高分子材料加工工程硕士论文线性低密度聚乙烯(LLDPE)在振动剪切复合应力场中挤出成型时的流变行为研究

1、四川大学硕士学位论文四川大学硕士学位论文题 目 线性低密度聚乙烯(lldpe)在振动剪切复合应力场中挤出成型时的流变行为研究作 者 完成日期 2006 年 5 月 18 日培 养 单 位 四川大学高分子科学与工程学院 指 导 教 师 专 业 高分子材料加工工程 研 究 方 向 高分子材料成型新方法、新技术 授予学位日期 年 月 日 线性低密度聚乙烯(lldpe)在振动剪切复合应力场中挤出成型时的流变行为研究材料加工工程专业研究生： 指导教师： 高分子材料的最终性能不仅与高分子的化学组成和结构有关,在很大程度上还取决于制备过程中其形态结构的形成与变化。外场对高分子体系作用影响的研究近年来已成为高

2、分子材料成型加工工程、高分子物理、高分子化学等学科领域中的一个热点。剪切振动和旋转的联合运动可改变聚合物的加工流变性能，导致切力变稀，带来一系列操作者所希望的性能：降低粘度而材料的分子量和机械性能不变；挤出或注塑时的温度和压力可以更低；可以不降低挤出速率而在低于正常挤出温度下挤出难加工的物料；在高频振动下可以消除鲨鱼皮症从而提高产量，在特殊外场下成型制品可以改变制品的微观结构，提高制品的性能。本论文使用动态流变仪采用不同的扫描处理方式考察了lldpe的动态流变性能，发现熔体在振动和剪切应力场中会出现切力变稀现象，分子链会逐渐解缠结并随应力消失逐渐回复缠结。受此现象的启发，我们自行设计了一套复合

3、应力场挤出装置，该装置采用机械振动和剪切的方式能对挤出机流入口模的塑料熔体施加机械振动场和旋转剪切场作用，通过观测口模内熔体压力的变化和计算单位时间内流出口模狭缝的熔体质量，由流变学公式计算出熔体的表观粘度。振动场的振动频率、振幅和剪切场的转速可以调节，本论文详细研究了各种振动剪切工艺条件配合下lldpe的流变性能，采用对比研究的手法，得出了最佳的应力场组合工艺条件，并比较了不同剪切元件、口模温度对熔体表观粘度的影响。主要有以下结论：1 纯振动场下，熔体的表观粘度都较不振动时的有所降低，随频率升高，表观粘度逐渐降低到某一最小值，然后有所回升。加大振幅能取得更低的表观粘度值。其中振幅a=2mm时

4、，表观粘度最大降幅为32.57%。2纯剪切场下，表观粘度较不剪切时的有所降低，当转速为试验最高值55 r/min时，表观粘度最大降幅为38.21%。和纯振动场测得的粘度值对比，纯剪切场测得的粘度值降低的更明显。3在振动的基础上施加剪切或在剪切的基础上施加振动都较单一力场或不加任何力场时的降粘效果更好。4对于一定的转速来说，存在着某一最佳的频率和振幅搭配。试验表明，当转速n=50r/min,振幅a=2mm,频率f=13.07 hz时，表观粘度取得最低值882.48（pa.s），降幅达51.61%5 复合应力场中，随振动频率的提高,表观粘度下降。降到最低值后又有回升。大振幅的降粘效果相对小振幅来说

5、更好。转速适当提高有利于解缠降粘。6 剪切元件的不同形状会影响解缠降粘效果。波纹形芯棒表面和型腔壁间的间隙周期性变化，对处于其和型腔壁间的熔体施加周期性的强挤压剪切作用，因而解缠降粘的效果更好。而圆形芯棒表面和型腔壁间的间隙不变，对熔体的挤压解缠结作用要弱得多。7 使用动态流变仪能模拟塑料熔体在恒速同向剪切、来回剪切及振动中流变行为的变化，研究表明：使用动态扫描方式时，当扫描频率和应变达到某一定值时，产生的切力变稀使熔体的粘度不断降低，降幅最大达92。当频率和应变回到初始时的低频率和应变幅度下，切力变稀效应逐渐消失，粘度先迅速回复到一定值，接下来随时间的增加，粘度逐渐回复，直至最初值。对不同的

