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液态反应性聚合物复合材料的旋转模塑成型工艺研究

作　者: 张军
导　师: 张恒
学　校: 郑州大学
专　业: 材料学
关键词: 旋转模塑液体原料不饱和聚酯树脂渗流工艺仿真
分类号: TQ320.66
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

旋转模塑是一种以塑料粉末为原料成型中空塑料制品的工艺。由于它具有一些其它成型工艺无法比拟的优点，如成本低、制品无内应力、适合成型大型制品等，一直受到人们的关注。该工艺也存在一些缺点，如制品强度低、工人劳动强度大、成型时间长、原材料种类少及原材料成本高等，限制了旋转模塑工艺的发展。长期以来人们一直都在努力研究适合旋转模塑工艺的新材料并对旋转模塑工艺进行改进，取得了一定的成果。很早就有人提出使用液体聚合物进行旋转模塑生产。液体聚合物与粉末聚合物原料相比具有诸多优点，如液体聚合物增强方式灵活，能够使用长纤维进行增强以提高制品强度等。但是，液体聚合物作为旋转模塑原料在操作过程中会遇到一些困难，主要问题是原料在模具壁上分布不均匀和制品表面产生气泡。这些问题制约了旋转模塑工业中液体聚合物的应用。基于此，本文工作的目标是使用通用型不饱和聚酯树脂为原料研究适用它的旋转模塑成型工艺及长纤维增强技术。同时，本文还对液态发泡树脂体系旋转发泡工艺进行了试验研究，并得到了一些有意义的结论。为进行上述不饱和聚酯树脂旋转模塑试验研究，本文自行设计并制造了双轴可调速旋转模塑机。该设备具有内传动和外传动两条传动路线，分别使模具绕两互相垂直轴旋转。该设备每轴调速范围为0～35r／min，能够满足液体原料在各种转速下的成型试验研究，也可用于企业中小型液体旋转模塑制品的生产。通过不饱和聚酯树脂旋转成型试验研究发现：不饱和聚酯树脂旋转模塑制品存在最大质量问题是壁厚不均匀及表面存在较多气泡，问题的产生与不饱和聚酯树脂的初始黏度和凝胶速度有关。与热固性树脂凝胶曲线相对应可把旋转模塑制品的形成过程分为成型前、成型期、缺陷形成期三个阶段。本文还研究了正交试验研究树脂初始黏度，凝胶速度与制品质量的关系。研究结果表明：树脂的初始黏度影响制品的厚度，树脂的固化速度影响制品壁厚的均匀性，而通过正交试验的方法可为生产一定形状和大小的制品确定合适的工艺参数。本文进行了长纤维增强不饱和聚酯树脂旋转模塑试验研究，试验结果表明：对于长纤维增强旋转模塑制品，制品壁厚均匀性控制不再是主要问题，而制品表面气泡控制是最为主要的工艺难题。针对这一问题，本文设计了试验观察和研究气泡形成过程的装置并进一步研究了气泡的形成机理。研究发现制品表面气泡主要是由于树脂浸润纤维速度不均匀性及树脂浸润纤维的驱动力过小产生的。本文通过增加树脂在模具内的流动通道，改善树脂浸润纤维速度不均匀性，制造出了表面没有气泡的制品。针对长纤维增强时，树脂浸润纤维驱动力过小的问题，本文提出了高速旋转成型技术，并进行了成型工艺试验。试验结果表明，模具高速旋转能够有效减少制品外表面气泡数量，但却在制品内表面产生较多气泡。通过对成型工艺进行仿真模拟，可知这是由于模具旋转速度过高引起的。可通过有限元仿真确定最佳模具旋转速度。论文最后还初步研究了液体原料旋转发泡工艺，进行了成型试验，并研究了工艺参数对发泡泡孔均匀性和大小的影响。试验表明：随着主轴转速的增大，制品外壳气泡数量增多；异氰酸脂和聚醚的质量比接近1∶1，稳定剂质量比一般在0.5-5％之间时能够得到泡孔密度均匀致密的泡沫夹芯。结合本文所做工作及得到的结论，本文有以下几点创新：1)首次使用旋转模塑成型工艺制成了连续纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料制品。2)首次研究了连续纤维增强旋转模塑工艺中树脂交联固化的化学变化与旋转运动物理变化的耦合问题，获得有价值的研究结论。3)首次采用提高模具双轴旋转速度的方法，减少长纤维增强时制品表面气泡缺陷。4)首次使用拉格朗日-格拉平流重构算法基于有限单元法对旋转模塑工艺进行仿真模拟，仿真的结果可为制定工艺参数提供理论依据。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-12
第一章绪论  12-32
  1.1 传统旋转模塑成型工艺  13-22
    1.1.1 传统旋转模塑工艺流程  13
    1.1.2 传统旋转模塑的发展  13-15
    1.1.3 传统旋转模塑用原材料  15-17
    1.1.4 传统旋转模塑的设备和模具  17
    1.1.5 传统旋转模塑的工艺控制  17-19
    1.1.6 传统旋转模塑工艺应用  19
    1.1.7 传统旋转模塑工艺优缺点  19-22
  1.2 旋转模塑衍生工艺  22-29
    1.2.1 聚乙烯基复合材料旋转模塑工艺  22-23
