（机械制造及其自动化专业论文）聚合物超声波熔融塑化速率测定及其影响因素分析.pdf

摘要 微注射成型技术是推动微机电系统( m s ) 飞速发展的关键技 术之一，其发展过程中面临的挑战主要是微尺度型腔中聚合物熔体的 充填困难。针对该问题，本文使用课题组研制的聚合物超声塑化与流 变实验装置，对聚合物超声波熔融塑化技术进行了深入的研究。主要 研究工作及结论如下： 根据聚合物超声波熔融塑化实验要求，对现有超声塑化与流变实 验装置进行必要的优化设计，研究内容包括：通过对超声波振动系统 的研究，得到超声波工具头的振动模态，并且设计了超声波工具头振 动状态下的静态密封方法；研究了聚合物超声波熔融塑化结束的传感 器测定方案，利用聚合物熔体的压力信号判断塑化料筒内的聚合物是 否完全熔融，为超声波熔融塑化速率的测定提供科学准确的方法。 理论分析了聚合物超声波熔融塑化的本质机理，得出塑化过程中 主要存在三个产热效应，即摩擦生热效应、粘弹性热效应和超声空化 效应。本文重点对超声空化效应进行了理论分析：运用龙格一库塔迭 代法，结合m a t l a b 软件，对空化泡泡壁在超声波作用下的运动过 程进行数值模拟，得到超声波频率、声压幅值、气泡初始半径、塑化 压力和熔体粘度参数对超声空化效应的影响规律，总结出最佳参数组 合，为后续的实验研究提供理论基础。 实验研究了聚合物超声波熔融塑化过程，设计的传感器测定方案 可以准确地测定聚合物超声波熔融塑化速率。结果表明，聚合物超声 波熔融塑化速率随着超声波功率、塑化压力的提高而增加。当超声波 电源电压为2 0 0v ，塑化压力为2 0m p a 时，超声波熔融塑化速率达 到了最大值，为o 11 1lg s 。分析得出超声空化效应在聚合物超声波 熔融塑化过程中占主导作用。微观组织结构实验表明，超声波熔融塑 化i ：k , d h 热熔融塑化得到的微观组织结构更均匀。这些研究成果为该技 术的发展奠定了实验基础。 关键词超声波熔融塑化，塑化速率，优化设计，数值模拟，微注射 成型 a b s t r a c t m i c r o 圳e c t i o nm o l d i n g ( m i m ) i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s w h i c hp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fm i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) n em e l tf i l l i n gd i f f i c u l t yi nm i c r oc a v i t yi st h em a i nc h a l l e n g e o fm i mn o w i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m t h i st h e s i ss t u d i e dt h e p o l y m e r sp l a s t i f i c a t i o np r o c e s su s i n g t h e p o l y m e r s u l t r a s o n i c p l a s t i f i c a t i o nt e s t i n ge q u i p m e n t t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t so fp o l y m e r su l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o n e x p e r i m e n t ，t h ec u r r e n tu l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o ne q u i p m e n th a sb e e n i m p r o v e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：b ys t u d y i n gu l t r a s o n i cv i b r a t i o n s y s t e m ，t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nm o d ew a sd e t e r m i n e d ，a n dt h es t a t i c s e a l i n gm e t h o do ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nt o o lw a sd e s i g n e d ；p r e s s u r e s e n s o rd e t e r m i n a t i o nm e t h o dh a db e e nd e s i g n e dt od e t e r m i n et h ee n do f u l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o n ，w