短切碳纖維增強PP 復合材料流動性能研究

　　摘要：在總結聚合物流變學基本理論的基礎上，分析了影響聚合物流動性能的各個因素。應用正交實驗設計理論，通過測定各參數組合實驗的阿基米德螺旋線長度來表征其流動性，考察了熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力、注塑速率四個因素對6 種配方聚丙烯(PP)/碳纖維(CF) 復合材料熔體流動性的影響，對于各因素的影響程度的大小進行了對比，同時通過優化工藝條件獲得了流動性好的工藝參數組合，并通過實驗驗證。應用正交實驗得到了佳工
　　藝參數，對CF 含量和材料的熔體流動速率以及螺旋線長度之間的影響關系和機理進行了考察。結果表明，注塑壓力和注塑溫度對于熔體的流動性能影響大，PP/CF 復合材料的熔體流動速率和螺旋線流動長度隨著CF 含量的增加而降低，降低的速度先快后慢。
　　關鍵詞：聚丙烯;碳纖維;復合材料;流動性;阿基米德螺旋線;工藝參數;熔體流動速率
　　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
　　對于注塑制品來說，其流動性能與注塑成型過程的諸多因素息息相關。成型溫度過高雖然有利于成型，但會引起塑料分解，制品的收縮率也會增大;成型溫度過低則熔體黏度大，明顯地使制品的形狀穩定性變差。適當地增大壓力，能改善熔體的流動性，但過高的壓力會引起模具溢料并增加制品的內應力;壓力過低又會造成充模不足。因此，選擇合適的工藝參數對于制得優良的注塑制品很重要。筆者應用正交實驗設計理論，通過測定各參數組合實驗的阿基米德螺旋線長度來表征其流動性，考察了熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力、注塑速率四
　　個因素對聚丙烯(PP)/碳纖維(CF) 復合材料熔體流動性的影響，并對各因素的影響程度的大小進行了對比，同時通過優化工藝條件獲得了優工藝參數并通過實驗驗證。應用得到的佳工藝參數考察了CF 含量對PP/CF 復合材料的熔體流動速率(MFR) 與螺旋線長度的影響。
　　1　聚合物流動性能的影響機理
　　1.1　黏度模型
　　高分子聚合物的熔體是黏性流體，流體的流動行為與溫度、外作用力以及材料的性質有關，按照流體的流動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生變形的低黏性流體。其流動服從牛頓定律，即剪切應力隨剪切速率線性變化，而黏度不隨剪切速率變化;對于非牛頓流體，其剪切應力與剪切速率不是線性關系，黏度隨著剪切速率變化，其流動情況可由多個黏度模型來描述，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 模型簡單，在較高剪切速率時，可較好地描述材料的黏度，但在低剪切速率段，與實際情況存在較大誤差，無法預測零剪切黏度。Cross 黏度模型在聚合物熔體流動分析中得到了廣泛應用，其中Cross-Arrhenius 模型和 Cross-WLF 模型對于很寬剪切速率范圍內熔體黏度變化規律都能精確地描述，但當熔體溫度接近和低于聚合物黏流溫度時，運用Cross-WLF 黏度模型更適合。在本實驗中運用了Cross-WLF 模型。
　　1.2　影響熔體流動性的因素
　　(1) 熔體的相對分子質量對黏度的影響。
　　在溫度相同的情況下，對于相對分子質量較大的聚合物，其大分子鏈重心移動相對困難，黏度大，聚合物分子鏈的剛性越大，黏度對溫度的變化就越敏感;相對于線型高分子來講，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，熔體流動的空間位阻就越小，黏度也就較低，容易流動。因此在生產中常通過加入低分子物質的方法來降低高分子量聚合物的黏度，改善其加工性能。
　　(2) 溫度對黏度的影響。
　　在聚合物注塑成型過程中，當溫度低于玻璃化轉變溫度時，聚合物分子自由體積保持恒定，隨著溫度增加導致的體積變化是大分子鏈段振動的結果;但當溫度超過玻璃化轉變溫度之后，大鏈段表現出整個鏈段的移動，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變得更加容易，宏觀上體現為聚合物的黏度降低，流動性增加。
　　(3) 壓力對黏度的影響。
　　聚合物熔體在注塑過程中，受到內部靜壓力和外部動壓力的聯合作用。保壓補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，熔體的黏度加強，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提高熔體的流動性，因此在注塑過程中，如果適當增加成型壓力，也會促進熔體流動。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息息相關。
　　1.3　注塑工藝參數對熔體流動性的影響預測對于本實驗而言，注塑溫度和注塑壓力顯然是
　　影響流動性的關鍵性因素，注塑速率和保壓壓力對其影響有限。這是因為升高料溫的同時增加了聚合物的塑化程度，導致黏度降低，熔體變得易于流動，型腔壓力值增大，料溫越高，流動性能越好，表明熔體的流動與料溫有很大關系。而增加注塑壓力，熔體充填型腔的百分比會隨之增大，因而流動性越好。保壓壓力的增大通?？梢蕴岣弋a品的致密程度，有利于補縮和流動末端的充填，但對材料本身的流動性影響程度較小，充填速度增大也會有利于熔體流動性能的提高，但對于壁厚較薄的制件(2 mm)，前段熔體會過早冷卻固化，這樣會加大充
　　填阻力，不利于熔體的流動，所以注塑速度對于流動性能的影響有限。
　　綜上可以預測，注塑溫度和注塑壓力對聚合物熔體影響程度大，注塑速率和保壓壓力次之。對于本實驗，由于CF 的加入增加了體系的相對分子質量，從而降低了熔體的流動性，同時，CF在熔體內的取向、結構是影響體系流動的主要因素。
　　一方面通過調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部的取向性，可降低流動阻力。
　　2　工藝參數對PP/CF 復合材料流動性的影響。
　　PP 流動性能優良，但加入了CF 后，降低了熔體流動性，進而給其注塑生產帶來困難，生產中可以通過調整注塑工藝參數、改變熔體體系結構以及纖維取向，以達到降低黏度、提高制品質量的目的。
　　3　結論
　　(1) 在PP/CF 復合材料的注塑生產中，注塑壓力和注塑溫度對于熔體的流動性能影響較大，保壓壓力以及注塑速度對流動性的影響較小。
　　(2) 隨著CF 含量的增加，注塑壓力對于熔體的流動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 和螺旋線流動長度隨之降低，降低的速度是先快后慢的。
　　(4) 實際注塑生產中，通過調整注塑壓力以及熔體溫度來調整熔體的流動性比調整注塑速率或保壓壓力靈敏的多，可以通過調整溫度和壓力以獲得充填良好的制品。
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