6、扫描程序，粘度降低和回复的速度是不同的。8动态流变仪中对熔体施加剪切和振动作用使熔体解缠降粘，这种效应可用于在外场中处理聚合物熔体使其解缠降粘。动态流变仪中经过不同方式处理产生的解缠结是不稳定的，粘度会随着时间的推移慢慢的回复到最初未被处理过的状态。关键词：聚乙烯 振动 剪切 复合应力场 挤出成型 流变行为69 an investigation of rheology behavior of lldpe under vibration and shear complex stress field in extrusion molding material processing engineer

7、ingpostgraduate: ao huan advisor: prof. shen kaizhithe final properties of polymer materials are not only related with the chemical constitution and structure ,but also depend on the formation and change of morphosis in preparation process mostly. the investigation of the effect of the external fiel

8、d on the polymer system has already become a hot point in polymer processing engineering, high polymer physics and high polymer chemistry, etc. the shear-thinning treatment by combining rotational shear and vibration can bring lots of benefits the operator expects: lowering the viscosity without red

9、ucing the molecular weight and mechanical properties ,the pressure and temperature can be drastically reduced in the process of injection or extrusion, the throughput can be increased without the appearance of shark skin on the exited extrudate.when processing products in this field , the microscopi

10、c structures and properties of products improved. this work designed a set of mechanical vibration and shear complex stress field device to treat the polymeric melt . the frequency and amplitude in vibration field and the shear rotational speed in shear field are adjustable. the rheology behavior of

11、 lldpe was researched under various conditions. we got the optimal value of technological conditions by comparing methods, and we also compared the effect of different mandrels and temperatures on the apparent viscosity of lldpe. and we had further studies on the dynamic rheological behavior of lldp

12、e using dynamic rheometer under different sweep ways. we got the figures of dynamic viscosity against time which summarize the experimental procedure to perform disentanglement. the result of the study shows:1 the individual effect of vibration field alone can recduce the apparent viscosity . with t

13、he increase of frequency, apparent viscosity drops rapidly to the minimum, then goes up . different amplitude has different effect on the viscosity, the apparent viscosity reduces more obviously when using larger amplitude, when amplitude is 2mm, the viscosity reduces 32.57% at the most.2 the indivi

14、dual effect of shear field alone can recduce the apparent viscosity, when shear rotational speed is 55 r/min, the viscosity reduces 38.21% at the most. compared with the vibration field alone, the viscosity of shear field alone reduces more obviously. it indicates that the impact of shear-thinning o

15、f shear field is greater than the vibration field.3 the combined effects of complex stress field reduces the apparent viscosity more obviously compared with the individual field alone.4 for a given shear rotational speed, there exists the optimal match of frequency and amplitude under which conditio

16、ns the apparent viscosity reduces most. when n=50 r/min, a=2mm,f=13.07 hz, the viscosity reduces 51.61% at the most.5 in the complex stress field , apparent viscosity drops rapidly to the minimum, then goes up with the increase of frequency, the viscosity reduces more obviously when using larger amp

17、litude. with the increase of shear rotational speed, apparent viscosity drops rapidly to the minimum,then goes up .when the shear rotational speed is 50 r/min, the shear-thinning effects are more apparent.6 the different shape of mandrels will influence the viscosity. the gap between the surface of

18、the corrugated mandrels and the cavity vary periodically, so it applied the extrusion and shear pressure periodically resultting in the reducing of viscosity more obviously, while the smooth surface mandrels has weak effect on the viscosity7 we had studies on the dynamic rheological behavior of lldp

19、e using dynamic rheometer under different sweep ways. we got the figures of dynamic viscosity against time . by using the dynamic sweep ways, the first and last segment, called “initial” and “recovery”, represent the baseline, the value of viscosity under linear viscoelastic conditions, i.e under ve

20、ry low frequency and amplitude. the so-called treatment zone by a jump of the frequency and amplitude, there is instaneous drop of viscosity due to shear-thinning which the viscosity reduce 92 at the most. if the frequency and strain amplitude are moved back to their low value of the linear range, o

21、ne sees an instantaneous loss of the effect of shear-thinning, i.e. viscosity jumps back. then, slowly, over the following minutes, viscosity increases and finally regains its original newtonian value.8 we can conclude from the research above that the disentanglement produced by the treatment is rel

22、atively instable: viscosity slowly increases in time and returns back to the original value of the untreated specimen. we can ues this effect in processing product. and because viscosity reduction benefit due to disentanglement would need to be frozen-in immediately after treatment, in order to pres

23、erve that state in the resin. alternatively, the treated resin should be used immediately (molded, compounded, crystallized, mixed etc.) before its benefits due to the process run out. keywords: polyethylene; vibration; shear; complex stress field; extrusion; rheology behavior;目 录第一章 前言11.1 聚乙烯概述11.