h i c hp r o v i d e sas c i e n t i f i ca n da c c u r a t em e t h o d f o r t h ed e t e r m i n a t i o no fu l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o ns p e e d s e c o n d l y , t h ep r o c e s so fp o l y m e r su l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o nh a sb e e n t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h e r ea r et h r e ek i n d so fh e a te f f e c t si n c l u d i n g f r i c t i o nh e a te f f e c t ，v i s c o e l a s t i ch e a te f f e c ta n du l t r a s o n i cc a v i t a t i o ne f f e c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nt a k e no nt h eg a sb u b b l e w a l le q u a t i o n o fm o t i o nu s i n gr u n g e k u t t am e t h o dw i t ht h ea i do f 僵a t l a bs o f t w a r e t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nu l t r a s o n i c f r e q u e n c y , a c o u s t i cp r e s s u r e a m p l i t u d e ，t h ei n i t i a lb u b b l er a d i u s ，p l a s t i f i c a t i o np r e s s u r e ，m e l tv i s c o s i t y a n dt h eu l t r a s o n i cc a v i t a t i o ne f f e c th a v eb e e no b t a i n e d a n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na l s o g o t ab e s tc o m b i n e dp a r a m e t e r s ，w h i c h p r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f i n a l l y , t h er e s u l t so fp o l y m e r su l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h es e n s o rd e t e r m i n a t i o nm e t h o dc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h e p o l y m e r u l t r a s o n i c p l a s t i f i c a t i o ns p e e d a n dp o l y m e r s u l t r a s o n i c p l a s t i f i c a t i o ns p e e di n c r e a s e da su l t r a s o n i cp o w e ra n dp l a s t i f i c a t i o n p r e s s u r ei n c r e a s e m e nu l t r a s o n i cp o w e ri s2 0 0v ，a n dp l a s t i f i c a t i o n p r e s s u r ei s2 0 田a ，t h ep o l y m e ru l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o ns p e e dr e a c h e da m a x i m u m ，t h a ti s0 1 11 1g s 。