聚合物微塑件超声模压粉末成型方法及其塑化机理

发布时间：2019-02-16 19:05

【摘要】：聚合物微塑件凭借其优良的性能,如耐氧化、耐腐蚀、导电率低、抗冲击性能好以及部分聚合物材料还兼具有较好的透明性、生物相容性和可降解吸收性等特点,逐渐取代金属微制件成为MEMS器件的传动零部件和执行零部件。聚合物微成型技术:如微注射、微热压及微挤出工艺在生产周期、制造成本、能量消耗、材料的适用范围、模具结构、成型设备等都有很大的差别,难以综合兼顾。当今聚合物微成型加工技术向着低生产成本、低能源消耗、高生产效率、高使用性能等方向发展,在聚合物微成型加工技术中引入超声振动作为一项新的塑化成型工艺受到了国内外学者越来越多的关注。本文提出了一种新颖的聚合物微塑件超声模压粉末成型工艺(Micro Ultrasonic Powder Molding,简称micro-UPM),该工艺预先将一定粒度范围以内的聚合物粉末填入料筒和微型腔(包含微型腔镶块)内部,利用超声振动使得粉末颗粒快速塑化,并在超声冲头压力作用下迅速充满微型腔,之后保压、冷却固化而得到微塑件。自制了一套无流道组合式微模具和不同尺寸的各类微型腔镶块,利用micro-UPM工艺成型成功制备出了乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、等规聚丙烯(i PP)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微塑件。搭建了一套带有测温模块的可视化超声塑化平台,定性分析和定量测量了micro-UPM工艺过程中微塑件不同区域的成型温度曲线,利用动态高速摄像模块采集了i PP和UHMWPE微塑件成型时的动态塑化全程视频。测温曲线表明将熔体的成型温度控制在熔点与降解温度范围内能才能获得塑化质量良好的micro-UPM微塑件。研究了超声持续时间和超声塑化压力对飞边厚度的影响,设置超声塑化压力(Pu)恒定的情况下,随着超声持续时间的延长,微塑件飞边厚度逐渐变薄,当超声持续时间超过临界值后,飞边会从微塑件基体上自动分离。差示扫描量热仪(DSC)实验表明:与i PP原料粉末相比,micro-UPM i PP微塑件的熔点提高了约4℃,接近i PP微注塑件的熔点温度,micro-UPM i PP微塑件的结晶度则有显著提升。对micro-UPM i PP微塑件不同区域进行X射线衍射(XRD)分析,只出现了α晶型,而微注塑成型常见的β晶型则没出现,与i PP微注塑件相比,micro-UPM i PP微塑件的结晶取向性不明显,其晶体结构并未呈现注塑成型常见的“表芯结构”。利用micro-UPM工艺成型出了一系列以超声持续时间为序的i PP微塑件,实验分析结果表明伴随着超声持续时间的增加,微塑件的结晶度数值和晶粒尺寸不断减小,其熔点温度和起始结晶温度逐渐向低温转移,结晶完善性和内部组织的致密性逐渐变好,当超声持续时间超过临界值(1.2 s),微塑件内部组织的致密性则变差,其内部出现了孔洞状结构。退火前后micro-UPM i PP微拉伸试样的拉伸强度和断裂延伸率呈现先上升后下降的趋势,微拉伸试样经退火后能显著改善其微观力学性能,但是退火时间过长会使其发生一定程度的热降解,退火处理并不会大幅度改善其微观力学性能。利用扫描电镜(SEM)、偏光显微镜(PLM)、DSC、单晶XRD、万能试验机和纳米压痕仪等设备研究了micro-UPM UHMWPE微塑件的热性能、两相结构及其形成规律、成型过程中的微观形貌变化和微观力学性能。结合成型过程中的温度曲线和动态全过程的超声塑化成型视频研究了micro-UPM工艺的塑化机理。该工艺利用20 k Hz的高频超声振动,成型出的微塑件体积极小,粉末边界之间能量高度集中激发“链膨胀”、极大促进了分子链段扩散交联,使得micro-UPM微塑件达到几乎完全的再结晶相材料,实现分子链段的扩散交联,得到了坚固的共晶联接,再结晶相所占的体积分数决定了微塑件的成型质量。利用高速钻孔的方式在印制电路板(PCB)上钻微孔阵列形成微型腔镶块,按照设定的成型工艺参数在micro-UPM实验平台上成型出两类微圆柱阵列塑件,微圆柱直径分别为0.15和0.20 mm,所成型出的微圆柱塑件平均直径均比同规格的微孔径尺寸要小10.0μm左右,而高度尺寸则相差不大,圆柱侧面粗糙度也较同规格的孔壁粗糙度大。DSC和纳米压痕实验结果表明:聚合物粉末颗粒未预热时,成型出的micro-UPM微圆柱塑件总体上为两相状态,包含初生态和熔化再结晶两相,微圆柱部分和基体部分的局部弹性模量值的分布范围是0.7~1.2 GPa。当聚合物粉末预热到85℃时,所成型的两类micro-UPM微圆柱塑件整体则变成为熔化再结晶单相结构,两类微塑件结晶度数值相差不大,分别为54.7%和55.2%,微圆柱部分和基体部分局部弹性模量值分布范围是0.6~0.8 GPa。单晶XRD实验数据表明:当原料粉末有预热时,所成型出的micro-UPM微塑件基体部分结晶度大于微圆柱部分,且(110)晶面的晶粒尺寸大于(200)晶面。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ320.662
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本文编号：2424745