24、2外场对高分子体系作用影响的研究21.3 聚合物熔体振动技术的分类及其应用41.3.1 熔体振动技术的分类41.3.2 熔体振动技术在挤出成型中的应用51.3.2.1 机械振动51.3.2.2 电磁振动91.3.2.3 超声振动101.3.3 熔体振动在注射成型中的应用121.4 本论文选题的意义、目的15第二章 聚乙烯的动态流变性能研究162.1实验部分162.1.1实验原料162.1.2实验设备及测试仪器162.1.3 试验方法162.2试验结果小结202.3 关于上述现象成因的讨论212.4 上述现象给我们的启示21第三章 复合应力场实验装置的研制223.1振动剪切复合应力场挤出系统的构

25、成223.2 复合应力场口模的设计243.2.1 口模型腔设计243.2.2加热系统设计253.2.3 温度监控系统263.2.4压力测量系统263.3 剪切系统的设计273.3.1无级变速电机的选用273.3.1.1电机的参数273.3.1.2 电机的电气控制系统设计273.3.2 剪切元件的设计283.3.3 联轴节部分的设计303.4振动系统的设计303.4.1 振动方案设计303.4.1.1振动位置303.4.1.2振动方式313.4.1.3 振动源313.4.1.4 振动波形、频率和振幅313.4.2 振动（转阀式液压振动）系统的设计323.4.2.1 系统构成323.4.2.2振动

26、液压系统设计323.4.2.3 电气控制系统设计36第四章 聚乙烯在振动剪切复合应力场中挤出成型时的流变行为研究384.1 实验部分384.1.1实验原料384.1.2实验原理384.1.3实验设备及测试仪器404.1.4实验方法404.2实验结果与讨论414.2.1 纯振动场对lldpe挤出成型时表观粘度的影响414.2.1.1 试验结果414.2.1.2小结434.2.2 纯剪切场对lldpe挤出成型时表观粘度的影响434.2.2.1 试验结果434.2.2.2小结454.2.3 剪切振动复合应力场对lldpe挤出成型时表观粘度的影响454.2.3.1 一定转速下不同振幅对lldpe挤出成

27、型时表观粘度的影响464.2.3.2 不同振动频率对lldpe挤出成型时表观粘度的影响554.2.3.3不同剪切转速对lldpe挤出成型时表观粘度的影响564.2.3.4 不同剪切元件对lldpe挤出成型时表观粘度的影响574.2.3.5 不同口模温度对lldpe挤出成型时表观粘度的影响594.2.3.6在口模压力保持不变时聚合物产量随剪切转速的变化604.2.4 复合应力场降低lldpe挤出成型时表观粘度的机理讨论60第五章 总结论62参 考 文 献64攻读学位期间论文投稿与发表情况66声 明67致 谢68第一章 前言1.1 聚乙烯概述聚乙烯(pe)树脂是通用合成树脂中产量最大的品种，主要包

28、括低密度聚乙烯(ldpe)、线性低密度聚乙烯(lldpe)、中密度聚乙烯(mdpe)、高密度聚乙烯(hdpe)及一些具有特殊性能的产品，其特点是价格便宜、性能较好，可广泛应用于工业、农业及包装等领域，在塑料工业中占有举足轻重的地位。近几年来，在一些生产lldpe的新技术中，最突出的是茂金属、非茂金属单中心催化工艺的发展和易加工lldpe的大量涌现，应用这些技术开发的lldpe 树脂一般称为第二代lldpe树脂。采用茂金属作催化剂，克服了用齐格勒一纳塔(ziegler-natta，简称z-n)催化剂带来的一些困扰，即传统lldpe的生产主要限于气相工艺；选择的共聚单体是丁烯，得到的树脂难以加 工