t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h eu l t r a s o n i c 1 1 1 c a v i t a t i o ne f f e c ti st h em o s tp o w e r f u le f f e c to ft h et h r e ee f f e c t sd u r i n g p o l y m e r su l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a t u l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o np r o c e s ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h em o r p h o l o g y o fp o l y m e rt h a nt h eh e a t i n gp l a s t i f i c a t i o np r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a l s t u d yl a i da ne x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fp o l y m e r s u l t r a s o n i cp l a s t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d su l t r a s o n i c p l a s t i f i c a i t o n ，p l a s t i f i c a i t o ns p e e d ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g i v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早殖化 微注射成型技术( m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ) 82 0 世纪8 0 年代末应用于光盘制 造以来，已有三十多年的发展历史。微注射成型技术，以容易实现低成本大规模 生产具有微细结构零件的优点而成为微机电系统( m e m s ) 生产最主要制造技术 之一。目前，微注射成型技术主要包括以下四大类：第一类是成型零件质量以毫 克为计量单位，主体尺寸通常小于lm m ，但其尺寸精度不要求达到微米级，如 微齿轮( 如图1 1 a 所示) ：第二类是具有微结构几何特征的微注射成型零件，质 量不以毫克为计量单位，主体尺寸大于1m m ，但其微结构尺寸达到微米级，如 光盘( 如图1 - 1 b 所示) ；第三类是零件不以毫克为计量单位，但其尺寸精度要求 达到微米级，如光电通讯所用的光纤连接器( 如图1 1 c 所示) ；第四类是成型件 要求质量以毫克为计量单位，又要求尺寸精度达到微米级，如医学用微针( 如图 1 1 d 所示) 。 a 微齿轮b 光盘 c 光纤连接器d 医学用微针 图1 1 微注射成型典型零件 硕士学位论文 第一章绪论 国内外众多研究机构在微注射成型技术的各个领域内进行了大量的研究工 作，包括模具微结构的制造技术【1 1 、新型微注射成型机的研制【2 捌、微注射成型 工艺参数的优化t 4 j 以微注射成型过程的仿真分析【5 l 等等。前文所述的各种微注 射成型技术都和常规注射成型技术不同，其成型的制品尺寸很小，或者是带有微 结构，并且制品局部尺寸精度要求较高。因此，对微注射成型过程中的聚合物熔 体的塑化质量要求非常高。聚合物熔体在塑化过程中的任何细微瑕疵，如存在硬 质点、塑化不均等，都可能在微米级的成型制品中形成致命缺吲昏7 1 ，如图1 2 所 示。 充填不足 图1 - 2 微注射成型中的致命缺陷 充填不均匀 作为- - i 1 新兴技术，微注射成型技术在发展过程中面临着诸多挑战，如微制 品微型腔充填困难【引、微制品微观组织结构不均匀等。目前大多数研究者采用的 高注射速度( 5 0 0 - - - 1 5 0 0m m s ) 、高注射压力( 2 0 0m p a ) 【9 j 、变模温控制技术 【1 伽和抽真空处理等方法【1 1 1 ，虽然在一定程度上改善了聚合物熔体的流动性能和 充填效果，但同时也带来了新的问题，如模具变形量增大、成型周期延长以及微 制品分子取向加剧等。而且，这些改善措施还导致了微注射成型设备成本的急剧 上升，产品经济性显著下降等问题。因此在微注射成型技术领域中亟待引入新的 技术和方法来解决目前存在的充填不足和微观组织不均匀的难题。 1 2 超声波在聚合物中的应用研究概况 1 2 1 超声波在高分子溶液中的应用研究概况 在高分子化学中，超声波使聚合物分子链发生断裂的现象早就引起了大量研 究学者的注意【1 2 】。早在1 9 3 3 年斯查拉依就发现了在频率为7 2 2k h z 的超声波作 用下，动物胶、淀粉、橡胶、琼胶和阿拉伯树胶溶液的粘度呈永久性降低，超声 2 硕士学位论文第一章绪论 波作用下高分子量物质的分子链断裂效果显著，如纤维素、明胶、橡胶和蛋白质 等在超声波作用下均发生断裂现象1 1 3 1 5 1 。各国学者还对壳聚糖、蔗糖、聚苯乙烯、 聚丙烯酸胺、聚氯乙烯、聚乙烯等各种高分子溶液进行超声波处理研列婚1 7 】，结 果表明，在高强度超声波作用下，几乎所有的高分子溶液都发生分子链断裂而降 解，从而导致高分子的平均分子量降低。高分子分子链呈有规则断裂，断裂一般 发生在分子链的中间部位，并且对于分子链的中点断裂，存在着高斯分布规律 1 1 5 。高分子的平均分子量随超声波作用时间的增加而逐渐降低，分子量分布变 窄，并在一定时间后分子量趋于恒定值，即到达极限分子量。 