动区域包围。处于混沌区域的流体界面呈现指数增长规律,而处于准周期运动的区域界面随时间仍然保持线性增长。副螺棱扰动幅度越大,内部准周期混合区域越小,混沌场覆盖的尺度越大。

OEEMD与Teager能量算子结合的轴承故障诊断

针对滚动轴承发生局部故障时振动信号中微弱周期性冲击的特征提取问题,提出参数优化集合经验模式分解(optimal ensemble empirical mode decomposition,简称OEEMD)与Teager能量算子解调结合的滚动轴承故障诊断方法。首先,针对集合经验模式分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)过程中两个关键参数k(加入白噪声的幅值系数)和m(集合平均次数)的准确选取问题,通过引入相关系数、相关均方根误差和信噪比分析,给出一种可自适应确定这两个参数取值的OEEMD方法,通过OEEMD将冲击从滚动轴承振动信号中分离出来;其次,采用Teager能量算子对其进行包络解调,计算出瞬时幅值后再对瞬时幅值进行包络谱分析,以获取冲击的特征频率,从而对滚动轴承故障进行准确诊断。仿真信号分析和应用实例验证了该方法的有效性。

单螺杆挤出机内混沌混合数值模拟

提出了在单螺杆挤出机内插入与螺槽等高的间断副螺棱来强化混合的结构。建立了不同副螺棱周期长度及扰动强度的物理模型数学模型,借助Fluent软件求解得到速度场。基于具有4阶精度的Runge-Kutta数值积分方法开发了流体前锋追踪代码,并对混合过程动力学进行了数值模拟表征。采用Poincaré截面分析、界面演化及停留时间分布等探讨了混合过程动力学细节,揭示混沌混合作用的尺度。结果表明:螺槽中上部存在左右2个KAM岛,其余区域为混沌混合区域。副螺棱周期长度越小,扰动强化越大,混合的效果越好。

新型非对称同向自洁型双螺杆混合过程模拟表征

介绍了新型非对称同向自洁型双螺杆端面造型特点及运动关系,建立了转速比为2/1的两根螺杆端面造型的物理模型。基于准静态假设,采用叠加网格技术,借助商用Polyflow软件,分别对新型非对称双螺杆和传统双螺杆端面内的周期性二维流动和混合进行数值模拟研究。以分散准数为指标,进行了静态混合及动力学行为表征。通过粒子示踪技术,得出累积分散准数和最大分散准数,分析新型非对称双螺杆和传统双螺杆的二维流场混合行为的差异,进一步探索螺杆造型对混合过程的影响规律。