29、；以茂金属作催化剂(metallocene)，这些限制被克服了。lldpe (线型低密度聚乙烯，linear low density polyethylene)，是20世纪70年代开发成功的乙烯与一烯烃的共聚物，其分子呈线型结构，密度为0.91-0.94gcm3 ，与高压法生产的ldpe相类似。虽然开发较晚，但发展非常迅速，应用日益广泛，在薄膜、管材、电线电缆等诸多方面的市场需求在逐年增加，它综合了低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的许多优点。lldpe性能介于ldpe和hdpe之间，在分子结构上，lldpe分子上每1000个碳原子上有l035个短支链。其mwmn为2.85.0，比ldpe小，窄的分子

30、量分布决定了它适合于注塑成型而不适合于吹塑成型。在力学上，由于主链上短支链的存在，决定了其韧性相对于hdpe来讲是比较好的。同时，如在聚合物主链中引入长支链，可以在不损害产品物性情况下，大大改善其加工性能，并赋予此聚合物以弹性和塑性。它在某些性能上拥有超越hdpe和ldpe的优势，比如lldpe的刚性、模量和热性能比hdpe差一些。lldpe在产品的透明性，特别是棚膜产品的透明性上劣于ldpe。但lldpe的拉伸强度、冲击强度、撕裂强度、断裂伸长率、耐环境应力开裂等物理性能优于ldpe：所以， lldpe在薄膜制造上，电缆的包复料和耐腐蚀、耐应力开裂容体的生产上有很大的优势，lldpe的刚性较

31、差，软化点低，但它占领了一些hdpe和ldpe的传统市场，并正在开拓新的应用领域。近几年lldpe需求增长速度高于ldpe，其需求量已占3大类聚乙烯总量的30左右。目前我国lldpe主要用丁生产薄膜、注塑制品、真空吹塑制品、电缆及护套料、滚塑以及管材等，其中约有70-75 以上的lldpe用于生产农用薄膜制品。1.2外场对高分子体系作用影响的研究高分子材料的最终性能不仅与高分子的化学组成和结构有关,在很大程度上还取决于制备过程中其形态结构的形成与变化。1、力场材料的加工过程直接关系到制品质量,高聚物材料加工和其使用过程中,力场的影响是极为显著的。嵌段共聚物为人们研究高分子在力场作用下结构与形态

32、转变提供了很好的模型。自keller等首先开展了三嵌段共聚物的流场诱导取向实验之后,力场对共聚物形态影响的研究一直倍受关注,相继开展了许多在大应变动态剪切(large amplitude oscillation shear,laos)和静态剪切场条件下嵌段共聚物形态形成和变化的研究13。近年来,zhang等3在研究二嵌段共聚物时又发现了一种新的“横断相(transverse phase)”的存在,而且横断相一般与平行相共存,形成双轴纹理，在剪切条件下可稳定存在,这种特殊形态退火之后消失，需要指出,实验室中的laos取向法很难实用于工业生产，目前,有关嵌段共聚物及高分子共混物在挤出机和注塑机的剪

33、切和拉伸力场作用下的形态变化的研究工作正在展开。2 、振荡场从广义上讲,振荡场也是一种力场,主要有机械振荡和超声振荡,在高聚物加工过程中具有重要作用,故把振荡场单独列出，振荡场不仅可以消除熔体缺陷与制品缩痕,提高挤出效率,而且能通过改变频率和振幅,控制合适熔体的粘度,进而改变材料的物理性能,特别是力学和光学性能4，由于高聚物熔体流变行为不仅取决于温度和压力,也依赖于振荡场的频率和振幅,因而只要改变振荡场就能方便地实现通常必须通过改变温度与压力才能达到的目的,如控制结晶度、取向、粘度等5，对与取向和松弛相反的过程,也可通过调节振荡场加以选择控制。 ibar研究振荡场对高聚物形态影响取得了公认的高

