短切碳纤维增强PP复合材料流动性能研究

短切碳纤维增强PP复合材料流动性能研究徐久升摘要：在总结聚合物流变学基本理论的基础上，分析了影响聚合物流动性能的各个因素。应用正交实验设计理论，通过测定各参数组合实验的阿基米德螺旋线长度来表征其流动性，考察了熔体温度、注塑压力、保压压力、注塑速率四个因素对6种配方聚丙烯(PP)／碳纤维(CF)复合材料熔体流动性的影响，对于各因素的影响程度的大小进行了对比，同时通过优化工艺条件获得了流动性最好的工艺参数组合，并通过实验验证。应用正交实验得到了最佳工艺参数，对CF含量和材料的熔体流动速率以及螺旋线长度之间的影响关系和机理进行了考察。结果表明，注塑压力和注塑温度对于熔体的流动性能影响最大，PP／CF复合材料的熔体流动速率和螺旋线流动长度随着CF含量的增加而降低，降低的速度先快后慢。关键词：聚丙烯；碳纤维；复合材料；流动性；阿基米德螺旋线；工艺参数；熔体流动速率ResearchonLiquidityofChoppedCarbonFiberReinforcedPPCompositesXuJiushengAbstract：Basedonbasictheoryofpolymerrheology，theeffectofprocessparametersontheliquidityofcompositeshasbeenstudied.BymeansofTaguchiDOEtechnique，throughdeterminationofthelengthofarchimedesspiraloftheexperimentwithallcombinationsofparameterstocharacterizethemobilityofmelt，theinfluenceoffourfactorssuchasinjectiontemperature，injectionpressure，dwellpressure，injectionrateonmeltflowrateofpolypropylene(PP)／carbonfiber(CF)compostieswithsixkindsofproportionwasinvestigated.Theeffectlevelofeachfactorhasbeencompared，either，thebestprocessparameterhasbeenachievedthroughtheoptimizationofprocessconditions，andthisbestprocessparameterhadbeencertifiedbyexperiments.Byapplyingthebestparameterwhichhasbeenachievedbefore，therelationshipbetweenthecontentofCFandMFRandthelengthofspiralandthemechanizationbehindthemhasalsobeendiscussed.TheresultsshowthatinjectiontemperatureandinjectionpressurearetwomaininfluencefactorsofliquidityandasthecontentofCFgrew，boththelengthofspiralandMFRreduce，thespeedofthisreductionincreasefirst，thenreduce.Keywords：polypropylene；carbonfiber；composite；liquidity；archimedesspiral；processparameters；meltflowrate对于注塑制品来说，其流动性能与注塑成型过程的诸多因素息息相关。成型温度过高虽然有利于成型，但会引起塑料分解，制品的收缩率也会增大；成型温度过低则熔体黏度大，明显地使制品的形状稳定性变差。适当地增大压力，能改善熔体的流动性，但过高的压力会引起模具溢料并增加制品的内应力；压力过低又会造成充模不足。因此，选择合适的工艺参数对于制得优良的注塑制品很重要。笔者应用正交实验设计理论，通过测定各参数组合实验的阿基米德螺旋线长度来表征其流动性，考察了熔体温度、注塑压力、保压压力、注塑速率四个因素对聚丙烯(PP)／碳纤维(CF)复合材料熔体流动性的影响，并对各因素的影响程度的大小进行了对比，同时通过优化工艺条件获得了最优工艺参数并通过实验验证。