短切碳纖維增強(qiáng)PP 復(fù)合材料流動(dòng)性能研究
日期：2016-10-14
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摘要：在總結(jié)聚合物流變學(xué)基本理論的基礎(chǔ)上，分析了影響聚合物流動(dòng)性能的各個(gè)因素。應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，通過測(cè)定各參數(shù)組合實(shí)驗(yàn)的阿基米德螺旋線長(zhǎng)度來表征其流動(dòng)性，考察了熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力、注塑速率四個(gè)因素對(duì)6 種配方聚丙烯(PP)/碳纖維(CF) 復(fù)合材料熔體流動(dòng)性的影響，對(duì)于各因素的影響程度的大小進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)通過優(yōu)化工藝條件獲得了流動(dòng)性好的工藝參數(shù)組合，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)得到了佳工
藝參數(shù)，對(duì)CF 含量和材料的熔體流動(dòng)速率以及螺旋線長(zhǎng)度之間的影響關(guān)系和機(jī)理進(jìn)行了考察。結(jié)果表明，注塑壓力和注塑溫度對(duì)于熔體的流動(dòng)性能影響大，PP/CF 復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率和螺旋線流動(dòng)長(zhǎng)度隨著CF 含量的增加而降低，降低的速度先快后慢。
關(guān)鍵詞：聚丙烯;碳纖維;復(fù)合材料;流動(dòng)性;阿基米德螺旋線;工藝參數(shù);熔體流動(dòng)速率
Research on Liquidity of Chopped Carbon Fiber Reinforced PP Composites
Xu Jiusheng
Abstract ：based on basic theory of polymer rheology，the effect of process parameters on the liquidity of composites has been studied. By means of Taguchi DOE technique，through determination of the length of archimedes spiral of the experiment with all combinations of parameters to characterize the mobility of melt，the influence of four factors such as injection temperature，injection pressure，dwell pressure，injection rate on melt flow rate of polypropylene (PP)/carbon fiber(CF) composties with six kinds of proportion was investigated. The effect level of each factor has been compared ，either ，the best process parameter has been achieved through the optimization of process conditions，and this best process parameter had been certified by experiments. By applying the best parameter which has been achieved before，the relationship between the content of CF and MFR and the length of spiral and the mechanization behind them has also been discussed. The results show that injection temperature and injection pressure are two main influence factors of liquidity and as the content of CF grew，both the length of spiral and MFR reduce，the speed of this reduction increase first，then reduce.
Keywords ：polypropylene ;carbon fiber ;composite ;liquidity ;archimedes spiral ;process parameters ;melt flow rate
對(duì)于注塑制品來說，其流動(dòng)性能與注塑成型過程的諸多因素息息相關(guān)。成型溫度過高雖然有利于成型，但會(huì)引起塑料分解，制品的收縮率也會(huì)增大;成型溫度過低則熔體黏度大，明顯地使制品的形狀穩(wěn)定性變差。適當(dāng)?shù)卦龃髩毫Γ芨纳迫垠w的流動(dòng)性，但過高的壓力會(huì)引起模具溢料并增加制品的內(nèi)應(yīng)力;壓力過低又會(huì)造成充模不足。因此，選擇合適的工藝參數(shù)對(duì)于制得優(yōu)良的注塑制品很重要。筆者應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，通過測(cè)定各參數(shù)組合實(shí)驗(yàn)的阿基米德螺旋線長(zhǎng)度來表征其流動(dòng)性，考察了熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力、注塑速率四
個(gè)因素對(duì)聚丙烯(PP)/碳纖維(CF) 復(fù)合材料熔體流動(dòng)性的影響，并對(duì)各因素的影響程度的大小進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)通過優(yōu)化工藝條件獲得了優(yōu)工藝參數(shù)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。應(yīng)用得到的佳工藝參數(shù)考察了CF 含量對(duì)PP/CF 復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率(MFR) 與螺旋線長(zhǎng)度的影響。
1 聚合物流動(dòng)性能的影響機(jī)理