34、水平成果,其研究涉及振荡场对高聚物及高分子共混体系晶体生长、相间扩散及取向速率和材料内部结构的关系4。申开智等6利用自行研制的新型液压振动挤出装置研究了高密度聚乙烯(hdpe)在振动场中挤出成型时的流变行为及制品的微观结构和性能间的关系。3、 温度场对于具有粘弹特征的高分子而言,由于时温等效普遍规律的存在,温度既是基本的热力学参数,又是重要的动力学参数，温度场的变化往往可导致热力学和动力学条件的同时改变,使得具有多层次的内部结构的高聚物(包括结晶、非晶、单组分和多组分)对温度场的激励变得复杂。高分子材料性能也因热历史的不同而呈现差异。仅从热力学角度来说,温度能影响物质的3态。对多组分高分子体系

35、而言,其相容性、相形态与温度有着密切的联系,藉助多组分相图就能描述相形态与温度的关系。然而由于高聚物的长链特征,固体高聚物的结构是难以达到热力学平衡态的,因此动力学在此类体系中的研究就显得特别重要7。有关温度场对高分子材料结构与性能的影响,是从对高聚物淬火与退火的研究开始的。4 、电场高聚物在强电场作用下发生电荷分离,产生诱导偶极,并导致分子链的极化取向,且电场作用后分子链更加伸展。1990年,burroughes等人发现聚对苯乙炔(poly(pphenylene vinylene),ppv)的电光效应,并制成了世界上第一种聚合物电致发光二极管，从此开辟了聚合物电致发光材料的新领域。对于非极性

36、的茂金属催化聚乙烯,在相同的温度下施以不同方向的外加电场,其熔体生长的单晶中分子链的取向随外加电场方向的改变而变化,从而引起单晶形态的改变。ikeda8研究了二氟乙烯和三氟乙烯铁电共聚物的电场诱导相转变,发现有电场存在时,相变温度会发生改变。5 、电磁场电磁波由于波长和能量的不同,可以使高聚物发生物理与化学结构的改变其中,微波独特的热效应,引起了材料研究者的极大关注。研究结果表明具有偶极子的聚合物对微波非常敏感,正基于此,微波已应用于聚合物的交联、共混、粘接及维修。catherine等9对环氧树脂/氨基复合体系的微波固化进行了研究,指出微波交联可以达到与热固化几乎相同的效果。在共混方面,che

37、n和lee10研究了环氧树脂/石墨和聚醚醚酮/石墨复合材料的共混加热，提出微波作用依赖于纤维取向和样品的几何形状。lewis等11将微波应用于环氧树脂改性,发现微波作用的效果使得材料比常规加热共混体系具有更小的相畴和较小的相分离。除了上述讨论的5类场作用,还有磁场12、基体场13等也会对材料结构与形态产生影响,但相关报道较少。有关组合外场下高分子材料的时空图样的生成以及选择适当的外场组合对材料的结构和形态进行优化的研究,具有重要的理论价值和实际的工程意义。1.3 聚合物熔体振动技术的分类及其应用1.3.1 熔体振动技术的分类目前，在聚合物成型加工中引入振动的方式多种多样，分类方法有许多种。根据

38、振动性质的不同一般分为超声波振动和其它机械振动,它们本质上都是机械振动。机械振动体系是借助于某成型元件作相对于挤出流动中心线的纵横向以及周向振动的机械体系。这类体系以较低的频率和相当大的振幅为特征，一般其工作元件具有圆形或环形流道，带有一个或两个可移动的壁。通过一定的机械装置将来自振动源的机械振动传递到聚合物熔体流道的边上，从而在流场中引入振动力场。其振动的频率较低，频率及振幅都可以控制。超声波振动体系是以高频和很小的振幅为特征的超声波体系，包括超声波频率的剪切和体积声波效应。在没有移动元件的情况下，通过不同设计的超声波振动件的弹性振荡使介质获得周期性剪切和体积应变，这种振动件同时又可以是挤出

39、机头的成型元件。根据熔体所受振动形式不同,可以将振动成型加工分为剪切振动、压力振动两大类。两种振动都能改变熔体的流动状态,使其粘度变小,流动性能变好:剪切振动将使聚合物熔体受到强烈的剪切作用,使得聚合物熔体物理交联网络的缠结点被破坏,并且难以及时得到重建,因此聚合物分子链沿剪切方向取向,摩擦阻力减小,从而粘度变小;压力振动由于周期性地压缩和释压过程,从而占据或释放聚合物熔体有效空间,使熔体分子线团不断受到压缩和拉伸作用,此时一些运动模式中的松弛运动来不及完成,即一些分子线团变形能量未能耗散完而以弹性能形式储存起来,这样聚合物熔体由于弹性储能增多,粘性耗散则相应减小,从而使粘度降低。此外,剪切或

