超声技术在聚合物形态结构表征及注射成型过程在线检测中应用的基础研究

摘要

加工过程的在线检测与控制是提高制品性能的重要手段。超声波作为一种机械波，具有探头安装简单方便、不破坏检测对象、信号反馈速度快、内容丰富等优点，在高分子加工检测中具有广阔的应用前景。本论文以超声技术对具有不同相容性和相形态结构的PP／PS，PS／EPDM，PS／SBS，PVC／NBR．聚合物共混体系，以及通过动态保压注射成型制得的具不同取向结构的HDPE／iPP共混物进行了检测，阐明了超声信号与聚合物形态结构之间的关系。另外，将超声技术用于注塑成型过程的在线检测，探索了超声技术对过程的检测能力，研究了结晶与非晶高聚物注塑充模过程的超声行为，以及温度、压强、注射量等条件对聚合物冷却固化行为的影响规律。拓展了超声技术的应用领域，对加工过程的可视化研究以及过程和制品的最优化研究具有重要的理论意义和实用价值。 主要研究结果如下： 1．超声衰减可表征聚合物共混物的相容性和相形态结构。相容体系中(如 PVC／NBR)组分之间分散良好，无大尺寸的分散粒子引起超声散射衰减，衰减与组分含量呈直线关系。在不相容共混物中(如PP／PS，PS／EPDM)，衰减与组分含量呈非线性关系。由于存在尺寸较大的分散相粒子，这些分散 粒子引起超声散射衰减，随分散相含量增加，分散粒子尺寸增大，其引起的 散射衰减响应增加，在相转变区，体系呈双连续结构，分散相含量达到最大 值，分散粒子尺寸也达最大值并相互连接成连续相，体系的超声衰减达到最 大值，此最大值对应于衰减一组分含量曲线的拐点。因此，通过检测超声衰减随不相容共混物组成的变化，可以建立简便快速的表征共混物相反转的有效方法。 2．横波沿不同方向的速度差(时间差)可以表征介质分子链取向程度的大小，大的时间差对应着大的取向程度。超声法反映的是HDPE／iPP共混物中总的 各向异性程度。超声信号与2D WAXS表明：在剪切应力场作用下HDPE／iPP 共混物中HDPE相比iPP相更容易取向。当HDPE为基体时，HDPE的取向 度随其含量增加逐渐升高；而在iPP基体中，iPP的取向几乎维持不变。共混物在某一组分时总的取向度是由该组分下基体相的取向程度决定的。超声法与2D WAXS的一致性表明，超声技术可以很好地用来表征聚合物及共混 物取向结构，与传统的取向检测方法相比具有简便快速的特点。 3．利用超声波在声特性阻抗不同的异质界面发生发射和透射的性质，超声技术能提供注射成型加工中的充模、冷却固化、收缩脱模等过程信息。结晶与非晶高聚物在冷却过程中声速随固化进行逐渐升高，但它们具有不同的超声衰减行为：非晶高聚物处于熔融态时，粘度的增加使超声的粘弹性吸收衰减增 强，固化至一定程度时弹性性能的增加使声衰减减弱，所以反馈信号峰峰值先减小后增大；对结晶高聚物，冷却过程中形成的晶体结构引起散射衰减并占主导因素，信号峰峰值呈逐渐下降趋势。 4．熔融温度、模具温度、注射压力、注射量等加工条件影响聚合物的超声行为。相同加工时间内，高的熔融温度和模具温度使固化程度降低，形成的晶体结 构少，所以声速与衰减相对较小。同时，不同的熔体温度使声速对压强的依 赖性出现差异：高熔体温度时，模腔压强降低导致的声速减小程度大。高注射压力时，流动生热导致熔体温度高，固化速度减慢，相同时间内，声速与声衰减相应较小。在高注射量下，模腔内压强较大，当压强降低时，相应的 声速降低较明显；低注射量下，熔体不能充满模腔，无压强对声速产生影响， 声速直接随冷却固化逐渐升高。由于具有相同的熔融温度和模具温度，不同注射量的聚合物具有相同的冷却固化速率，声速随时间变化的趋势也大致相同，但由于注射量高，能实现有效地补料补压，聚合物冷却时体积收缩少，与模具接触时间长，固化更彻底，所以注射量越高，聚合物收缩离模时间越晚，声速越大。 5．加有成核剂的结晶聚合物结晶温度高，过程快，在相同的冷却时间内形成更多的晶体结构，其引起的声衰减相应较大，体系的模量高，声速较大，体系也先完成结晶固化过程而收缩离模。 6．在动态保压装置中，活塞的周期性振动使模腔中压强出现规律性地大小波动和熔体往复流动，结果声速与声衰减发生相应的上下波动；声速与声衰减随 加工时间的总变化趋势与静态注射时的超声行为是相似的；因高温熔体能被 反复推进模腔，同时，聚合物剪切流动摩擦生热，这些因素导致模腔中聚合物温度较高，冷却固化时间延长。

目录

摘要

1.前言

2.超声技术对聚合物共混体系相容性及相形态结构的研究

3.超声技术对聚合物取向结构的研究

4.超声技术对注射成型过程的在线检测

5.结论

攻读博士学位期间发表与待发表的论文：

致谢

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