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气体辅助注射成型制品形态结构及性能

作　者: 郑国强
导　师: 杨鸣波
学　校: 四川大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 气体辅助注射成型常规注射成型 iPP HDPE PC/PE共混物玻纤增强聚合物气体穿透剪切应力串晶横晶
分类号: TQ320.662
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

气体辅助注射成型(Gas-Assisted Iniection Molding，GAIM)是在常规注射成型(Conventional Injection Molding，CIM)的基础上发展而来的一种新颖聚合物加工技术，目前已在工业界得到广泛应用。但是，关于GAIM工艺过程中的基本问题探索方面，截至目前，学术界的研究工作主要集中在气体穿透过程中的数值模拟、气道结构设计及其对制品力学性能的影响等方面。鉴于此，本文首先采用模拟手段阐述GAIM和CIM工艺过程中物理场的异同，与此同时，重点研究聚合物及其共混物以及玻纤增强聚合物的GAIM制品的形态结构、形成机理和力学性能。通过以上研究，分析了GAIM和CIM在工艺过程中物理场异同点的机理，阐明了GAIM工艺过程结晶形态、相形态的形成以及玻纤取向行为的影响机制，从而为进一步改善GAIM制品的性能提供了理论指导和实验依据。主要研究结果如下：(1)采用数值模拟方法，研究聚合物在CIM工艺中的熔体充模过程、GAIM工艺中的短射以及气体穿透过程中物理场的变化。在GAIM工艺过程中，由于气体的穿透作用，熔体在型腔内前进的速率和剪切速率要比短射和CIM充模过程中的速率和剪切速率大将近3个数量级，而GAIM工艺中的短射过程和CIM工艺中的充模过程中对应物理场大小大致相同；熔体在GAIM工艺过程中的冷却速率更快，因此其成型周期更短；(2)考察成型工艺参数对GAIM制品的穿透长度和残余壁厚的影响。结果表明，延迟时间和熔体温度对残余壁厚率和穿透长度的影响较大，预注射量和气体压力对残余壁厚率的影响不大，但预注射量显著影响气体的穿透长度；(3)研究HDPE和iPP的GAIM制品的结晶形态、取向结构和力学性能，并和对应的CIM制品进行对比。结果表明，由于气体的穿透作用更容易使聚合物取向结晶，所以GAIM制品出现了shish kebab、shish等取向结晶结构，而CIM制品基本上都是球晶结构。由于这些取向结晶结构的存在，GAIM制品的力学性能一般要优于CIM制品的力学性能，但气体压力对其力学性能的影响不大；(4)对PC/PE共混物的GAIM制品的分散相形态演化、横晶形成及其力学性能进行研究。根据分散相形态和形变程度，CIM和GAIM制品表现出不同的层次结构。分散相在CIM制品的表层形变程度最大，而在GAIM制品的芯层形变程度最大，且GAIM制品中的分散相比CIM制品中的分散相有更大的长径比。导致这种差异的原因主要在于气体的穿透作用；尽管PC和PE两相极不相容，但在GAIM成型过程中，PE还可以在PC纤维上附生结晶而形成横晶结构。研究认为，宏观的剪切应力场不是形成横晶的主要因素，而PC粒子在形变过程中与PE界面之间形成的局部剪切应力场才是横晶形成的关键因素；气体的穿透有助于GAIM制品拉伸强度的提高，但有损于冲击强度。(5)考察了玻纤(GF)增强尼龙66和iPP复合材料GAIM制品中GF的取向规律、横晶形成以及其力学性能。GF在CIM制品的表层取向程度最大，而在GAIM制品的芯层取向程度最大，这主要归因于熔体短射之后气体穿透所带来的二次剪切作用。尽管GF和iPP界面粘结不好，但在GAIM成型过程中，iPP仍旧能够在GF上附生结晶而形成横晶结构。研究认为，宏观的剪切应力场并不是形成横晶的主要因素，而GF在宏观应力作用下调整取向形态的过程中所形成的局部剪切应力场，以及刚性的GF和熔体之间不能同步前进所产生的速率差才是iPP在GF表面形成横晶的关键因素。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-12
1.前言  12-49
  1.1 气体辅助注射成型概述  12-27
    1.1.1 气体辅助注射成型的起源  12
    1.1.2 GAIM的基本原理、所需设备及工艺特征  12-16
      1.1.2.1 GAIM基本原理  12-13
      1.1.2.2 GAIM的主要设备  13-15
      1.1.2.3 GAIM的工艺分类  15-16
    1.1.3 GAIM技术的发展  16-20
    1.1.4 GAIM工艺的优缺点  20-21
      1.4.1.1 GAIM工艺的优点  20-21
      1.1.4.2 GAIM工艺的缺点  21
    1.1.5 GAIM的主要应用领域  21-22
    1.1.6 GAIM的研究进展  22-27
      1.1.6.1 GAIM充模过程数值模拟  22-24
      1.1.6.2 GAIM工艺参数和制品的宏观性能  24-25
      1.1.6.3 GAIM工艺过程中的形态结构演变  25-27
  1.2 聚合物成型加工过程中形态和结构的演变  27-40
    1.2.1 聚合物在加工过程中的结晶行为  27-31
      1.2.1.1 纯结晶性聚合物的结晶行为  27-30
      1.2.1.2 聚合物共混物及其复合材料的结晶行为  30-31
    1.2.2 成型加工过程中不相容共混物相形态演化  31-36
      1.2.2.1 成型加工过程中相形态演化理论  31-32
      1.2.2.2 成型加工过程中分散相尺寸预测  32-34
      1.2.2.3 成型加工过程中分散相形变行为  34-36
    1.2.3 成型加工过程中形态结构演化实验研究  36-40
      1.2.3.1 注射成型工艺过程中共混物的形态演化  36-39
      1.2.3.2 玻纤在注射成型工艺过程中的取向行为  39-40
  1.3 选题的目的、意义及研究内容  40-42