40、压力振动将使熔体产生取向,对结晶性聚合物材料来说,由于取向的作用使得分子链的排列更加有序,因而提高了结晶度,取向和结晶将对制品的性能产生深刻的影响。根据引入振动的成型阶段的不同可以分为局部加振方式与全程加振方式。局部加振方式是指在聚合物成型的某些阶段施加一定形式的振动，如在注射成型的保压和冷却阶段,通过在喷嘴与模具之间添加辅助装置产生振动,并把振动引入到模腔中,使模腔中的熔体产生剪切振动。而全程加振技术是指在聚合物成型的整个过程中的每一个阶段都施加一定形式的振动，如在注射成型的预塑、计量、充模、保压、冷却整个过程的各个阶段都引入振动。根据施加振动的位置不同可以分为模具加振成型技术、螺杆加振成型

41、技术、辅助装置加振成型技术等。1.3.2 熔体振动技术在挤出成型中的应用在挤出成型加工中,长期以来人们根据对聚合物熔体施加振动的类型按加振形式主要分为机械振动、电磁振动和超声振动三种。1.3.2.1 机械振动1 、双向推拉剪切振动bevis14教授利用scorex（shear control orientation in extrusion）技术挤出30%玻纤增强的pp管材时，设计如图1.1口模。利用四个活塞的推拉运动使聚合物熔体在口模中受到剪切振动，使熔体能够沿芯棒周向流动并导致玻纤沿周向取向15,使制品周向力学性能得到提高。研究发现，圆周方向上强度提高了65%，刚性提高了50%。bevis

42、后来将该装置用于纯pp挤出自增强的研究，希望利用熔体的周向运动使大分子链沿管周向取向从而得到周向强度提高的自增强pp管，但未获得成功，利用scorex技术挤出和常规挤出的pp管周向强度几乎没有区别，其原因是：大量的取向分子在挤出过程中又逐渐松弛、回复，所产生的剪切取向并没有保留到制品中，同时它们也没有利用剪切取向生成新的高强度凝聚态结构。1-挤出机；2-分流块；3-连接头；4-活塞缸；5-模具主板；6-活塞；7-受活塞推拉剪切作用的熔体；8-口模中塑料的固液界面位置；9-冷却套；10-冷却介质通道；11-芯棒；12-芯棒冷却胶；13-塑料管材图1.1 scorex技术装置示意图2 、旋转振动

43、m.l.fridman等16,17对在螺旋剪切条件下的聚合物熔体流动进行了理论分析,并采用如fig.1.2所示的振动挤出装置进行实验来研究旋转振动力场对聚合物熔体挤出过程的影响。挤出机头内的旋转芯棒能以25hz的频率往复旋转,振幅分别为4.8,11.5和22.3。在相同的操作工艺条件下,与芯棒静止的常规挤出相比挤出特性得到改善:表观粘度降低,挤出流率显著增大,机头压力大幅度降低,临界流动参数值提高,出口膨胀减小,在足够高的产量时总能耗减小。而且通过测试挤出试样的力学性能,还发现随着振幅的增大,制品的力学性能也有所提高。他们还对在挤出成型加工过程中低频振动所产生的影响进行了分析,结果表明低频振动

44、导致产量增加,机头处压力降低;随着振幅从0到31.3增加,不同形状口模的产量可增加70%80%,进一步增加振幅产量不再增加;能耗随振幅增加而减小,但当振幅超过22.3时,对加工的流率和能耗就不再有影响了。fig 1.2 the design of the angular head with a rotating mandrel for the extrusion of pipes1:singlescrew extruder; 2:transition unit; 3:mandrel holder; 4:changeable mandrel tip; 5:centering bolts; 6:

45、rotating mandrel; 7:sliding bearing; 8:supporting collar; 9:head casing; 10:electric heaters; 11:thermocouple.3 、双向振动j.casulli等18采用纵横向可以自由振动的机头进行研究，其结构如图1.3所示。振动口模c借助于合适的滑动和滚动轴承可以在纵横向自由振动，两台伺服电机（未画出）分别精确控制振动模段的振动频率和振幅。纵向振动的幅值为030mm，频率为050hz；横向振动的幅值为00.35rad，频率为050hz。利用该装置可以得到3种不同类型的叠加剪切条件，即纵向、横向和螺旋振