前人也对超声波中高分子溶液动力学进行了大量的研究，这为超声波作用理 论奠定了理论基础。超声波对高分子溶液的作用机理有多种理论【1 9 1 ，最经典的 理论是由s c h m i d 提出，他认为气泡坍塌导致溶剂分子快速冲击高分子链，所引 起的摩擦力足以破坏高分子键。但是目前研究结果普遍认为1 2 0 。2 1 1 ，超声波作用下 大分子物质的主要断键机理是机械性断键作用。超声波的机械性断键作用是由于 物质的质点在超声波中具有极高的运动加速度，产生激烈而快速变化的机械运 动，分子在介质中随着波动的高速振动及剪切力的作用而降解。这种快速变化的 机械运动足以引起高分子物质中共价键的断裂，从而导致高分子物质的降解。机 械性断键的最大特点是降解过程中，机械效应所作用的位置靠近最大分子的中 心，并且存在一个最小的分子链，即当降解达到极限链长，分子链断键反应就停 止【2 2 1 。 超声波在高分子溶液中的研究都表明超声波能使高分子分子链发生断裂，引 起高分子平均分子量的降低和分子量分布的变化，从而导致高分子溶液粘度降 低，超声波的降粘效应为超声波在聚合物成型过程中的应用提供了新的思路。 1 2 2 超声波在聚合物成型中的应用研究概况 从超声波对高分子溶液的研究成果得到启发，国内外许多研究者在超声波运 用于微热压成型、挤出成型、注射成型等聚合物成型方面做了许多探索性的研究， 希望在聚合物成型中引入超声波，降低聚合物熔体的粘度，改善其流动性能，使 成型的制品具有更好的成型质量。 在超声波应用于微热压成型方面，日本的h a r u t a k am e k a r u 等人通过带有微 结构模具的超声波工具头振动加热塑料工件表面来压印微结构，发现超声波振动 加热压印微结构在改善聚合物流动性能方面有极佳表现。微结构复制实验结果显 示，超声波振动加热压印成型的制品精度良好1 2 3 】，如图1 3 所示。但目前的研究 仅限于实验方面的探索和对实验结果的简单分析，尚未上升到理论研究的高度。 3 硕士学位论文 第一章绪论 匿 a 、无超声波作用 圊 b 、有超声波作用 图1 - 3 有无超声波作用的微热压制品图 在超声波运用于挤出成型方面，超声波对聚合物熔体各方面性能的影响研究 已比较深入。四川大学材料工程国家重点实验室针对超声波聚合物降解和聚合物 共混挤出技术等进行了深入的研究，在超声波降解过程中，超声波能减小聚合物 熔体的平均分子量，使结晶温度升高，降低熔体表观粘度，导致拉伸强度下降1 2 4 j ； 在超声波聚合物共混挤出成型过程中，超声波能使混合粒子尺寸减小，分布更为 均匀，改善共混物的机械性能，也能影响晶核生长行为，增加结晶温度和结晶度， 同时还能明显降低共混物的口模压力降和熔体表观粘度，改善流动性能 2 5 - 2 8 1 。华 南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心对超声波引入到聚合物挤出 成型中做了相关研究，研究表明超声波可以影响聚合物制品的物理性能和机械性 能、增强共混物相容性，并可改变聚合物的结晶形态，由此来影响聚合物制品的 性能【2 9 1 。美国阿克伦大学聚合物工程学院研究了超声波在p p e p d m 共混挤出中 的作用，实验结果表明，经超声波处理的共混聚合物熔体能够有效降低挤出压力， 提高挤出制品的强度、韧性等机械性能和共混聚合物的相容性及稳定性 3 0 l ：此 外他们还研究了超声波在聚醚酰亚胺( p e i ) 和多壁碳纳米管共混挤出中的作用， 实验结果表明，经超声波处理的共混体中碳纳米管的分布更均匀，杨氏模量、抗 拉强度等机械性能明显提高【3 1 1 ；韩国檀国大学化工学院研究了超声波作用对p p 熔体和p p p s 混合熔体的影响，研究发现超声波对p p 熔体具有诱导断链作用，从 而有效降低熔体粘度，经超声波作用的p p p s 混合熔体具有稳定的相态，并能够 形成p p p s 共聚物1 3 2 1 。他们还研究了超声波作用对聚碳酸酯聚苯乙烯丙烯晴 ( p c s a n ) 混合熔体的影响，也得到了类似的实验结果【3 引。聚合物挤出成型中 引入超声波的研究较多，大量的实验研究表明聚合物挤出成型中引入超声波具有 4 硕士学位论文 第一章绪论 提高聚合物挤出成型产量、降低挤出压力、降低熔体的表观粘度、减小挤出胀大、 影响制品的力学性能、增强共混物相容性、影响聚合物的结晶形态等许多增益效 应，但是对超声波在挤出成型中的作用机理尚缺乏深入研究，无法准确得到最优 的超声波参数及挤出成型参数，工程应用尚未上升到科学问题的高度。 在超声波应用于注塑成型方面，1 9 9 2 年，日本的k a i r i k uy o s h i n o r i 等将超声 波分别施加于注射成型模具的型芯和型腔上，结果显示超声波振动系统带动模具 型芯型腔振动后，聚合物制品的收缩率从0 5 降低到o 1 ，极大改善了制品的 使用性制川。2 0 0 4 年，日本h o y a 株式会社的s a i t o 等将超声波施加在注射成型模 具的型芯镶块上，在注射成型过程中超声波振动系统带动模具型芯镶块高频振 动，从而增加聚合物熔体的流动性，减少制品的残余应力1 3 5 1 。在上述两种应用 中，超声波作用在模具上，而不是直接作用于聚合物熔体，所以无法直接对聚合 物熔体实现降粘处理。