超声辅助注射成形碳纤维增强聚丙烯制件性能研究.pdf
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1、第 卷 第 期中 国 机 械 工 程V o l N o 年月CH I NA ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N Gp p 超声辅助注射成形碳纤维增强聚丙烯制件性能研究刘莹,陈越,赵雪利,于同敏,祝铁丽,大连理工大学模塑制品教育部工程研究中心,大连,大连理工大学机械工程学院,大连,摘要:利用自行研制的超声辅助注射成形系统,成形了碳纤维质量分数为 的增强聚丙烯制件,并借助X射线衍射、扫描电镜观测以及拉伸试验等方法,研究了不同超声功率和模具温度、聚合物熔体温度及注射压力对制件内部的分子凝聚态结构与其力学性能的影响.结果表明,在较高的模具温度、较低的聚合物熔体温度及较
2、小的注射压力下,施加功率 W的超声振动,能够明显增大聚合物熔体的流动剪切速率,进而提高聚合物分子链和碳纤维的取向程度,促进晶核生成与晶体生长,使制件的拉伸强度得到明显提高.关键词:超声振动;注射成形;碳纤维;凝聚态结构;力学性能中图分类号:T Q D O I:/j i s s n X 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):S t u d yo nP r o p e r t i e so fU l t r a s o n i c a s s i s t e dI n j e c t i o nM o l d i n go fC a r b o nF i b e r r e i n f o
3、 r c e dP o l y p r o p y l e n eP a r t sL I U Y i n g,CHE NY u e,Z HAOX u e l i,YUT o n g m i n,Z HUT i e l i,E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r f o rM o l d i n gP r o d u c to fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,D a l i a n,L i a
4、 o n i n g,S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,D a l i a n,L i a o n i n g,A b s t r a c t:R e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n ep a r t sw i t hc a r b o n f i b e r c o n t e n t o f w e r e f a b r i c a t e db y t h e
5、s e l f d e v e l o p e du l t r a s o n i c a s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n gs y s t e m T h ee f f e c t so fu l t r a s o n i cp o w e r,m o l dt e m p e r a t u r e,p o l y m e r m e l t t e m p e r a t u r e a n d i n j e c t i o np r e s s u r eo n t h em o l e c u l a r c o n d e
6、 n s e ds t a t e s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e so f t h ep o l y p r o p y l e n ep a r t sw e r es t u d i e db ym e a n so fX r a yd i f f r a c t i o n,s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dt e n s i l et e s t T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt
7、 h ec o n d i t i o no fh i g h e rm o l dt e m p e r a t u r e,l o w e rp o l y m e r m e l t t e m p e r a t u r ea n d l o w e r i n j e c t i o np r e s s u r e,u l t r a s o n i cv i b r a t i o nw i t hp o w e ro f W m a ye n v i d e n t l yi n c r e a s et h ep o l y m e r m e l t f l o ws h
8、e a rr a t e,l e a d i n gt oe n h a n c e do r i e n t a t i o no fp o l y m e rm o l e c u l a rc h a i n sa n dc a r b o nf i b e r s A sar e s u l t,n u c l e a t i o na n dc r y s t a l g r o w t hw i l lb ep r o m o t e d,a n dt e n s i l es t r e n g t ho f t h ep o l y m e rp a r t sw i l lb
