一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置及使用方法

摘要

本发明公开了一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置及使用方法，包括模具上模和模具下模，所述模具上模和模具下模通过螺钉连接；所述模具上模贯穿设置有第一镂孔和第二镂孔，所述第一镂孔内设置有压柱，所述第二镂孔内设置有旋转杆，所述旋转杆上端与第二镂孔间留有环形间隙；所述模具下模上与模具上模接触面设置有凹槽，所述凹槽与第一镂孔和第二镂孔连通。本发明结构简单，使用方便，通过对原料先加热加压，再旋转剪切，促进形成结晶，形成串晶结构或者更厚的片晶，从而提高其宏观性能；可以表征试样的力学性能；可以通过对加工条件、内部形态结构和宏观性能的比较，得出加工条件、结构与性能三者之间的关系，为实际成型加工提供理论和实验依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置及使用方法，具体为一种制备可同时表征微观结构和宏观性能试样的压力-剪切实验装置及使用方法。

背景技术

流动诱导聚合物结晶是高分子物理的基本问题，长期以来，高分子科学与工业界开展了大量的研究工作，一些结果也已经被广泛接受，如：流动场显著加快聚合物结晶动力学，结晶动力学的加快主要归因于成核密度的增加；强的流动场改变聚合物结晶形态，诱导取向晶体结构的生成等。除流动场外，压力场也显著影响聚合物结晶动力学以及最终晶体结构，如：压力场影响分子链堆砌方式，构象及扩散能力，进而影响聚合物结晶动力学，诱导特殊晶体结构生成等。

然而，过去流动诱导聚合物结晶研究大都是基于常压或低压下条件展开的，在实际加工过程中，如最常见的注射成型，除了注射过程中高的剪切作用，还伴随着几十到上百兆帕的注射压力及保压压力。因此，开展压力下流动诱导聚合物结晶研究除了可帮助理解聚合物流动诱导结晶机理外，还对实际成型加工过程具有重要的指导意义。基于此，我们曾自主设计、制造了一套压力-剪切流动仪(PSD)，实现了压力场和流动场的同时施加，取得了大量研究成果。然而，由于最终得出的试样的形状为圆片状，在圆片径向方向的剪切速率大小不同，因此诱导的结构在径向不一致，故利用PSD制备的圆片状试样不能表征其力学性能、耐热性能和电性能等宏观性能，也无法建立起剪切速率与性能之间的关系；如果直接制备矩形片状或哑铃状试样，则对动密封要求很高，实验过程中的压力不能太高，否则在高压下容易产生漏料。但是压力较小的话，实验工艺参数的范围很有限，覆盖范围太小，不能在较宽范围内建立压力、剪切与试样结构和性能之间的关系。同时矩形片状或哑铃状试样中的剪切速率在厚度方向上也不相同，因此无法建立单一剪切条件与结构和性能之间的关系。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是设计了一种制备可同时表征微观形态结构和宏观性能的压力-剪切实验装置及使用方法，通过对加工条件(压力或剪切)、内部形态结构和宏观性能进行比较，可以建立加工条件、结构与性能三者之间的关系。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置，包括模具上模和模具下模，所述模具上模和模具下模通过螺钉连接固定，防止熔体在加压过程中溢出；所述模具上模贯穿设置有第一镂孔和第二镂孔，所述第一镂孔内设置有压柱，用于对熔体施加需要的压力，所述第二镂孔内设置有旋转杆，用于对熔体施加剪切场，以促进分子链取向和结晶，所述旋转杆上端与第二镂孔间留有环形间隙，试验后熔体形成环形管状，目的是成型后可剖开成一个类似矩形的片，再通过裁切成标准样条即可测试其力学性能。

所述模具下模上与模具上模接触面设置有凹槽，所述凹槽与第一镂孔和第二镂孔连通，将熔化后的熔体从第一镂孔压入到第二镂孔中，从而对熔体进行旋转剪切；所述模具上模和模具下模内均设置有加热棒和冷却介质通道，加热棒用于加热模具上模和模具下模，熔化实验原料，冷却介质通道用于冷却熔化后的原料。

进一步的是，所述模具上模上设置有开模螺钉，当需要开模时，旋转开模螺钉，顶出模具下模。

进一步的是，所述模具上模和模具下模内均设置有通孔，所述模具下模内设置有导柱，所述导柱与模具上模和模具下模的通孔配合，用于对准上下模的位置。

进一步的是，所述冷却介质通道位于模具上模和模具下模的四周边缘，便于快速冷却模具上模和模具下模，冷却介质通道的出口设置有堵头和接头，堵头用于堵住冷却介质通道的开口，以便在模具内形成内循环，接头用于连接冷却管与冷却介质通道，接头一进一出，冷却介质快速冷却模具。

