聚合物梯度结构的热熔融成型研究

摘要

基于耗散结构理论，对传统的聚合物热熔融成型模具进行了改造，通过控制装置持续向成型模具的动模板提供能量，并保持温度恒定，同时控制静模板温度低于动模板一定值且恒定，实现对了成型模具型腔的热力学状态的稳定调控，成功在成型模具型腔内引入了负熵流，构筑了与体系外有能量交换的开放系。
　　利用该特定成型模具，并采用传统注射成型设备与工艺，结合结晶/结晶、结晶/非晶和非晶/非晶不同组合的聚合物共混体系，考察了注射成型时，模具型腔内的自组织现象。
　　结晶聚合物体系的高密度聚乙烯（HDPE）/聚氧化乙烯（PEO）共混物，在注射成型的赋形阶段，通过对成型模具型腔的热力学状态的调控，自环境引入一个足够大的负熵流而引发体系内耗散并自发派生物质移动，使HDPE/PEO共混熔体由混乱无序的均一形态转变为有序的梯度形态，选择性地自组织制备了传统的均一结构和梯度相分离结构。通过POM、ATM-FTIR、显微ATR-FTIR和纳米压痕技术对试样断面组成进行表征。结果表明：注射成型时，调控模腔热力学状态为平衡态时，自组织形成最无序的均一结构；而将负熵流引入模腔调控为非平衡状态时，型腔内熔体在负熵流方向自组织形成了HDPE富集在能量流出的低温侧，PEO则富集在能量流入的高温侧的梯度结构，并随负熵流和成型时间呈增大的趋势，而热力学平衡状态是影响梯度结构形成的根本因素。
　　结晶/非晶的聚丙烯（PP）/乙烯-辛烯共聚物（POE）共混体系注射成型时，调控成型模具型腔的热力学状态，可选择性自组织制备传统的均一结构和梯度相分离结构。POM和纳米压痕仪测定表明：PP/POE共混体系中PP富集在能量流出的低温侧，POE则富集在能量流入的高温侧，在负熵流方向自组织形成梯度相分离结构。在梯度相分离结构的PP/POE试样中，模量和硬度随断面的组成变化呈现相同的梯度分布规律。
　　非晶聚合物聚苯乙烯（PS）和乙烯-辛烯共聚物（POE）共混体系注射成型时，调控成型模具型腔的热力学状态，可选择性自组织制备传统的均一结构和梯度相分离结构。FTIR测定结果表明，PS/POE共混体系在负熵流为零时，自组织形成动静模两侧组成相同的均一结构；随着负熵流引入模腔，演变为POE富集在能量流入的高温侧，PS富集在能量流出的低温侧，在负熵流方向上组成成梯度分布的相分离结构。
　　在热力学非平衡状态下注射成型时，形成有序梯度结构的自组织机制是源于负熵流引发的系统内的热流与物质流，聚合物自身的热运动能力的差异导致其在热流方向形成浓度梯度，在制品冷却固形时被固化所致。这一浓度梯度的形成仅决定于负熵流的大小与持续作用时间，与聚合物的结晶性无关。
　　本成果表明，与结晶性无关，不同热运动能力的任意聚合物组合，均可利用传统的聚合物注射成型设备，通过特定的成型模具与工艺，调控引入模具型腔的负熵流，选择性制备传统的海-岛型均一结构和不同形态的梯度结构。这一成果显示了工业化制备聚合物梯度材料的前景，将有力推动聚合物梯度材料的工业化生产与应用。

目录

声明

致谢

1.引言

1.1研究背景

1.2聚合物功能梯度材料的概述

1.3聚合物共混体系梯度结构的研究现状

1.4本研究的目的与意义

1.5主要研究内容及创新之处

2.实验部分

2.1实验基本原理

2.2热力学非平衡体系的构筑

2.3实验过程

3.梯度结构的非平衡模压成型研究

3.1实验部分

3.2结果与讨论

3.3 小结

4.梯度结构的非平衡注射成型研究

4.1结晶性HDPE/PEO体系梯度结构的注射成型

4.2结晶非晶性PP/POE体系梯度结构的注射成型

4.3非晶性PS/POE体系梯度结构的注射成型

4.4梯度结构的形成机理

5.结论

参考文献

作者简历

学位论文数据集