水辅助注射成型高密度聚乙烯（HDPE）形态结构的研究

发布时间：2020-08-05 06:35

【摘要】：水辅助注射成型技术,简称水辅注射(WAIM),是在常规注射(CIM)和气体辅助注射基础上发展而来的一种成型中空制品的新型注塑工艺技术。其主要成型特点是先注入部分或全部聚合物熔体与型腔中,随后向熔体内部注入高压水来辅助型腔充填与保压。本文采用高密度聚乙烯(HDPE)为研究对象,利用自组装的水辅注射设备成功制备了水辅注射制品。综合利用差示扫描量热测试(DSC)、二维小角X射线散射(2D SAXS)、二维广角X射线衍射(2D WAXD)等表征手段详细研究了水辅注射制品的结晶形态和其层次结构及其演化机理。本论文主要研究内容和结论如下:1)通过水辅注射成型技术制备了HDPE制品以及不同熔体注射温度下的HDPE制品,并通过与常规注射制品的对比,研究了其层次结构、片晶取向、长周期和不同熔体注射温度对水辅注射制品各层结晶能力的影响。根据水辅注射HDPE制品取向程度的不同,可以将其沿壁厚方向分为明显不同的三个区域:皮层、中芯层和水道层。结果表明:在皮层,有典型的shish kebab结构形成,并且取向度随着距离制品外表面距离的增加而发生变化;在中芯层,主要是由随机分布的片晶结构组成的球晶;而在水道层则有明显的shish-like结构和低取向度的片晶组成。以上结果与DSC实验结果相一致。另外,水辅注射制品的长周期从皮层到水道层先增加后减小,而常规注射制品呈现一直增加趋势。此外,实验发现不同的熔体注射温度下表层与水道层的结晶度仍然低于中芯层的结晶度;但是皮层的结晶度随熔体温度的增加略有升高,水道层的结晶度反而出现明显的降低。这是因为:在熔体温度为205°C时,皮层的冷却速率大于水道层;在235°C时,皮层小于水道层;在215°C和225°C时,皮层和水道层的冷却速率基本相等。制品各层取向行为差异的主要原因,归因于制品成型过程中熔体填充和水穿透阶段所带来的剪切场和温度场的变化。2)水辅注射成型了不同分子量的HDPE制品,研究了制品取向与分子量的关系。通过对比不同分子量的水辅注射制品发现,低分子量水辅注射制品中片晶和分子链取向比高分子的制品高,而且这种现状在水道层更加明显。这一结果与高分子量聚合物在流动场中更容易形成高的取向相悖。这种反常的现象可以解释为:在相同的加工条件下,由于高分子量聚合物具有高的粘度,因此低的剪切力作用用聚合物,所以相对低的取向获得。实验结果表明水辅注射过程中的流动历史比实验室条件下更加复杂。3)基于在HDPE 2911和LLDPE 7042中存在环带球晶的现象,我们研究了其水辅注射制品的结晶形态。研究发现,在水辅注射HDPE制品的皮层和水道层发现具有扭曲kebab结构shish kebab结构,而芯层主要是环带球晶;在水辅注射LLDPE制品的皮层,存在正常shish kebab结构,而在常规制品皮层却存在具有扭曲kebab结构的shish kebab结构。另外,不管是水辅注射还是常规注射制品,其晶体形态随着剪切力场的逐渐减小从皮层到中芯层依次呈现为:具有扭曲kebab结构的shish kebab结构,正常shish kebab结构和环带球晶。实验结果进一步支持kebab在结晶后期生长成扭曲片晶的观点。以上研究结果表明,环带球晶中片晶的扭曲发生在结晶前期,而具有扭曲kebab结构的shish kebab结构中的片晶扭曲发生在后期。4)由于水的引入,水辅注射成型高分子量聚合物难以实现。我们通过不断变化工艺参数,制备了具有相对高分子量的水辅注射HDPE制品,并研究了其取向行为。研究发现,高分子量水辅注射制品呈现出三明治-竹子型结构,即高取向的皮层和水道层以及中间的中芯层。更有趣的是,发现shish kebab结构在高分子量水辅注射制品中沿厚度分布比其它低分子量水辅注射制品和任何常规注射制品更广。在远离皮层1000μm处,仍有高取向的shish kebab结构出现,其中取向度大于0.4的占总厚度60%以上。这一研究结果为在实际加工中通过控制结构来制备综合性能的聚合物制品提供了实验指导。总之,在水辅注射成型过程中,水穿透带来的快速冷却和剪切是取向结构形成的两个重要因素。它们明显影响水辅注射制品厚度方向上形态结构的形成。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ325.12

【引证文献】