鐘立才

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅蘭州 730020

超聲振動(dòng)技術(shù)在聚合物擠出成型中的應(yīng)用現(xiàn)狀

鐘立才

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅蘭州 730020

超聲振動(dòng)作為一種成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性強(qiáng)的技術(shù)，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。文章綜述了近些年來超聲振動(dòng)在聚合物擠出成型中的應(yīng)用現(xiàn)狀；重點(diǎn)介紹了超聲振動(dòng)在擠出成型中能夠增強(qiáng)共混物相容性，改善熔體流動(dòng)行為和微觀結(jié)構(gòu)，提高制品力學(xué)性能；指出了超聲振動(dòng)在聚合物擠出成型中的發(fā)展趨勢(shì)。

超聲振動(dòng);擠出成型

隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，塑料制品憑借其重量輕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、電子通信、汽車、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛。然而常規(guī)成型加工的塑料制品往往存在熔接痕明顯、翹曲變形嚴(yán)重、內(nèi)部應(yīng)力不均等缺陷，已成為制約塑料制品高質(zhì)量、高精度的關(guān)鍵問題。

目前，超聲振動(dòng)在聚合物成型加工技術(shù)的應(yīng)用主要集中在擠出成型與注射成型中。根據(jù)施加方式不同，可分為超聲振動(dòng)施加到模具口模、熱流道、冷料穴以及超聲振動(dòng)直接作用于熔體等形式。超聲振動(dòng)對(duì)熔體的作用主要包括機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)三種。

超聲振動(dòng)在擠出成型中的應(yīng)用

1.超聲振動(dòng)對(duì)共混物相容性及力學(xué)性能的影響

共混改性對(duì)于獲得高性能、高強(qiáng)度的聚合物制品尤為重要，然而對(duì)于大多數(shù)不相容的聚合物，由于共混后不同組分的分子鏈之間的相互作用力較小，導(dǎo)致各相之間的界面張力相差較大，因此界面性能往往不能達(dá)到理想效果。而施加超聲振動(dòng)能夠促使不同組分聚合物的分子鏈高頻振蕩，從而促進(jìn)各相分子鏈之間的相容性，增強(qiáng)分子間作用力，達(dá)到改善制品力學(xué)性能的目的。

CHEN G.S等人對(duì)HDPE/PS共混擠出成型的研究表明，超聲振動(dòng)使得模口壓力降和熔體表觀粘度顯著下降，同時(shí)，超聲振動(dòng)使得分散系中顆粒大小減小，增加了HDPE和PS共混分子界面粘附力及相容性，使得制品斷裂拉伸率和抗沖擊強(qiáng)度均有所提高。

JIANG G.J.等人研究了超聲振動(dòng)對(duì)POM/PS（80/20）共混流變特性和制品機(jī)械性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正常情況下，POE和PS是不相容的，但是施加超聲振動(dòng)后，分散階段粒子變小，促進(jìn)了共混物之間的相容。此外，在口模溫度和壓力不變的情況下，口模熔體流量隨超聲功率的增大而增大，口模溫度為150℃時(shí)，POM表觀粘度為1.1×104Pa·s，200W功率超聲時(shí)，表觀粘度降低為7×103Pa·s，證實(shí)了超聲振動(dòng)可以顯著降低熔體流動(dòng)粘度，促進(jìn)熔體流動(dòng)。

WEI L.Q.等人研究了超聲振動(dòng)對(duì)聚合物共混制品力學(xué)強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料塑件在高頻低振幅超聲振動(dòng)作用下，擠出成型澆口壓力降降低，塑件表面質(zhì)量提高，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，但是，當(dāng)超聲功率高于200W時(shí)，塑件出現(xiàn)嚴(yán)重的超聲降解，機(jī)械性能下降，因此適當(dāng)?shù)某晱?qiáng)度可以提高塑件力學(xué)性能。

2.超聲振動(dòng)對(duì)聚合物熔體流動(dòng)行為及微觀結(jié)構(gòu)的影響

郭少云等人研究了擠出過程中超聲對(duì)mLLDPE熔體流動(dòng)行為的改善狀況。研究發(fā)現(xiàn)，隨著施加超聲功率的升高熔體表觀粘度和口模壓力明顯的下降，而且，熔體流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象有所改善，擠出質(zhì)量大幅度提高。這可能是由于超聲施加在熔體上后，分子鏈在某一平衡點(diǎn)做類似簡諧振動(dòng)，導(dǎo)致分子平均動(dòng)能急劇增加，增加的平均動(dòng)能一部分傳遞給周圍的分子鏈，從而提高其運(yùn)動(dòng)能力，促進(jìn)分子鏈的解纏作用，提高聚合物的流動(dòng)性能，另一部分平均動(dòng)能以熱量或粘性摩擦力的形式耗散，因此施加超聲振動(dòng)后整個(gè)熔體體系溫度有所升高，進(jìn)一步表現(xiàn)為熔體表觀粘度下降，流動(dòng)性能改善。