在2 0 0 2 年底，英国、德国、西班牙、意大利的塑料工业协 会在欧盟的支持下成立了u l t r a m e l t 研究机构，研究超声振动注射成型技术， 旨在开发一套低成本且可与常规注射成型系统集成的超声振动注射成型装置 1 3 6 1 。该研究机构在2 0 0 2 年11 月至2 0 0 5 年1 0 月的三年内，研制出了一套集成超声装 置的模具( 如图1 4 所示) ，该装置中的超声波直接作用于聚合物熔体。其实验结 果表明，超声波能明显改善聚合物熔体的流动性能，如图1 5 所示。但是该技术 也存在一些问题，超声波对不同聚合物材料的流动性能影响效果不一样，如超声 波对聚丙烯( p p ) 的作用效果比对聚碳酸酯( p c ) 的作用效果好，而且不同的 超声波参数对聚合物的影响效果也相差很大，超声波作用时间短，功率小，聚合 物熔体的流动性能没有明显地改善。在仿真方面，韩国西江大学的j a e y e o ll e e 3 7 - 3 9 1 等人利用i d e a s 的有限元模块分析将超声波引入到轻薄板的微注塑成型，得到 了更优的注塑参数，仿真结果表明超声波的引入明显提高了熔体的注射速率。 a 、超声波振动系统b 、注射成型模具 图1 - 4 集成超声波振动系统的模具 固 b 硕士学位论文 第一章绪论 a 、无超声波作用b 、有超声波作用 图1 - 5 有无超声波作用的注射成型制品图 此外，振动力场引入到常规注射成型领域的研究已日趋成熟。华南理工大学 的瞿金平将电磁场引起的机械振动力场引入到注射成型的熔融塑化、注射和保压 全过程，研制出能实现动态塑化、注射和保压的电磁振动注塑机，并对振动力场 下聚合物熔体流变行为进行了深入研究，推导出粘度计算公式，其研究方法和实 践经验值得借鉴，但引入的电磁振动属于低频振动( 几十赫兹) 范围，与超声波 ( 频率2 0k h z 以上) 的作用机理完全不同【4 训。 综上所述，超声波成功应用于微热压成型、挤出成型和注射成型中的研究都 在一定程度上说明，超声波能改善聚合物熔体流变性能、降低熔体的表观粘度、 影响聚合物的结晶形态、增强熔体的流动性，为解决微注射成型中的充填不足问 题提供了新的思路。 1 2 3 超声波在聚合物塑化中的应用研究概况 从超声波在微热压成型、挤出成型和注射成型中的成功应用出发，近几年来， 国内外很多专家学者为了解决微注射成型的充填不足难题，在塑化方面做了相关 的研究工作：德国f r c i b u r g 大学微系统中心的c h r i s t i a nb r e t t h a u e r 等人通过仿真和 实验研究了超声焊接中超声波振动作用下聚合物的熔融塑化机理，研究表明，使 用超声波振动可以使p m m a 在低于其玻璃化转变温度条件下( 1 0 0 ) 熔融 4 1 l ； 德国亚琛大学i k v 研究所的w m i c h a c l i 等人开发了一套超声波塑化系统，研究表 明采用超声波塑化的聚合物具有良好的均质性，十分适合于微注射成型中聚合物 的塑化1 4 2 4 3 】；湖北工业大学的应继儒教授将超声波振动和高速剪切作用引入到聚 合物的塑化过程中，构建了新型熔融塑化模型，并根据塑化原理设计了多功能流 变性能测试装置。该装置通过超声波振动作用、高速剪切作用使熔体达到较好的 塑化效果】。中南大学的吴旺青硕士设计了聚合物超声塑化与流变实验装置， 并且进行了相关的超声波熔融塑化实验，实验结果表明超声波能使聚合物熔融， 探明了聚合物在超声波作用下熔融过程，但是没有明确指出具体的超声波塑化速 率以及超声波对聚合物微观形态的影响【4 5 。4 6 1 。 雹 硕士学位论文 第一章绪论 本文利用自制的聚合物超声塑化与流变实验装置，研究分析了超声塑化过程 中存在的塑化料筒热损失问题、超声波熔融塑化速率测定问题以及超声塑化中聚 合物熔体泄漏问题，提出了切实可行的解决措施，保证了超声塑化实验的顺利开 展；理论分析了超声波熔融塑化过程中的超声波作用机理以及相关参数对聚合物 熔融塑化的影响规律；实验研究了超声波相关参数对聚合物塑化速率及塑化物料 的微观形态的影响规律。本文揭示了聚合物超声波塑化过程及其塑化本质原因， 为该技术的产业化及其在微注射成型中的应用提供理论和技术支持，这既是微注 射成型技术发展的迫切需要，又是符合聚合物非常规加工工艺的最新发展趋势。 1 3 课题来源及论文主要研究内容 1 3 1 课题来源 中南大学模具技术研究所在微注射成型技术方面的研究得到了很多项目的 资助。针对微注射成型中聚合物熔体充填困难等工艺难题提出的超声微注射成型 新工艺得到了教育部科学技术研究重点项目“超声外场下微注射成型关键技术 ( 项目编号：1 0 7 0 8 6 ) 和中南大学研究生创新教育工程项目“聚合物超声熔融塑 化理论及实验分析 ( 项目编号：1 3 4 3 7 4 3 3 5 0 0 0 0 1 2 ) 的资助。 1 3 2 论文主要研究内容 本文针对微注射成型中高质量、高流动性聚合物熔体的需求，对聚合物超声 波熔融塑化机理及超声波塑化速率影响因素进行研究和分析，主要研究内容如 下： 1 根据超声塑化实验要求，分析实验装置存在的热损失问题和泄漏问题，并提 出相应的解决办法，保证超声波塑化实验的顺利进行； 2 对聚合物超声波熔融塑化速率的测定问题进行分析，根据聚合物超声波熔融 塑化过程和实验装置本身的特点，设计聚合物超声波熔融塑化速率传感器测 定方案，并从实验上论证该方法的可行性； 3 对聚合物超声波熔融塑化进行理论研究，分析相关参数对聚合物超声波熔融 塑化的影响规律； 4 进行聚合物超声波熔融塑化实验研究，采用设计的超声波熔融塑化速率的传 感器测定方案，对聚合物进行超声塑化实验，研究相关实验参数对聚合物超 声波熔融塑化速率的影响规律，并分析超声波熔融塑化对聚合物微观形态的 影响机理。 