进一步的是，所述第一镂孔内位于压柱上端设置有密封件，用于密封加压下的熔体。

进一步的是，所述模具上模和模具下模材料为H13钢，所述密封件材料为铜，其它均为普通钢材。

进一步的是，所述螺钉和加热棒均设置有多个，多个螺钉便于固定模具上模和模具下模，螺钉要频繁拆装，且预紧力非常大，因此选择高强度的优质螺钉；多个加热棒均匀排列，便于快速加热模具上模和模具下模到指定温度。

一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

a)用加热棒对实验装置加热；

b)当加热到设定温度时，从第一镂孔加入实验原料，用压柱将密封件压入第一镂孔中，保温一段时间；

c)待原料全部熔化，继续对压柱加压，将原料熔体压入凹槽中，再流入到环形间隙内，直到压力达到设定值(通过对压柱施加的压力计算得到)，再保温一段时间，消除原料热历史；

d)降温到实验温度，旋转所述旋转杆对环形间隙内的熔体进行旋转剪切(脉冲或连续)，直到设定的时间，停止剪切；

e)保温一段时间，试样结晶，往冷却介质通道注入冷却介质降温；

f)降温到室温后分开上下模具，取出环形间隙内的试样，可通过同步辐射X射线、差式扫描量热仪、付立叶红外、扫描电镜、透射电镜等表征其内部形态结构；

g)将成形后的环形间隙内的试样剖开成片，裁切成标准样条，测试其宏观性能，包括力学性能，但不限于力学性能，还有电性能，耐热性能等；

h)通过对加工条件(压力或剪切)、内部形态结构和宏观性能的比较，建立加工条件、结构与性能三者之间的关系，因此如果需要某种性能的试样，便可设置合适的加工条件，从而在试样中产生特殊结构，获得理想的宏观性能，为实际成型加工提供理论和实验依据。

本发明的有益效果：本发明结构简单，使用方便，通过对原料先加热加压，再旋转剪切，促进形成结晶，形成串晶结构或者更厚的片晶，从而提高其宏观性能(强度、韧性、耐热性能、电性能等)；旋转杆上端与第二镂孔间留有环形间隙，试样成型后可剖开成一个类似矩形的片，再通过裁切成标准样条即可测试其宏观性能，简单便捷；由于此自密封结构在压力越高时密封性能越好，环形间隙内的管状试样在高压下不容易漏料，在试样径向及轴向方向，其剪切速率完全相同，因此可以建立剪切速率、结构和性能之间的对应关系，相反，圆片试样、矩形、哑铃形试样中的剪切速率是变化的，不能建立剪切速率与结构和性能之间的关系；通过对加工条件、内部形态结构和宏观性能的比较，得出加工条件、结构与性能三者之间的关系，为实际成型加工提供理论和实验依据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1中的A-A剖视图；

图3为本发明图1中的B-B剖视图；

图4为实施例中试样的宽角X射线衍射同步辐射结果；

图5为实施例1中扫描电镜结果；

图6为实施例2中扫描电镜结果；

图7为实施例3中扫描电镜结果；

图8为实施例4中扫描电镜结果；

图中：1、模具上模；2、模具下模；3、螺钉；4、第一镂孔；5、第二镂孔；6、压柱；7、旋转杆；8、环形间隙；9、凹槽；10、加热棒；11、冷却介质通道；12、开模螺钉；13、通孔；14、导柱；15、堵头；16、接头；17、密封件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

请参照图1-3，一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置，包括模具上模1和模具下模2，所述模具上模1和模具下模2通过螺钉3连接；所述模具上模1贯穿设置有第一镂孔4和第二镂孔5，所述第一镂孔4内设置有压柱6，所述第二镂孔5内设置有旋转杆7，所述旋转杆7上端与第二镂孔5间留有环形间隙8；所述模具下模2上与模具上模1接触面设置有凹槽9，所述凹槽9与第一镂孔4和第二镂孔5连通；所述模具上模1和模具下模2内均设置有加热棒10和冷却介质通道11。

作为本实施例的优化方案，所述模具上模1上设置有开模螺钉12；所述模具上模1和模具下模2内均设置有通孔13，所述模具下模2内设置有导柱14，所述导柱14与模具上模1和模具下模2的通孔13配合；所述冷却介质通道11位于模具上模1和模具下模2的四周边缘，冷却介质通道11的出口设置有堵头15和接头16；所述第一镂孔4内位于压柱6上端设置有密封件17；所述模具上模1和模具下模2材料为H13钢，所述密封件17材料为铜，其它均为普通钢材；所述螺钉3设置有四个，所述加热棒10均设置有六个。