    1.3.1 选题的目的和意义  40-41
    1.3.2 研究内容  41-42
  参考文献  42-49
2.GAIM充模过程的CAE研究  49-79
  2.1 GAIM数值模型的建立  49-54
    2.1.1 等效圆管内的熔体流动模型  50
    2.1.2 充填过程中的数学模型  50-52
    2.1.3 等效圆柱的数学模型  52-54
  2.2 粘度数学模型  54
  2.3 数值模拟实现  54-64
    2.3.1 压力场求解  55-58
    2.3.2 温度场的求解  58-61
    2.3.3 移动界面的跟踪算法  61-62
    2.3.4 数值稳定性分析  62-64
  2.4 模拟过程  64-67
    2.4.1 模拟前处理  64-66
    2.4.2 运算求解  66
    2.4.3 模拟后处理  66-67
  2.5 结果和讨论  67-77
    2.5.1 速度场和剪切速率场变化  67-73
      2.5.1.1 短射(Short-shot)和气体穿透(Gaspenetration)过程中速度和剪切速率场  67-69
      2.5.1.2 CIM充模(Meltfilling)过程中的速率和剪切速率  69-70
      2.5.1.3 短射、气体穿透以及CIM充模过程中速率和剪切速率场的异同  70-71
      2.5.1.4 短射、气体穿透以及CIM充模过程中速率和剪切速率场异同的机理  71-73
    2.5.2 温度场的变化及其机理  73-77
      2.5.2.1 短射和气体穿透过程中温度场的变化  73-74
      2.5.2.2 CIM工艺过程中温度场的变化  74-75
      2.5.2.3 短射、气体穿透和CIM填充工艺过程中温度场变化的异同点  75-76
      2.5.2.4 短射、气体穿透和CIM填充工艺过程中温度场变化的机理  76-77
    2.5.3 浇口处的压力变化及其机理  77
  2.6 结论  77-78
  参考文献  78-79
3.工艺参数对气体穿透行为的影响  79-87
  3.1 实验部分  80
    3.1.1 实验用原料  80
    3.1.2 成型设备  80
    3.1.3 试样成型和测试  80
  3.2 结果与讨论  80-85
  3.3 结论  85-86
  参考文献  86-87
4.聚烯烃GAIM制品的形态结构和性能  87-120
  4.1 实验部分  88-90
    4.1.1 原料  88
    4.1.2 成型设备  88-89
    4.1.3 形态表征  89
    4.1.4 热分析  89
    4.1.5 X衍射分析  89
    4.1.6 力学性能表征  89-90
  4.2 结果与讨论  90-117
    4.2.1 HDPE和iPP制品的形态结构和形成机制  90-110
      4.2.1.1 HDPE制品的形态结构和形成机制  90-98
      4.2.1.2 iPP制品的形态结构和形成机制  98-110
    4.2.2 HDPE和iPP制品的力学行为  110-117
      4.2.2.1 HDPE制品的力学行为  110-114
      4.2.2.2 iPP制品的力学行为  114-117
  4.3 结论  117-118
  参考文献  118-120
5.PC/PE共混物GAIM制品的形态和性能  120-153
  5.1 试验部分  121-122
    5.1.1 主要原料  121
    5.1.2 共混物及试样制备  121-122
    5.1.3 形貌观察  122
    5.1.4 热分析  122
    5.1.5 力学性能测试  122
  5.2 结果与讨论  122-151
    5.2.1 相形态结构演化  122-137
      5.2.1.1 挤出物中的相形态  122-123
      5.2.1.2 短射制品中的相形态  123-125
      5.2.1.3 CIM制品中的相形态  125-127
      5.2.1.4 GAIM制品中的相形态  127-137
    5.2.2 GAIM制品中的横晶形成及机理  137-142
    5.2.3 GAIM制品中的力学性能  142-151
      5.2.3.1 GAIM制品的拉伸性能  142-148
      5.2.3.2 GAIM制品的冲击性能  148-151
  5.3 结论  151-152
  参考文献  152-153
6.GF增强尼龙66和聚丙烯复合材料的形态结构和性能  153-174
  6.1 实验部分  154-155
    6.1.1 材料  154
    6.1.2 GAIM和CIM制品制备  154
    6.1.3 形态观察  154
    6.1.4 拉伸和冲击测试  154-155
  6.2 结果与讨论  155-171
    6.2.1 GF在PA66/GF和/PPGF制品中的取向及机理  155-169
      6.2.1.1 GF在PA66/GF制品中的形态  155-159
      6.2.1.2 GF在PP/GF制品中的形态  159-169
    6.2.2 PA66/GF和PP/GF制品中的力学性能  169-171
      6.2.2.1 PA66/GF制品中的力学性能  169-170
      6.2.2.2 PP/GF制品的力学性能  170-171
  6.3 结论  171-172
  参考文献  172-174
7.结论及进一步工作设想  174-177
  7.1 结论  174-175
  7.2 进一步工作设想  175-177
攻读博士学位期间发表和待发表学术论文及参与的科研项目  177-180
致谢  180

气体辅助注射成型制品形态结构及性能

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