46、动剪切（纵横向运动的合成）。整个振动机头采用电加热器加热，由3个热电偶监测机头温度。从挤出机出口到口模出口几乎保持相同温度，温度变化在0.5之内。为了避免由于机头振动产生的不必要的壁面效应，在出口处加了一段长30mm的固定段d，聚合物熔体在这段中的停留时间为23s，远低于熔体的松弛时间，因而由于振动产生的性能变化在离开该固定段后仍保留在材料中。j.casulli等利用该振动机头对hdpe、ldpe和ps材料进行了研究，研究表明：（1）叠加振动后显著地改善了挤出物的力学性能，断裂伸长率增大150%，拉伸强度可增大70%；（2）振动提高了体积流率，降低了机头的入口压力，与无振动时系统的功耗相比，挤

47、出物单耗降低；（3）振动促进了聚合物分子链取向；（4）振动时，挤出机出口处挤出胀大减小。fig.1.3 schematic drawing of bilateral extrusion diea-extruder b-transition unit c-oscillating die d-stationary section4 、平行、垂直叠加振动a.i.isayev和c. m. wong 19, 20 使用了图1.4所示的实验装置研究了在聚合物熔体流动的轴向和垂直方向分别施以振动的情况下，振动场对聚合物熔体流变行为的影响。圆环口模接在挤出机上，芯棒与带有偏心机构的振动装置相连接，作平行或垂直

48、于流场的主压力流方向的振动，其振动频率为130hz，恒振幅为2.0mm。实验结果表明，加入振动后口模压力降低，出口模的熔体温度升高21。沿流动垂直方向所施加的振动对聚合物熔体的流动性能作用较小22。另外，他们还进行了深入的理论研究，a. i. isayev 和c. m. wong先研究了沿聚合物粘弹性流体的流动方向平行叠加小振幅和大振幅的低频振动对聚合物流体的作用。在他们的研究中采用了leonov方程本构方程，并用数值计算方法获得了理论结果。随后a. i. isayev和c. m. wong又研究了在聚合物熔体稳定流动中，在垂直方向叠加大、小振幅的振动对聚合物熔体流变性的影响。研究仍然采用了l

49、eonov方程，使用数值方法进行计算。理论计算结果表明，小振幅振动在低剪切速率时理论值与计算值比较接近，在高剪切速率时两者有较大的差异。理论结果同时还表明，在垂直方向叠加振动对流动的影响相对于在轴向叠加振动的作用而言较小，这与实验研究结果是相吻合的。图 1.4 平行、垂直叠加振动挤出装置1.3.2.2 电磁振动瞿金平等研制成功的塑料电磁动态塑化挤出机23,24能在挤出加工的全过程引入周期性振动力场,由电磁线圈产生的脉振磁场使螺杆作脉动旋转(即周向脉动);同时,在由置于螺杆端部的电磁铁所产生的脉振磁场的作用下,螺杆还能沿轴线方向振动25。螺杆轴向振动频率为0hz25hz,振幅为0mm0.25mm

50、26。振动力场作用于塑化挤出的固体输送、熔融塑化、熔体输送三个过程,改变了塑料的塑化挤出机理。塑料电磁动态塑化挤出机具有体积质量减小50%,能耗降低30%50%,对物料适应性好,挤出制品性能显著提高等优点。对挤出的条料和吹塑的薄膜进行制样,并对其试样进行力学性能测试分析,对于pp和hdpe挤出试样,拉伸强度分别提高4.2%和4.7%,hdpe吹塑膜的纵横向拉伸强度分别提高19.2%和37.4%27。1螺杆 2料筒 3电机转子 4电机定子 5机座 6料斗图1.5 聚合物电磁动态塑化挤出机1.3.2.3 超声振动 在熔融聚合物中引入高频超声波的作用是相对简单的，在没有移动元件的情况下，通过不同设计