7 硕士学位论文第一章绪论 论文的主要框架结构如图1 - 6 所示。 f 聚合物超声波熔融塑化警测定及其影响因素分析j i | l 实? 究 。 理论研究i ；j l1 l r i 聚合物超声波塑化速i i率测定实验研究 超声波振动系统分析 1 l rl i 超声波对聚合物微观聚合物超声波熔融 i 形态影响实验研究塑化机理分析 ， ii | f ” 7 釜文总结与展望。 。= 。 1 4 论文研究意义 图1 - 6 全文框架结构 本文从解决微注射成型过程中微小型腔充填不足问题出发，根据文献中所述 的超声波在聚合物成型领域的应用研究结果，对超声波在聚合物熔融塑化过程中 的作用机理，进行了超声波熔融塑化理论分析和实验研究。超声波引起了聚合物 材料的表观粘度降低、微观组织形态的改善，这些改变直接影响聚合物微注射成 型制品的性能。本论文研究成果将进一步丰富聚合物熔融塑化理论，为解决微注 射成型中微尺度型腔熔体充填困难的工艺难题提供新的思路。此外，本论文的研 究成果还有利于拓宽超声波在聚合物成型中的应用领域，并为其提供相关理论依 据和技术支持。 8 硕士学位论文第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 聚合物超声塑化与流变实验装置主要由聚合物塑化模块与流变测试模块组 成，具体结构主要包括超声波振动系统、塑化料筒以及温度控制系统、液压系统、 流变数据采集系统。聚合物超声塑化与流变实验装置不但能实现聚合物的超声塑 化，而且还能对聚合物熔体叠加超声波后进行流变性能测试。但是该装置也存在 需要改进的地方，比如在聚合物超声波熔融塑化实验过程中，由于超声波工具头 和塑化料筒之间存在间隙，有少量聚合物熔体从间隙中溢出；超声波熔融塑化实 验过程中，由于超声波工具头将聚合物颗粒完全封闭在塑化料筒内，故无法用肉 眼直接观察判断何时塑化料筒中的聚合物能完全塑化。因此，聚合物超声波熔融 塑化速率难以确定。本章从塑化料筒热损失问题、超声波熔融塑化速率测定方法、 超声波振动系统分析以及超声波工具头密封问题分别进行相关研究。 2 1 塑化料筒热损失问题研究 在聚合物超声波熔融塑化实验过程中，塑化料筒与外界环境存在热交换，从 而造成大量的超声波能量损失。而且，通过提高超声波功率或者延长超声波作用 时间都无法使塑化料筒内壁附近的聚合物颗粒完全熔融( 如图2 1 所示) 。由此 可见，在超声波熔融塑化过程中，塑化料筒的热损失问题对超声波塑化实验造成 了极大的影响，导致超声波熔融塑化实验无法开展。 图2 - 1未完全熔融塑化的实验样品 苫 硕上学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 为了保证超声波熔融塑化实验的顺利开展，需要对塑化料筒在超声波熔融塑 化实验过程中的热损失问题进行分析，以确定超声波在聚合物熔融塑化过程中损 失的总能量，并在分析结果的基础之上设计塑化料筒的隔热方法，采取合适的能 量补偿措施，尽可能保证聚合物超声波熔融塑化实验中的超声波能量完全转化为 聚合物熔体的内能。 2 1 1 塑化料筒热损失有限元分析 为了得到实际过程中塑化料筒热损失的总量，需要对塑化料筒的热损失问题 进行以下两方面的比较分析： 1 塑化料筒与外界不存在热传导、空气对流和热辐射。在这种边界条件下，塑 化料筒处于理想绝热情况，没有任何能量的交换，即所有的超声波能量都被 聚合物吸收，致使聚合物熔融。 2 塑化料筒外表面有空气对流和热辐射情况。由于空气的导热性能很差，所以 可以忽略塑化料筒和空气的热传导。这种边界条件是实际的实验环境下塑化 料筒和外界存在的热交换情况。 如图2 2 所示，塑化料筒分为上下料筒，料筒的内表面和聚合物颗粒接触， 聚合物的温度随着超声波作用时间的增加而提高，而塑化料筒的外表面暴露在空 气中，存在与空气的对流换热和热辐射。表2 1 为塑化料筒、聚合物熔体和空气 的热分析参数以及边界条件、初始条件。 a ，上料筒b 、下料筒 图2 - 2 塑化料筒模型图 1 0 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 p 划 赠 图2 - 3 实验中测得的聚合物熔体温度曲线图 该聚合物熔体温度曲线图是在超声波熔融塑化实验过程中，实时采集的聚合 物温度数据，由曲线可以拟合成温度与时间的函数，具体表达式如下： r = 譬1 2 07 翟5 5 芝竺1 5 5 0 ) 协， 一、，、三- i ， ll f ) 。 运用a n s y s 分析软件的热分析模块，对上述两种情况进行对比分析1 4 刀，可 以得到两种情况下塑化料筒的温度分布情况( 如图2 4 、2 5 ) 以及平均温度值， 并可以在此基础之上，通过计算得到聚合物超声波熔融塑化过程中损失的总能 量。 