    1.2.2 尼龙复合材料的旋转模塑工艺  23-25
    1.2.3 旋转模塑发泡成型工艺  25-28
    1.2.4 液态反应性树脂旋转模塑成型工艺  28-29
  1.3 本文研究的内容及意义  29-32
    1.3.1 本文研究的目的、意义  29
    1.3.2 本文的研究内容  29-32
第二章液态反应性树脂旋转模塑理论分析  32-50
  2.1 液态反应性树脂旋转模塑成型工艺  32-37
    2.1.1 液态反应性树脂旋转模塑工艺流程  32-33
    2.1.2 液态反应性树脂旋转模塑工艺设备及模具  33-34
    2.1.3 液态反应性树脂旋转模塑工艺用原材料  34-37
  2.2 聚酯类热固性树脂旋转模塑工艺相关机理及性能研究  37-43
    2.2.1 聚酯类热固性树脂固化机理  37-41
    2.2.2 聚酯类热固性树脂化学流变性  41-43
  2.3 液态反应性树脂旋转模塑工艺控制  43-49
    2.3.1 纯树脂旋转模塑工艺模具内树脂流动行为  43-45
    2.3.2 长纤维增强旋转模塑模具内树脂流动行为  45-49
  2.4 本章小结  49-50
第三章液态反应性树脂旋转模塑工艺试验研究  50-84
  3.1 液态原料旋转模塑机的设计与制造  50-55
    3.1.1 机械传动方案设计  50-54
    3.1.2 电气控制设计  54-55
  3.2 液态反应性树脂旋转模塑成型工艺试验研究  55-60
    3.2.1 试验原料  55-56
    3.2.2 试验仪器  56-57
    3.2.3 试验方法及步骤  57
    3.2.4 试验结果及分析  57-60
  3.3 正交实验研究各因素对工艺的影响  60-65
    3.3.1 因素水平的确定  60-61
    3.3.2 实验方法与步骤  61
    3.3.3 结果与讨论  61-65
  3.4 长纤维增强液态反应性树脂旋转模塑成型工艺研究  65-76
    3.4.1 长纤维增强液态反应性树脂成型实验研究  65-70
    3.4.2 气泡形成机理分析  70-76
  3.5 高速离心旋转模塑成型工艺试验研究  76-82
    3.5.1 高速离心旋转模塑成型工艺原理  76-77
    3.5.2 液态树脂高速旋转模塑工艺成型试验  77-79
    3.5.3 旋转速度对制品表面气泡数量的影响  79-81
    3.5.4 高速离心双轴旋转成型  81-82
  3.6 本章小结  82-84
第四章旋转模塑工艺中树脂交联化学变化/旋转运动物理变化的耦合问题研究  84-94
  4.1 树脂交联化学变化/旋转运动物理变化耦合问题的提出  84-85
  4.2 旋转模塑工艺中树脂浸润纤维的微观动力学模型  85-87
  4.3 毛细运动速度  87-88
  4.4 树脂黏度与模具旋转速度的关系及其对树脂浸润纤维的影响  88-90
  4.5 长纤维增强液态反应性树脂旋转模塑工艺中毛细管理论试验验证  90-91
    4.5.1 试验方案  90
    4.5.2 试验结果  90-91
  4.6 本章小结  91-94
第五章旋转模塑工艺数值仿真模拟  94-108
  5.1 长纤维增强旋转模塑工艺模拟  94-101
    5.1.1 数学模型  94-97
    5.1.2 有限元模型  97-100
    5.1.3 计算结果及分析  100-101
  5.2 高速离心旋转模塑成型工艺模拟  101-107
    5.2.1 高速离心旋转成型工艺数学模型  101-102
    5.2.2 有限元模型  102-104
    5.2.3 有限元计算结果及讨论  104-107
  5.3 本章小结  107-108
第六章旋转发泡技术成型结构泡沫复合材料试验研究  108-114
  6.1 成型工艺原理  108-109
  6.2 成型试验  109-110
  6.3 试验结果与讨论  110-112
    6.3.1 主轴转速对制品质量的影响  110
    6.3.2 聚氨酯树脂配比对泡沫质量的影响  110-111
    6.3.3 模具温度对泡孔质量的影响  111-112
  6.4 液态原料与固体原料旋转模塑发泡工艺的比较  112
  6.5 本章小结  112-114
第七章总结  114-116
  7.1 结论  114-115
  7.2 展望  115-116
参考文献:  116-122
致谢  122-124
附录1:攻读博士学位期间发表的论文  124

液态反应性聚合物复合材料的旋转模塑成型工艺研究

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