一种压力和流动场诱导聚合物结晶的实验装置的使用方法，以等规聚丙烯为例在不同工艺条件下开展了具体实验。

实施例1：

a)用加热棒10对实验装置加热；

b)当加热到设定温度180℃时，从第一镂孔4加入实验原料等规聚丙烯，用压柱6将密封件17压入第一镂孔4中，保温10分钟；

c)待原料全部熔化，继续对压柱6加压，将原料熔体压入凹槽9中，再流入到环形间隙8内，直到压力达到设定值100MPa，再保温15分钟；

d)降温到实验温度150℃，旋转所述旋转杆7对环形间隙8内的熔体进行旋转剪切，剪切速率0.6s^-1，直到设定的时间10秒，停止剪切；

e)保温30分钟，试样结晶，往冷却介质通道11注入水降温；

f)降温到室温后取出试样，通过同步辐射X射线和扫描电镜表征环形间隙8内试样内部形态结构；宽角X射线衍射的结果如图4所示，扫描电镜的结果如图5所示。

g)将成形后的环形间隙8内试样剖开成片，裁切成标准样条，测试其性能，结果见表1。

实施例2：

a)用加热棒10对实验装置加热；

b)当加热到设定温度180℃时，从第一镂孔4加入实验原料等规聚丙烯，用压柱6将密封件17压入第一镂孔4中，保温10分钟；

c)待原料全部熔化，继续对压柱6加压，将原料熔体压入凹槽9中，再流入到环形间隙8内，直到压力达到设定值100MPa，再保温15分钟；

d)降温到实验温度150℃，旋转所述旋转杆7对环形间隙8内的熔体进行旋转剪切，剪切速率5s^-1，直到设定的时间10秒，停止剪切；

e)保温30分钟，试样结晶，往冷却介质通道11注入水降温；

f)降温到室温后取出试样，可通过同步辐射X射线和扫描电镜表征环形间隙8内试样的内部形态结构；宽角X射线衍射的结果如图4所示，扫描电镜的结果如图6所示；

g)将成形后的环形间隙8内试样剖开成片，裁切成标准样条，测试其性能，结果见表1。

实施例3：

a)用加热棒10对实验装置加热；

b)当加热到设定温度180℃时，从第一镂孔4加入实验原料等规聚丙烯，用压柱6将密封件17压入第一镂孔4中，保温10分钟；

c)待原料全部熔化，继续对压柱6加压，将原料熔体压入凹槽9中，再流入到环形间隙8内，直到压力达到设定值100MPa，再保温15分钟；

d)降温到实验温度150℃，旋转所述旋转杆7对环形间隙8内的熔体进行旋转剪切，剪切速率8s^-1，直到设定的时间10秒，停止剪切；

e)保温30分钟，试样结晶，往冷却介质通道11注入水降温；

f)降温到室温后取出试样，通过同步辐射X射线和扫描电镜表征环形间隙8内试样的内部形态结构；宽角X射线衍射的结果如图4所示，扫描电镜的结果如图7所示；

g)将成形后的环形间隙8内试样剖开成片，裁切成标准样条，测试其性能，结果见表1。

实施例4：

a)用加热棒10对实验装置加热；

b)当加热到设定温度180℃时，从第一镂孔4加入实验原料等规聚丙烯，用压柱6将密封件17压入第一镂孔4中，保温10分钟；

c)待原料全部熔化，继续对压柱6加压，将原料熔体压入凹槽9中，再流入到环形间隙8内，直到压力达到设定值100MPa，再保温15分钟；

d)降温到实验温度150℃，旋转所述旋转杆7对环形间隙8内的熔体进行旋转剪切，剪切速率11.4s^-1，直到设定的时间10秒，停止剪切；

e)保温30分钟，试样结晶，往冷却介质通道11注入水降温；

f)降温到室温后取出试样，通过同步辐射X射线和扫描电镜表征环形间隙8内试样的内部形态结构；宽角X射线衍射的结果如图4所示，扫描电镜的结果如图8所示；

g)将成形后的环形间隙8内试样剖开成片，裁切成标准样条，测试其性能，结果见表1。

表1不同实施例的宏观性能数据

序号实施例编号拉伸强度(MPa)结晶度(％)维卡软化点提高(℃)1实施例131.255.20.22实施例234.356.31.53实施例337.857.13.24实施例438.257.93.4

综上，通过对加工条件(压力或剪切)、内部形态结构和力学性能的比较，得出加工条件、结构与性能三者之间的关系：即剪切速率提高，有利于在试样中形成取向晶体，特别是形成了互锁串晶结构，这有利于提高试样的力学性能和耐热性能。但是，当剪切速率高到一定程度时，取向达到比较高的程度，再提高剪切强度，其提高效果变得不明显。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。