聚合物微孔发泡成型过程的内摩擦行为研究

论文摘要

微孔塑料成型技术是二十一世纪高分子材料成型的研究热点,具有广阔的研究前景。微孔塑料发泡成型的三个阶段对最终制品的微观结构和力学性能起着决定性作用,因此人们对其进行了相当细致深入的研究,找到了一些参数的影响规律,但这些结论侧重于气泡成核的静态过程。而在微孔发泡成型过程中必然存在熔体的流动,在流动过程中其内摩擦行为必然会对成型过程产生影响。所以本文针对微孔发泡成型过程中的相关机理从内摩擦行为及其影响因素的角度出发进行研究。本文首先从内摩擦行为的角度研究了超临界流体在聚合物熔体中的扩散性和聚合物／超临界流体均相体系的粘度；然后从能量平衡的角度研究了摩擦能对气泡成核过程的影响,弥补经典成核理论将气泡成核行为作为静态平衡过程加以分析的不足,更准确地表达出实际微孔发泡成型过程中的气泡成核行为。再通过Moldflow仿真软件模拟了微孔注塑发泡成型过程,并对结果进行了分析讨论,验证了理论分析的正确性；最后,通过针对性的实验研究来对理论研究和仿真模拟进行最后验证。理论研究得出：随着超临界流体含量的增加和螺杆转速的提高,可以减小聚合物熔体的粘度,改善混合物的流动性能,有效增强其在聚合物熔体中的扩散速率,促使其与聚合物熔体混合程度的加快,大幅度的减少均相体系的形成时间,因此建立了关于超临界流体含量和流体速度梯度的均相体系的粘度计算公式。在稳态流场中,分析了摩擦能促进气泡成核的规律和相关影响因素,并在能量守恒的基础上建立了摩擦能对气泡成核克服Gibbs自由能垒的贡献公式,比较合理的解释了在实际微发泡生产中出现的一些现象。结合对聚合物微孔发泡成型过程和摩擦因素的分析研究,得出结论：气泡成核行为强烈依靠超临界流体的含量,影响泡孔的尺寸和密度；提高稳态流动速率可以提高摩擦能,促进气泡成核和气泡长大,促使泡孔分散的更加均匀、气泡密度更大,减小制品密度,有利于微孔塑料的成型。但是泡孔形态将在过大剪切应力的方向上发生取向,甚至破坏泡孔结构,不利于发泡制品的质量。并且实验结果从宏观的角度反映出理论研究的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微孔塑料的制备方法
• 1.2.1 微孔塑料的间歇成型法
• 1.2.2 微孔塑料的连续挤出成型法
• 1.2.3 微孔塑料的注射成型法
• 1.3 微孔发泡成型过程
• 1.3.1 均相体系的形成机理
• 1.3.2 气泡核的形成机理
• 1.3.3 气泡长大定型机理
• 1.4 摩擦学相关概念简介
• 1.4.1 牛顿内摩擦定律
• 1.4.2 非牛顿流体
• 1.4.3 摩擦能
• 1.5 本课题研究的理论与实际意义
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 聚合物/超临界流体均相体系的摩擦学行为研究
• 2.1 超临界流体的扩散行为
• 2.1.1 无外力下的摩擦学分析
• 2.1.2 螺杆摩擦作用下的摩擦学分析
• 2.1.3 实际数据分析
• 2.2 聚合物/超临界流体均相体系的粘度
• 2.2.1 粘度计算公式
• 2.2.2 自由体积的估算
• 2.2.3 剪切速率的估算
• 2.2.4 数值计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 摩擦能成核机理的研究
• 3.1 气泡成核过程中的能量形式
• 3.2 气泡成核过程中的摩擦能
• 3.2.1 均相成核理论的能量描述
• 3.2.2 动态均相成核中摩擦能分析
• 3.2.3 摩擦能的计算
• 3.3 数值模拟
• 3.3.1 剪切力的数值模拟
• 3.3.2 摩擦能的数值模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 微孔注塑成型模拟仿真
• 4.1 Autodesk Moldflow仿真软件
• 4.2 模流分析前处理
• 4.2.1 项目模型的创建
• 4.2.2 项目模型的导入
• 4.2.3 划分网格
• 4.2.4 成型工艺及分析序列的设置
• 4.2.5 材料的选择
• 4.2.6 注射位置的确定
• 4.3 微孔发泡成型过程的模拟分析结果
• 4.3.1 填充时间
• 4.3.2 螺杆速率曲线分析
• 4.3.3 熔体取向和残余应力分析
• 4.3.4 泡孔半径分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 聚合物微孔发泡的实验研究
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验设备
• 5.2.1 微孔发泡注塑成型机
• 2制备与输送系统'>5.2.2 超临界N₂制备与输送系统
• 5.2.3 实验材料
• 5.3 实验方法与实验内容
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 实验内容
• 5.4 试样的制备与泡孔结构参数的表征
• 5.4.1 试样的制备
• 5.4.2 试样气泡密度的确定
• 5.4.3 样品气泡直径的确定
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 发泡剂含量对气泡成核的影晌
• 5.5.2 摩擦能对气泡成核的影响
• 5.5.3 内摩擦力对泡孔形态的影晌
• 5.6 本章小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文