51、的超声振动件的弹性振荡使聚合物熔体获得周期性的剪切和体积应变。而且由于超声波振动具有较高的能量和强烈的超声空化效应，因而在实验室及实验性工厂中的超声波振动机头的研究和应用日益广泛，特别是将它们应用于聚合物挤出发泡成型以及需要较高辅助能量的挤出成型加工过程之中，以期提高挤出机的加工性能，改善挤出过程特性及制品性能。jeong等28对pp/nr共混物施加超声振动,结果发现两种不溶性聚合物也发生相容,并形成在位共聚物。实验装置(如图1.6所示)是在单螺杆挤出机后部接一个长方体模头,口模为长方体状狭长裂模。在模头后面还接一个定型口模。两个超声探头插入到模头中,对流经裂模的熔体施加纵向的超声振动。两个超

52、声探头均可在垂直于裂模的方向运动,用以调节探头面间的间隙。实验结果表明,叠加超声振动后,口模压力降低,且振幅越大,压力降低也越大;但熔体粘度变化不大; pp/nr共混物机械性能(拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率、硬度)均得到提高。相态域变窄,形成表面层,表面粘合力增强。1料筒2螺杆3、6探头4裂模5定型口模7放大器8转换器9超声波发生器图1.6含裂模的超声波发生器结构示意图郭少云、李惠林等29,30利用如图1.7 所示的超声波振动挤出装置研究了在挤出过程中引入超声辐射，超声频率为20khz，功率0300w连续可调，超声探头直径15mm，超声振动方向与熔体流动方向平行。机头口模为变截面毛细管挤出口

53、模，并配有高温熔体压力传感器以连续测量挤出口模压力。他们研究了功率和时间对hdpe加工流变性能及力学性能的影响。结果表明，超声辐照作用可以促进hdpe分子链段的运动，使hdpe熔体的挤出口模压力和表观粘度下降，明显提高了聚乙烯熔体的流动性，挤出物出口膨胀减小，外观质量明显提高，制品的拉伸模量及断裂伸长率均得到提高。曹玉荣、李惠林利用超声振动对pp进行了研究31，结果表明适当的辐射强度可以明显的降低口模压力和表观粘度，增加产量，减小出口膨胀，提高外观质量，dsc和waxd分析表明pp的晶型结构发生变化，通过超声振动晶的含量增加。1 挤出机 2 超声波发生器 3 换能器 4 口模 5 熔体 6 电

54、加热器p 压力传感器 t热电偶图1.7 超声波振动挤出装置示意图另外，isayev32，33等和汪小平、彭玉成34等都研究了超声波在ps挤出发泡中的作用。在毛细管机头壁上加入与聚合物熔体流动方向平行的超声振动，结果表明，加入超声波后挤出压力降低，泡孔密度随着振幅的增大而增加，但随着熔体流动速率的增大而减小，毛细管出口处的挤出膨胀减小，气泡变得更加细小，分布更加均匀。1.3.3 熔体振动在注射成型中的应用熔体振动技术应用于注射成型中的研究较多。较为有影响力的有如下几种：solomat partmer l.p .和j.p.ibar提出并发展起来的rheomolding技术35，36，他们先后研制改

55、进了流变注射成型机型，流变注射成型机型。 随后出现了其它多种不同型号，最近的一种由bubel研制并推出1998年取得美国专利（u.s.patent no.5,770,131）37 英国brunel大学于1982年将socortec公司公布的多点进浇振动成型技术(multi-live feed),研制定型为如图1.8所示的多点进浇振动成型技术。即所谓scorim（shear controlled orientation in injection molding ）技术38，39。申开智教授、官青4042等对图1.8所示的多点进浇注射成型装置加以改进,将两个保压(振动)活塞和液压缸安装在模具的热流

56、道板上,其运动通过电磁阀及单片机控制, 并采用不同振动频率和不同相位差,进而发展为动态保压注射成型技术（oscillating packing injection molding ）。 图1.8 schematic of the multi-live feed injection molding process图1.9低频振动注射装置申开智教授等还研制并推出了如图1.9 所示的低频压力振动注射装置43，44。该装置由挤出机供料，并由螺杆将塑化好的熔体送人储料筒，由振动机构带动振动头进行振动，从而实现储料筒中熔体的压力振动。振动后，打开料口，熔体在不断振动中注射活塞的推动下对模腔进行充填45。由h.becker46，47推出的“推拉”注射工艺(“push pull”i