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 图2 - 4 绝热情况下塑化料筒温度分布图 图2 5 热交换情况下塑化料筒温度分布图 1 2 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 运用a n s y s 软件的后处理模块对塑化料筒的每个节点的温度进行求和，并 求得塑化料筒的平均温度，分析得到两种情况下，塑化料筒的平均温度分别为 1 2 5 8 c 、1 1 4 7 。则在超声波熔融塑化过程中，塑化料筒损失的总能量可用两 者温度差引起的热量差来计算： q = c m a t = 4 8 0j k g x 4 6 7k g x ( 1 2 5 8 - - 1 1 4 7 ) = 2 4 8 9k j ( 2 2 ) 其中：塑化料筒材料为c r l 2 ，其比热为4 8 0j k g ；塑化料筒的质量为4 6 7k g 由于超声波作用功率为2 0 0w ，假设超声波能量完全转换成聚合物的热能， 则损失的热能换算成超声波能量，需要开启超声波1 2 5s ，占总超声波作用时间 ( 6 0 0s ) 的2 0 。由此可见，塑化料筒在超声波熔融塑化过程中的热损失问题 比较严重，需要采取必要的隔热措施。 2 1 2 - 塑化料筒隔热方法研究 根据塑化料筒的隔热要求，如隔热材料具有3 0 0 以上的耐热温度，具有 较低的导热系数，而且具有较大的抗压强度，通过比较目前最常用的隔热材料( 如 表2 2 所示) ，选用矿棉和硅酸铝作为本实验的隔热材料，并在塑化料筒外表面 覆盖一层锡纸，以减少热辐射。图2 - 6 为采取隔热措施后的塑化料筒图。 表2 - 2 常用隔热材料的性能指标参数表 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 a 、硅酸铝b 、矿棉c 、锡纸 图2 - 6 采取隔热措施后的塑化料筒图 对塑化料简采取隔热措施后，进行超声波熔融塑化实验，得到的实验样品外 表面基本没有颗粒状的聚合物，而未隔热的实验样品外表面还存在没有完全熔融 的聚合物颗粒，如图2 7 所示。 未隔热的实验样品隔热后的实验样品 图2 1 7 采取隔热措施前后的实验样品图 利用红外测温仪对超声波熔融塑化实验过程中塑化料筒的温度进行测量，测 得采取隔热措施前后塑化料筒的上下料筒温度变化曲线，如图2 8 、2 9 所示， 比较两图的曲线变化，可以看出，采取隔热措施后的塑化料筒具有较高的温度。 由实验样品的比较和实验过程中塑化料筒温度的变化曲线对比可知，所采取的隔 热措施在减少塑化料筒的热损失方面起到了很好的隔热作用，保证了超声波熔融 塑化实验的顺利进行。 1 4 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 2 6 0 2 4 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0 p。 1 6 0 哒 赠1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 8 0 0 2488 101 21 4181 82 0 时间m i n 图2 8 未隔热上下料筒温度变化曲线图 02 4881 01 2 1 4181 82 0 时间m i n 图2 - 9隔热后上下料筒温度变化曲线图 1 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d 枷 拗 姗 伽 雠 啪 啪 盯 印 p 世赠 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 此外塑化料筒从常温( 3 0 ) 上升到聚合物的粘流态转换温度( 1 3 0 ) 需要吸收的能量为 q = c m a t = 4 8 0j k g x4 6 7k g ( 1 3 0 - - 3 0 。c ) = 2 2 4 k j ( 2 3 ) 为了保证聚合物超声波熔融塑化实验过程中，超声波能量完全转换成聚合物 的内能，致使聚合物熔融，需要对塑化料筒进行预热处理。由于加热圈的加热功 率为1 0 0 0w s ，所以需要开启加热圈加热2 2 4s ( 约4m i n ) 来对塑化料筒进行预 热，以保证超声波能量完全转换为聚合物的内能。 2 2 聚合物超声波熔融塑化速率测定方法研究 2 2 1 聚合物超声波熔融塑化速率测定问题概述 塑化料筒中的聚合物颗粒在超声波作用下熔融，由于实验过程中不能直接观 察料筒内的聚合物熔融过程，因此很难判断经过多长时间，塑化料筒内的聚合物 完全熔融。而在超声塑化实验中比较重要的实验参数是聚合物的超声波熔融塑化 速率，即单位时间内，聚合物在超声波作用下的熔融塑化速率，其单位为克秒 ( g s ) ，此参数相当于注塑机性能参数中的塑化能力参数。因此该参数反映的是 聚合物超声波熔融塑化的效率。 对于聚合物超声塑化与流变实验装置来说，聚合物的熔融塑化速率可以通过 如下方法获得：称取3 0 9 聚合物颗粒加入到塑化料筒中，用加热圈对塑化料筒进 行预热4 m i n ，开启超声波，使聚合物在一定的塑化压力下熔融塑化。当聚合物 完全熔融时，关闭超声波，同时记录超声波作用时间，这样根据上述超声波熔融 塑化速率的定义就可以得到具体的聚合物超声波熔融塑化速率。这个过程最重要 的问题就是如何判断聚合物是否完全熔融即聚合物熔融塑化结束的测定问题。