9、 es i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d K e yw o r d s:u l t r a s o n i cv i b r a t i o n;i n j e c t i o nm o l d i n g;c a r b o nf i b e r;c o n d e n s e ds t a t es t r u c t u r e;m e c h a n i c sp r o p e r t y收稿日期:基金项目:国家自然科学基金(,)引言注射成形以生产效率高,成形制件尺寸精密、结构与形状复杂之优势,在聚合物材料成形加工领域获得广泛应用 .然而
10、,实际应用研究表明,受成形工艺条件等多种因素影响,注射成形制件的力学性能远未达到按材料自身理论计算所具有的强度,因而无法满足不同工业领域对高性能注射制件的应用需求.为此,研究人员从材料性能及成形工艺条件等方面,采用多种方法进行了广泛的研究,并取得了积极的进展,如在聚合物材料中添加各种纤维或在注射成形过程中施加不同振动场等方法都取得了较好的效果.其中,在注射成形过程中施加高频超声振动外场,不仅能够降低充模流动熔体的黏度从而提高流动性能,还有助于促进制件内部分子生成更多的结晶和取向态结构,从而提高制件的力学性能.A D AM等对超声辅助薄壁制件注射工艺进行了研究,结果表明,超声振动可以增强模具温度
11、、注射压力等工艺参数对成形制件的作用效果.L I等研究了不同超声功率对聚合物熔体流动速率和制件力学性能的影响,结果表明,超声振动通过降低熔体黏度和增大流动速率可显著提高制件的拉伸弹性模量,使其不易变形或断裂.YANG等通过在模具中直接将超声振子作用于熔体,研究了超声辅助注射成形条件下聚合物熔体的流动行为,结果表明,超声波能量能够改善熔体的流动特性,降低分子取向和高剪切效应.碳纤维因具有较高的比强度和刚度以及较小的质 量等优点而 被广泛应用 于聚合物复 合材料 .研 究 表 明,在 聚 丙 烯(p o l y p r o p y l e n e,P P)聚合物材料中添加不同含量的碳纤维,能使聚丙
12、烯复合材料的性能得到明显提高.J UNA E D I等 研究了短碳纤维增强聚丙烯复合材料中碳纤维含量变化引起的韧脆转变行为,结果表明,随着短碳纤维含量的增加,注射成形制件的拉伸模量和强度均增大,断裂应变值随短碳纤维含量的增加迅速非线性下降.R E Z A E I等 研究了碳纤维长度对碳纤维增强聚丙烯(c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n e,C F P P)制件力学性能的影响,结果表明,制件的强度、刚度、硬度、抗冲击性能均随碳纤维长度的增加而增大.T I AN等 研究了碳纤维对C F P P复合材料结晶性能
13、和力学性能的影响,结果表明,碳纤维可作为聚丙烯的非均相成核剂,降低结晶过程中的活化能,促进聚丙烯的结晶,碳纤维质量分数为 时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度比纯聚丙烯制件提高 以上.本文利用课题组自行设计制造的带有超声振动系统的注射模具,成形了添加(质量分数)碳纤维的增强聚丙烯复合材料制件,并结合X射线衍射(X R D)、扫描电镜(S EM)分析、拉伸测试,研究了超声功率和模具温度、聚合物熔体温度、注射压力的变化对成形制件的结晶度与添加纤维的取向及制件拉伸性能的影响.实验制件和材料按照G B/T 设计了带有哑铃形试样的壳体制件,结构尺寸如图所示.成形后将哑铃形试样切离.实验所使用的材料为碳纤维图
14、制件尺寸图F i g P a r t s i z ed r a w i n g(质量分数)的C F P P,牌号H C F,江苏新孚达复合材料有限公司生产.其中碳纤维材料的密度为 g/c m,平均长度为mm.实验设备采用日本住友公司的S E E V C 型注射机.超声辅助注射模具系统原理如图所示.超声波发生器由上海生析超声有限公司定制,超声功率在 W范围内连续可调,额定输出频率为 k H z.图超声辅助注射成形原理示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fu l t r a s o u n d a s s i s t e di n j e c t i
15、o nm o l d i n g工艺参数设置通过分析C F P P材料物 理性能参数,结合M o l d f l o w模流分析仿真结果,设置注射成形基准工艺参数如表所示.注射工艺参数及超声功率变量取 值 如 表所 示.施 加 超 声 作 用 时 间 为 s,保压时间为s,冷却时间为 s.表基准工艺参数T a b B a s i cp r o c e s sp a r a m e t e r s熔体温度()模具温度()注射压力(MP a)注射速度(mm/s)保压压力(MP a)表变化工艺参数与取值T a b V a r i a b l ep r o c e s sp a r a m e t e
16、 r sa n dv a l u e s熔体温度()模具温度()注射压力(MP a)超声作用功率(W)性能表征()X R D分析.在哑铃形试样中部截取 mm长度作为试样,进行试件的X R D分析与结晶度计算.测试仪器采用日本理学Dm a x 全自动C u k 靶X射线衍射仪,扫描角度为 ,扫描速度为/m i n.()S EM分析.将哑铃形试样用液氮进行脆断处理,平行于断面截取mm,利用Q TE S型真 空 镀 膜 仪 对 断 面 进 行 喷 金 处 理,采 用QUANT A 型钨丝灯扫描电子显微镜对其进行观测.中国机械工程 第 卷 第 期 年月下半月()拉伸性能测试.使用美国I n s t r
17、 o nG 拉伸试验机进行拉伸试验,拉伸速度为 mm/m i n.对每组实验参数下成形的试样取连续成形的个样件进行测试,取算术平均值作为该组参数下的拉伸强度值.结果与讨论不同超声功率和模具温度变化对制件性能的影响凝聚态结构对在不同超声功率条件下通过改变模具温度的注射成形实验获得的C F P P制件进行X R D分析,并利用MD IJ a d e软件进行拟合计算,得到的结晶度变化见图.图曲线显示,不加超声振动(即超声功率为)和施加不同超声功率条件下,制件的结晶度均随模具温度升高而增大,并在模具温度升高到 时达到最大值,之后则开始下降;同时当模具温度低于 时,制件结晶度随模具温度升高而增加的幅度较