1.1 黏度模型
高分子聚合物的熔體是黏性流體，流體的流動(dòng)行為與溫度、外作用力以及材料的性質(zhì)有關(guān)，按照流體的流動(dòng)類型可分為非牛頓流體和牛頓流體。其中，牛頓流體是指在力的作用下容易發(fā)生變形的低黏性流體。其流動(dòng)服從牛頓定律，即剪切應(yīng)力隨剪切速率線性變化，而黏度不隨剪切速率變化;對(duì)于非牛頓流體，其剪切應(yīng)力與剪切速率不是線性關(guān)系，黏度隨著剪切速率變化，其流動(dòng)情況可由多個(gè)黏度模型來描述，塑料熔體是典型的非牛頓流體。目前較常用的黏度模型主要有：Power-Low 模型、Cross-Arrhenius 模型、Cross-WLF 模型。Power-Low 模型簡(jiǎn)單，在較高剪切速率時(shí)，可較好地描述材料的黏度，但在低剪切速率段，與實(shí)際情況存在較大誤差，無法預(yù)測(cè)零剪切黏度。Cross 黏度模型在聚合物熔體流動(dòng)分析中得到了廣泛應(yīng)用，其中Cross-Arrhenius 模型和 Cross-WLF 模型對(duì)于很寬剪切速率范圍內(nèi)熔體黏度變化規(guī)律都能精確地描述，但當(dāng)熔體溫度接近和低于聚合物黏流溫度時(shí)，運(yùn)用Cross-WLF 黏度模型更適合。在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了Cross-WLF 模型。
1.2 影響熔體流動(dòng)性的因素
(1) 熔體的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)黏度的影響。
在溫度相同的情況下，對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量較大的聚合物，其大分子鏈重心移動(dòng)相對(duì)困難，黏度大，聚合物分子鏈的剛性越大，黏度對(duì)溫度的變化就越敏感;相對(duì)于線型高分子來講，支鏈型大分子分子間距離越大，相互作用力就越小;支鏈越多、越短，熔體流動(dòng)的空間位阻就越小，黏度也就較低，容易流動(dòng)。因此在生產(chǎn)中常通過加入低分子物質(zhì)的方法來降低高分子量聚合物的黏度，改善其加工性能。
(2) 溫度對(duì)黏度的影響。
在聚合物注塑成型過程中，當(dāng)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，聚合物分子自由體積保持恒定，隨著溫度增加導(dǎo)致的體積變化是大分子鏈段振動(dòng)的結(jié)果;但當(dāng)溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之后，大鏈段表現(xiàn)出整個(gè)鏈段的移動(dòng)，鏈段之間的自由體積增加，聚合物體積膨脹，大分子之間的自由空間增加，范德華力減小，大分子的變形和流動(dòng)變得更加容易，宏觀上體現(xiàn)為聚合物的黏度降低，流動(dòng)性增加。
(3) 壓力對(duì)黏度的影響。
聚合物熔體在注塑過程中，受到內(nèi)部靜壓力和外部動(dòng)壓力的聯(lián)合作用。保壓補(bǔ)縮階段聚合物承受的壓力較高，在這種高壓的作用下，分子鏈段間的自由體積縮小使得分子間作用力加強(qiáng)，熔體的黏度加強(qiáng)，但是另一方面，增加壓力可以克服噴嘴處的摩擦阻力，提高注塑速度，所以一定程度上又會(huì)提高熔體的流動(dòng)性，因此在注塑過程中，如果適當(dāng)增加成型壓力，也會(huì)促進(jìn)熔體流動(dòng)。由上述各理論可以定性說明熔體的黏度與注塑過程的各工藝參數(shù)息息相關(guān)。
1.3 注塑工藝參數(shù)對(duì)熔體流動(dòng)性的影響預(yù)測(cè)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)而言，注塑溫度和注塑壓力顯然是
影響流動(dòng)性的關(guān)鍵性因素，注塑速率和保壓壓力對(duì)其影響有限。這是因?yàn)樯吡蠝氐耐瑫r(shí)增加了聚合物的塑化程度，導(dǎo)致黏度降低，熔體變得易于流動(dòng)，型腔壓力值增大，料溫越高，流動(dòng)性能越好，表明熔體的流動(dòng)與料溫有很大關(guān)系。而增加注塑壓力，熔體充填型腔的百分比會(huì)隨之增大，因而流動(dòng)性越好。保壓壓力的增大通常可以提高產(chǎn)品的致密程度，有利于補(bǔ)縮和流動(dòng)末端的充填，但對(duì)材料本身的流動(dòng)性影響程度較小，充填速度增大也會(huì)有利于熔體流動(dòng)性能的提高，但對(duì)于壁厚較薄的制件(2 mm)，前段熔體會(huì)過早冷卻固化，這樣會(huì)加大充
填阻力，不利于熔體的流動(dòng)，所以注塑速度對(duì)于流動(dòng)性能的影響有限。
綜上可以預(yù)測(cè)，注塑溫度和注塑壓力對(duì)聚合物熔體影響程度大，注塑速率和保壓壓力次之。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，由于CF 的加入增加了體系的相對(duì)分子質(zhì)量，從而降低了熔體的流動(dòng)性，同時(shí)，CF在熔體內(nèi)的取向、結(jié)構(gòu)是影響體系流動(dòng)的主要因素。
一方面通過調(diào)整注塑溫度和壓力可降低熔體的黏度，另一方面提高纖維在熔體內(nèi)部的取向性，可降低流動(dòng)阻力。
2 工藝參數(shù)對(duì)PP/CF 復(fù)合材料流動(dòng)性的影響。
PP 流動(dòng)性能優(yōu)良，但加入了CF 后，降低了熔體流動(dòng)性，進(jìn)而給其注塑生產(chǎn)帶來困難，生產(chǎn)中可以通過調(diào)整注塑工藝參數(shù)、改變?nèi)垠w體系結(jié)構(gòu)以及纖維取向，以達(dá)到降低黏度、提高制品質(zhì)量的目的。
3 結(jié)論
(1) 在PP/CF 復(fù)合材料的注塑生產(chǎn)中，注塑壓力和注塑溫度對(duì)于熔體的流動(dòng)性能影響較大，保壓壓力以及注塑速度對(duì)流動(dòng)性的影響較小。
(2) 隨著CF 含量的增加，注塑壓力對(duì)于熔體的流動(dòng)性能影響越來越顯著，其它三種因素的影響程度都有不同程度的下降。
(3) 隨著CF 含量的增加，材料的MFR 和螺旋線流動(dòng)長(zhǎng)度隨之降低，降低的速度是先快后慢的。
(4) 實(shí)際注塑生產(chǎn)中，通過調(diào)整注塑壓力以及熔體溫度來調(diào)整熔體的流動(dòng)性比調(diào)整注塑速率或保壓壓力靈敏的多，可以通過調(diào)整溫度和壓力以獲得充填良好的制品。
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