李慧林等人研究了超聲振動(dòng)對(duì)擠出過程中PP成型及微觀結(jié)構(gòu)的影響，并通過熱差分析量熱（DSC）和廣角X射線衍射（WAXD）對(duì)超聲輔助擠出PP進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)的觀察分析，結(jié)果表明超聲振動(dòng)能夠縮短熔體分子鏈間的距離，降低分子結(jié)晶的缺陷以及無序取向，從而使得PP晶格取向有所改善。此外，李慧林、郭少云等人還研究了超聲在擠出過程中對(duì)HDPE流變行為及結(jié)構(gòu)特性的影響。得出超聲振動(dòng)能夠改善HDPE加工性能的主要原因是，超聲振動(dòng)促進(jìn)了分子鏈的蠕動(dòng)，降低了熔體與模具型腔壁的表面應(yīng)力，而不是對(duì)熔體粘度變化產(chǎn)生永久影響；研究還發(fā)現(xiàn)，分子鏈的取向有利于晶核的形成，短的分子鏈易于分子結(jié)晶并產(chǎn)生良好的晶格，超聲振動(dòng)導(dǎo)致了分子結(jié)晶的時(shí)間延長、分子鏈的取向以及分子鏈的縮短，從而提高了HDPE結(jié)晶度和結(jié)晶質(zhì)量。

CAO Y.R.等人研究了超聲振動(dòng)對(duì)PP擠出成型結(jié)晶行為的影響。廣角X射線衍射分析（WAXD）結(jié)果分析表明，PP晶體組成發(fā)生變化，β晶體含量增多，超聲振動(dòng)促使α晶體向β晶體轉(zhuǎn)化使結(jié)晶度降低。實(shí)驗(yàn)說明了超聲振動(dòng)可以改變熱塑性聚合物的晶體組分。

總結(jié)

通過上述分析超聲振動(dòng)在聚合物成型中的應(yīng)用進(jìn)展，可以得出超聲外場(chǎng)對(duì)于聚合物成型的幾種作用效果：

（1）超聲振動(dòng)能夠增加共混物相容性，促使分散系中顆粒大小減小，明顯提高共混制品力學(xué)性能。

（2）改善熔體流動(dòng)不穩(wěn)定及擠出脹大現(xiàn)象，大幅度提高聚合物擠出成型質(zhì)量。

（3）降低聚合物熔體粘度，改善熔體充填流動(dòng)性能，改善制品微觀組織結(jié)構(gòu)，提高制品力學(xué)性能及成型質(zhì)量。

（4）改善聚合物的塑化質(zhì)量，提高微結(jié)構(gòu)復(fù)制率，并且能夠縮短制品的成型周期，提高生產(chǎn)率。

[1]顏家華,彭玉成,孫友松.振動(dòng)在高分子材料加工中的應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊,1997,16(3):35-40.

[2]吳啟保,瞿金平等.塑料成型加工中的振動(dòng)技術(shù)[J].機(jī)床與液壓,2000(5):10-12.

[3]李又兵,申開智,張杰.機(jī)械振動(dòng)注射成型工藝及模具設(shè)計(jì)的探討[J].工程塑料應(yīng)用,2001,29(12):40-42.

[4]嚴(yán)正,申開智等.聚合物熔體在振動(dòng)場(chǎng)中的流變行為研究[J].中國塑料,2000,14(12):63-67.

[5]那順.振動(dòng)場(chǎng)作用下-聚合物材料的注射成型及其結(jié)構(gòu)與性能研究[D].2004,四川大學(xué).

[6]徐靜等,低頻振動(dòng)注塑改善PP/納米CaCO3分散性的研究[J].塑料工業(yè),2006,34(2):36-38.

[7]Ping Zhao, Qiang Fu，et al. Excellent tensile ductility in highly oriented injection-molded bars of polypropylene/carbon nanotubes composites [J]. POLYMER, 2007. 48(19): 5688-5695.

鐘立才(1987.6—），男，漢族，甘肅蘭州人，助理工程師；研究方向：高分子材料加工方向。