应用得到的最佳工艺参数考察了CF含量对PP／CF复合材料的熔体流动速率(MFR)与螺旋线长度的影响。1聚合物流动性能的影响机理1．1黏度模型高分子聚合物的熔体是黏性流体，流体的流动行为与温度、外作用力以及材料的性质有关，按照流体的流动类型可分为非牛顿流体和牛顿流体。其中，牛顿流体是指在力的作用下容易发生变形的低黏性流体。其流动服从牛顿定律，即剪切应力随剪切速率线性变化，而黏度不随剪切速率变化；对于非牛顿流体，其剪切应力与剪切速率不是线性关系，黏度随着剪切速率变化，其流动情况可由多个黏度模型来描述，塑料熔体是典型的非牛顿流体。目前较常用的黏度模型主要有：Power-Low模型、Cross-Arrhenius模型、Cross-WLF模型。Power-Low模型简单，在较高剪切速率时，可较好地描述材料的黏度，但在低剪切速率段，与实际情况存在较大误差，无法预测零剪切黏度。Cross黏度模型在聚合物熔体流动分析中得到了广泛应用，其中Cross-Arrhenius模型和Cross-WLF模型对于很宽剪切速率范围内熔体黏度变化规律都能精确地描述，但当熔体温度接近和低于聚合物黏流温度时，运用Cross-WLF黏度模型更适合。在本实验中运用了Cross-WLF模型。1．2影响熔体流动性的因素(1)熔体的相对分子质量对黏度的影响。在温度相同的情况下，对于相对分子质量较大的聚合物，其大分子链重心移动相对困难，黏度大，聚合物分子链的刚性越大，黏度对温度的变化就越敏感；相对于线型高分子来讲，支链型大分子分子间距离越大，相互作用力就越小；支链越多、越短，熔体流动的空间位阻就越小，黏度也就较低，容易流动。因此在生产中常通过加入低分子物质的方法来降低高分子量聚合物的黏度，改善其加工性能。(2)温度对黏度的影响。在聚合物注塑成型过程中，当温度低于玻璃化转变温度时，聚合物分子自由体积保持恒定，随着温度增加导致的体积变化是大分子链段振动的结果；但当温度超过玻璃化转变温度之后，大链段表现出整个链段的移动，链段之间的自由体积增加，聚合物体积膨胀，大分子之间的自由空间增加，范德华力减小，大分子的变形和流动变得更加容易，宏观上体现为聚合物的黏度降低，流动性增加。(3)压力对黏度的影响。聚合物熔体在注塑过程中，受到内部静压力和外部动压力的联合作用。保压补缩阶段聚合物承受的压力较高，在这种高压的作用下，分子链段间的自由体积缩小使得分子间作用力加强，熔体的黏度加强，但是另一方面，增加压力可以克服喷嘴处的摩擦阻力，提高注塑速度，所以一定程度上又会提高熔体的流动性，因此在注塑过程中，如果适当增加成型压力，也会促进熔体流动。由上述各理论可以定性说明熔体的黏度与注塑过程的各工艺参数息息相关。1．3注塑工艺参数对熔体流动性的影响预测对于本实验而言，注塑温度和注塑压力显然是影响流动性的关键性因素，注塑速率和保压压力对其影响有限。这是因为升高料温的同时增加了聚合物的塑化程度，导致黏度降低，熔体变得易于流动，型腔压力值增大，料温越高，流动性能越好，表明熔体的流动与料温有很大关系。而增加注塑压力，熔体充填型腔的百分比会随之增大，因而流动性越好。保压压力的增大通常可以提高产品的致密程度，有利于补缩和流动末端的充填，但对材料本身的流动性影响程度较小，充填速度增大也会有利于熔体流动性能的提高，但对于壁厚较薄的制件(2mm)，前段熔体会过早冷却固化，这样会加大充填阻力，不利于熔体的流动，所以注塑速度对于流动性能的影响有限。综上可以预测，注塑温度和注塑压力对聚合物熔体影响程度最大，注塑速率和保压压力次之。对于本实验，由于CF的加入增加了体系的相对分子质量，从而降低了熔体的流动性，同时，CF在熔体内的取向、结构是影响体系流动的主要因素。一方面通过调整注塑温度和压力可降低熔体的黏度，另一方面提高纤维在熔体内部的取向性，可降低流动阻力。2工艺参数对PP／CF复合材料流动性的影响。PP流动性能优良，但加入了CF后，降低了熔体流动性，进而给其注塑生产带来困难，生产中可以通过调整注塑工艺参数、改变熔体体系结构以及纤维取向，以达到降低黏度、提高制品质量的目的。3结论(1)在PP／CF复合材料的注塑生产中，注塑压力和注塑温度对于熔体的流动性能影响较大，保压压力以及注塑速度对流动性的影响较小。(2)随着CF含量的增加，注塑压力对于熔体的流动性能影响越来越显著，其它三种因素的影响程度都有不同程度的下降。(3)随着CF含量的增加，材料的MFR和螺旋线流动长度随之降低，降低的速度是先快后慢的。(4)实际注塑生产中，通过调整注塑压力以及熔体温度来调整熔体的流动性比调整注塑速率或保压压力灵敏的多，可以通过调整温度和压力以获得充填良好的制品。