聚合物超聲波熔融塑化實驗研究

胡建良，蔣炳炎，李俊，林名潤，王仁全

(中南大學 機電工程學院，現(xiàn)代復雜裝備設計與極端制造教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

自20世紀80年代末微注射成型(Micro injection molding)用于光盤制造以來，很多研究機構在模具微結構的制造技術[1]、微型注射機開發(fā)[2-3]、微注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化[4]和微注射過程的仿真分析[5]等方面進行了深入研究。由于微注射成型的一次注射量很小(一般為幾毫克)，對塑化質量要求很高，塑化中的任何細微的瑕疵(如硬質點、塑化不均等)都可能在微米級的成型制品中形成致命缺陷[6-7]。為了解決上述難題，近幾年來，國內外很多專家學者在塑化方面進行了相關的研究：Bretthauer等[8]通過仿真和實驗研究了超聲焊接中超聲波振動作用下聚合物的熔融塑化機理，發(fā)現(xiàn)使用超聲波振動可以使 PMMA在低于其玻璃化轉變溫度條件下(100 ℃)熔融；Michaeli等[9-10]開發(fā)了一套超聲波塑化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)采用超聲波塑化的聚合物具有良好的均質性，十分適合于微注射成型中聚合物的塑化；瞿金平[11]將低頻電磁振動力場引入聚合物材料熔融塑化成型的全過程，發(fā)明了電磁動態(tài)注射成型機，發(fā)現(xiàn)低頻電磁振動力場能顯著提高聚合物塑化效果，得到更均一的聚合物熔體；應繼儒[12]將超聲波振動和高剪切微磨引入聚合物的塑化過程中，構建了新型熔融塑化模型，并根據(jù)塑化模型設計了多功能流變性能測試裝置。該裝置通過超聲波振動作用、微磨剪切作用使熔體達到較好的塑化效果。在此，本文作者利用自制的聚合物超聲波熔融塑化測試實驗裝置，研究超聲波相關參數(shù)對聚合物塑化量及塑化物料微觀形態(tài)的影響，揭示聚合物超聲波塑化過程及其塑化機理，以便為該技術的產(chǎn)業(yè)化及其在微注射成型機中的應用提供技術支持。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料采用蘭州化工有限公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯(HDPE)，型號為8008，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 HDPE 性能參數(shù)Table 1 Properties of HDPE

1.2 實驗方案

在塑化壓力和超聲波作用功率相同的條件下，研究超聲波作用時間對聚合物熔融塑化過程的影響。將30 g物料加入料筒中，調定塑化壓力為1 MPa，超聲波電源電壓為150 V，超聲波作用時間為1 min，對聚合物進行超聲熔融塑化實驗。塑化結束后自然冷卻15min，取出塑化物料。改變超聲波作用時間(2，3，4和5 min)，重復實驗。用影像測量儀觀測聚合物熔膜的形成位置和熔池的發(fā)展情況，以了解聚合物的超聲波熔融塑化過程。

研究超聲波電源電壓、塑化壓力對超聲波作用功率的影響。將30 g物料加入料筒中，調定塑化壓力為1 MPa，超聲波電源電壓為150 V，超聲波作用時間為1 min，對聚合物進行超聲熔融塑化實驗。塑化結束后自然冷卻15 min，取出塑化物料。改變超聲波電源電壓(200和250 V)和塑化壓力(1.25，1.50，1.75和2.00 MPa)，重復實驗。在實驗過程中，記錄超聲波發(fā)生器的電流變化，以得到塑化功率的變化曲線。

研究超聲塑化和加熱塑化對聚合物結晶以及微觀組織結構的影響。將30 g物料加入料筒中，調定超聲波電源電壓為250 V，塑化壓力為1.50 MPa，塑化時間為10 min，對聚合物進行超聲波熔融塑化實驗。塑化結束后自然冷卻15 min，取出塑化物料。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對物料進行斷面分析。將30 g物料加入料筒中，調定加熱功率為800 W，加熱時間為10 min，對聚合物進行加熱熔融塑化實驗。塑化結束后自然冷卻15 min，取出塑化物料。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對物料進行斷面分析。

2 實驗結果分析

2.1 超聲波作用時間對聚合物熔融塑化過程的影響

聚合物超聲波熔融塑化實驗的取樣照片如圖1所示。聚合物的熔融塑化量隨著超聲波作用時間的延長而增加，是因為超聲波在聚合物塑化的過程中不斷地提供聲能，由聲能轉化為機械能和熱能，從而使聚合物的熔融塑化量增加。

圖1 聚合物超聲波熔融塑化實驗取樣Fig.1 Experimental sample of polymer’s ultrasonic plastification process

2.2 超聲波作用下聚合物熔融塑化過程

工具頭端面和周圍的聚合物固體顆粒在超聲波振動作用下，相互之間劇烈摩擦熔融并在工具頭端面首先產(chǎn)生熔膜。隨著熔融過程的繼續(xù)，工具頭端面附近的固體顆粒全部熔融并形成一圓柱形熔池，在超聲波振動和塑化壓力的雙重作用下，熔池中發(fā)生的超聲波空化效應使其以工具頭為中心，同時向上、下2個方向延伸，直至塑料顆粒全部熔融，如圖2所示。與加熱塑化相比，超聲波熔融塑化能夠獲得均一性更好的聚合物熔體。因為超聲波熔融塑化時所有固體顆粒均在超聲波振動作用下振動摩擦熔融塑化，熔池形成后，聲流作用使熔體的溫度場更加均勻，且對熔池中的微觀顆粒也有攪拌作用，而加熱塑化時，靠近料筒壁的已經(jīng)熔融，料筒中心的物料才剛開始熔融，如圖3所示。