18、大,模具温度超过 后结晶度增幅减小;而当模具温度升高到 时,其结晶度又开始下降.由此可见,低模具温度时施加超声振动,有利于制件内部生成更多的结晶结构;而高模具温度时由于熔体分子自身的活性较高,此时再叠加上超声振动能量,会使熔体分子的运动活性进一步增大,激烈的分子热运动会阻碍晶核的形成和晶体生长,因而其结晶度增加值较小.同时,图曲线还显示,施加超声振动时制件的结晶度明显大于不加超声振动时制件的结晶度,但不同超声功率时,制件的结晶度增加值不同.其中,施加 W超声功率时,不同模具温度下制件的结晶度增加值最大,W超声功率时次之,W超声功率时,制件结晶度增加值最小,甚至在模具温度高于 之后,制件的结晶度
19、还小于不加超声振动的值.这表明制图不同超声功率下C F P P制件结晶度随模具温度变化曲线F i g T h ev a r i a t i o nc u r v eo f c r y s t a l l i n i t yo fC F P Pp a r t sw i t hd i e t e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n t u l t r a s o n i cp o w e r件成形时,施加中低功率的超声振动带来的超声能量增加有利于降低熔体黏度,提高流动性,同时超声波的高频剪切能够减少充模流动过程中聚合物分子链间的缠结、卷曲等作用,使分
20、子规整排列生成更多的结晶结构.但施加的超声功率过高时,高频强剪切作用会破坏已形成的晶体结构,加剧熔体内部分子链与碳纤维排布的无序性,因此其结晶度会减小.超声振动能量不仅能够增加熔体分子运动活性,降低熔体黏度,提高充模流动能力,同时熔体的流动剪切与超声振动作用还促进了流动中卷曲缠结的分子链发生解缠伸展,从而形成分子取向形态,而长链分子取向的同时又相互拉扯或拖拽着弥散于熔体分子中的碳纤维随同流动分子形成取向形态.图所示的制件断面S EM照片显示,制件中的碳纤维大多是平行于熔体流动方向分布的,与分子链取向方向一致.其中超声功率 W时,不同模具温度下制件中的碳纤维取向程度最高;而超声功率 W时制件中的
21、碳纤维取向程度最差,与不加超声振动时相当.这表明tm tm tm(a)不施加超声振动tm tm tm(b)施加 W超声振动tm tm tm(c)施加 W超声振动tm tm tm(d)施加 W超声振动图不同超声功率下改变模具温度制件断面S EM照片F i g S EMi m a g e o f s e c t i o no fw o r k p i e c ew i t hd i f f e r e n tu l t r a s o n i cp o w e rc h a n g i n gd i e t e m p e r a t u r e超声辅助注射成形碳纤维增强聚丙烯制件性能研究 刘莹陈
22、越赵雪利等模具温度一定时,过大的超声功率及其产生的振动作用会使具有较好流动性的聚合物熔体及碳纤维受到较大的机械振荡,不利于熔体分子和碳纤维在流动中保持稳定的取向形态;同时,注射成形保压和冷却过程亦会加大解取向程度,故施加过大的超声振动作用反而使制件的结晶度减小.拉伸强度对不同超声功率下成形的C F P P制件进行拉伸测试,不同模具温度下的制件拉伸强度变化曲线见图.图中曲线显示,制件拉伸强度随模具温度升高的变化趋势与图所示的制件结晶度随模具温度变化趋势相似.不同之处在于,不加超声振动和施加 W超声功率时,制件的拉伸强度随着模具温度升高而呈近似线性增加趋势;而施加 W超声功率时,制件拉伸强度随模具
23、温度升高先是大幅增加,在模具温度 时增幅达到 ,之后增幅减小,在模具温度升高到 之后,拉伸强度又开始减小;超声功率增大到 W时,在模具温度低于 时,制件拉伸强度呈快速增加趋势,但其增加值小于超声功率 W和 W时的值,而当模具温度升高到 之后,制件拉伸强度又开始快速下降.可见采用 模具温度、施加 W超声功率时,能够获得最大的制件拉伸强度.图所示的制件结晶度测试结果以及图所示的制件内部碳纤维的取向程度分布也显示,此时的制件结晶度和碳纤维的取向程度都为较高值,因而制件的拉伸强度较大.图不同超声功率下C F P P制件拉伸强度随模具温度变化曲线F i g T h e t e n s i l e s t
24、 r e n g t ho fC F P Pp a r t sv a r i e sw i t hd i e t e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n tu l t r a s o n i cp o w e r不同超声功率和聚合物熔体温度变化对制件性能的影响凝聚态结构对在不同超声功率条件下通过改变熔体温度的成形实验得到的C F P P制件进行X R D分析及结晶度计算,得到的结果见图,可见,无论是否施加超声振动,制件的结晶度均随熔体温度的升高而减小.这是由于熔体温度越高,聚合物分子的活性越大,其分子热运动也越剧烈,因而难以形成稳定的晶核,或使已
25、形成的初始晶核也不易稳定地生长为晶体;同时熔体温度升高会使其黏度下降,导致流动剪切作用减弱,分子链取向程度降低,晶核数量减少,因而结晶度减小.高熔体温度再叠加超声振动会进一步加剧分子热运动和缠结卷曲,不利于晶核的形成和晶体生长,但不同熔体温度下施加 W和 W超声功率时,制件的结晶度明显高于不加超声振动的结晶度.W超声功率时,制件结晶度最大;而施加 W超声功率时,制件结晶度值与不加超声振动时相当.图不同超声功率下C F P P制件结晶度随熔体温度变化曲线F i g V a r i a t i o nc u r v eo f c r y s t a l l i n i t yo fC F P Pw
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