针 对这一难点，本文提出了一种塑化结束的测定方案传感器测定方案。 2 2 - 2 聚合物超声波熔融塑化速率传感器测定方案 在超声波熔融塑化实验开始时，由于存在一定的塑化压力，聚合物颗粒在压 力的作用下对温度压力传感器的感应膜片产生比较大的挤压力，从而导致感应膜 片发生变形，以致损坏，无法使用。 为了解决目前现有实验装置存在的传感器感应膜片容易损坏问题，并且能判 定聚合物熔融塑化结束，本文设计了聚合物超声波熔融塑化速率传感器测定方 案：在塑化料筒侧壁加工高温熔体温度压力传感器安装孔，用以安装温度压力传 感器，温度压力传感器为佛山市顺德区拓扑电子有限公司的p t l 3 3 5 0 型熔体温 度压力传感器，其具体参数如表2 3 所示。将毛细管口模设计成阶梯轴，装配时 使温度压力传感器的感应膜片收缩在塑化料筒和毛细管口模之间的缝隙中，避免 1 6 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 直接与聚合物颗粒接触。根据传感器测得的聚合物熔体温度和压力数据，判断聚 合物是否完全熔融。 表2 - 3 温度压力传感器参数表 温度压力传感器能同时测量聚合物熔体的温度和压力值，在聚合物超声波熔 融塑化过程中，聚合物的熔体温度值和压力值会随着实验的进行不断地发生变 化，通过温度压力传感器测定温度压力值的具体变化过程，据此判断聚合物是否 完全熔融。 实验开始时，由加热圈对塑化料筒进行预热，开启超声波振动系统对聚合物 进行塑化，随着实验的进行，少量聚合物熔融后流入塑化料筒和毛细管口模之间 的间隙中，与温度压力传感器的感应膜片完全接触，从而使温度压力传感器采集 到聚合物熔体的温度值和压力值。由于还有大量聚合物颗粒没有熔融，塑化压力 在沿着超声波工具头方向呈递减趋势，因此采集到的压力比较小。随着超声波熔 融塑化实验的进行，聚合物颗粒间的压力损失逐渐减小，压力传感器探测到的压 力值慢慢增大，最后当聚合物完全熔融时，测得压力值达到最大。因此可以单独 用压力传感器来测定塑化是否结束。 2 2 3 聚合物超声波熔融塑化速率传感器测定方案的实验论证 图2 - 1 0 为超声波熔融塑化实验过程中，数据采集软件显示的温度压力曲线 变化图，相关实验参数为：超声波频率2 0k h z 、超声波电源电压1 5 0v 、塑化压 力2 0m p a 。图2 1 l 为根据实验过程中采取的数值自行绘制的温度压力曲线变化 图。由于温度压力传感器的压力量程为5 0m p a ，而实验过程中的压力只有2m p a ， 所以测量波动比较大，此外传感器的测量精度也存在一定问题，从而导致测量值 波动比较大，难以判断温度压力值的具体变化情况。因此对该曲线进行多项式拟 合，得到拟合后的实验曲线如图2 1 2 所示。 0 i l a r q t ，1 g 1 5 0 聊 。1 。 1 2 0 9 0 艄 6 0 h lh 溅彬 li4-月， ：i i r 、 柙。 3 0 h m t i h 枞l i l | l ；v v ； 图2 1 0 传感器温度压力变化曲线图 1 7 硕士学位论文第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 罡 藿 r 幽 罡 藿 r 出 时间t ，s 图2 - 1 1 传感器温度压力变化曲线图 时间t s 舒 洒 皇 一 舒 沸 曩 一 图2 - 1 2 拟合后的传感器温度压力变化曲线图 从图中可以看出，实验中聚合物的温度随着超声波熔融塑化实验的进行不断 上升，而塑化料筒内的压力在塑化开始阶段保持为0m p a 左右。随着超声波熔 融塑化实验的进行，测得的压力值不断上升，达到最大值后迅速下降。根据前文 1 8 硕士学位论文 第二章聚合物超声塑化与流变实验装置研究 所述的传感器测定方案，当传感器测得的压力值达到最大值时，说明聚合物完全 熔融，此时得到的实验样品由图2 1 3 所示，聚合物已经完全熔融塑化。这证明 聚合物熔融塑化结束的传感器测定方案的可行性。 图2 - 1 3 超声波熔融塑化实验样品 从图2 1 2 还可以看出，当传感器测得的压力值达到最大值后，马上就下降， 这是由于塑化料筒中的聚合物完全熔融时，聚合物熔体在塑化压力的作用下从毛 细管口模中流出，因而导致聚合物熔体压力的下降。 图2 1 2 显示传感器测得的温度值随着超声波熔融塑化实验的进行不断上升， 当塑化结束时，聚合物的温度为1 1 5 1 2 ，低于高密度聚乙烯的熔点1 3 5 。由 文献2 4 所述，对聚合物熔体施加超声波作用后，其平均分子量会下降，而高密 度聚乙烯的分子量为4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 ，其对应的熔点为1 0 0 1 3 5 ，分子量 越小，熔点越低。因此，传感器测得的温度值( 1 1 5 ) 比材料的熔点( 1 3 5 ) 低的主要原因是超声波作用使高密度聚乙烯的分子量降低，从而导致聚合物材料 的熔点下降。不同参数超声波处理的聚合物材料的熔点变化不同，这也是没有采 用温度信号作为塑化结束的依据。 2 3 超声波振动系统研究 2 3 1 超声波振动系统简介 超声波振动系统作为聚合物超声塑化与流变实验装置的核心部件，发挥着重 要的作用。超声波振动系统主要包括超声波发生器和超声波振子，而超声波振子