圖2 聚合物超聲波熔融塑化過程Fig.2 Ultrasonic plastification process of polymer

圖3 加熱熔融塑化過程Fig.3 Heat plastification process of polymer

2.3 超聲波電源電壓和塑化壓力對超聲波作用功率的影響

通過記錄的電流變化值和超聲波電源電壓，計算得到超聲波作用的平均功率。超聲波電源電壓和塑化壓力對超聲波作用功率的影響如圖4所示。

由于超聲波電源電壓 250 V時，塑化壓力達到1.75 MPa，超聲波作用功率超過其額定功率，超聲波振動系統(tǒng)無法工作，故超聲波電源電壓250 V時，實驗曲線只有3個數(shù)據(jù)點。從圖4以看出：超聲波電源電壓對超聲波作用功率的影響比塑化壓力對超聲波作用功率的影響更加明顯。超聲波電源電壓的改變直接影響了超聲波換能器的輸入功率，因此，對超聲波的功率影響比較大。

圖4 超聲波電源電壓、塑化壓力對與超聲波作用功率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power supply and plastification pressure on ultrasonic power

超聲波電源電壓設定在200 V，改變塑化壓力時，超聲波作用功率發(fā)生變化。塑化壓力與超聲波作用功率的關系如圖5所示。從圖5可以看出：塑化壓力的提高只影響塑化前期1～2 min時的塑化功率，后期的塑化功率變化不大，而且塑化壓力較高時，后期的超聲波塑化功率反而較小。

圖5 超聲波電源電壓200 V時，塑化壓力與超聲波作用功率的關系Fig.5 Relationship between plastification pressure and ultrasonic power under ultrasonic power supply of 200 V

在超聲波塑化的前一階段，主要是在超聲波振動作用下，聚合物顆粒之間存在劇烈的摩擦生熱效應。隨著塑化壓力的提高，聚合物顆粒之間的摩擦生熱效應加劇，所以，使聚合物塑化功率提高；到塑化的后面階段，主要是由超聲波空化作用產(chǎn)生的機械效應和化學效應使聚合物進一步完全熔融。超聲波空化泡內的最大壓力Pmax和最高溫度Tmax的表達式如下[13-14]：

其中：Pmax為空化泡內最大壓力；Pm為空化泡在崩潰過程中受到的總壓力，可以近似看成是不變的常量；Pg為起始半徑時泡內的壓力即熔體蒸汽壓；r為氣體的比熱容，一般認為是定值，為 1.33 J/(kg·K)；Tmax為瞬態(tài)空化泡崩潰時泡內最高溫度；Tmin為環(huán)境溫度。

由于塑化前期的劇烈摩擦作用使熔體的溫度上升，環(huán)境溫度升高，使熔體的蒸汽壓升高，由式(1)化簡可得：

由式(3)可知：最高壓力Pmax會隨蒸汽壓Pg的上升而下降，空化效應變得緩和，因此，塑化后期的塑化功率都不是很高。也就是說，塑化壓力提高，前期的摩擦生熱效應會隨之提高。但是，摩擦生熱效應的提高使熔體蒸汽壓升高，從而使后期的超聲波空化效應減弱，故超聲波功率比較小。

2.4 超聲波塑化和加熱塑化對聚合物結晶的影響

當超聲波電源電壓為 250 V，塑化壓力為 1.50 MPa，塑化時間為10 min時，超聲波作用后的聚合物物料基本熔融塑化，圖6所示為超聲塑化物料縱斷面。

圖6 塑化物料縱斷面Fig.6 Vertical section pf plastic sample

據(jù)加熱塑化方式，靠近料筒壁的物料首先熔融，而超聲塑化方式則是靠近工具頭端面的物料首先熔融，故選取2種塑化方式最先熔融的部位(加熱塑化物料的縱斷面底部邊緣部位和超聲波塑化物料的縱斷面底部中心部位)通過掃描電鏡進行觀察。圖7所示為2種塑化方式物料縱斷面的SEM照片。

高密度聚乙烯從熔體冷卻結晶時，在無應力或流動情況下傾向于生成球晶[15]。從圖7可以看出：2種塑化方式得到的物料由于自然冷卻過程中沒有應力或流動，它們都生成球晶，但是，2種球晶的粒徑有很大不同。加熱塑化生成的球晶比較大，粒徑為500 μm左右，而超聲塑化生成的球晶比較小，粒徑為200 μm左右。因此，超聲塑化方式的聚合物晶粒更小，更均勻。此外，超聲塑化的聚合物微觀組織結構比加熱塑化聚合物的微觀組織結構更均勻，說明超聲波塑化效果比加熱塑化效果更好，從而為超聲波塑化替代傳統(tǒng)的加熱塑化和螺桿剪切塑化提供了有力的實驗依據(jù)。

圖7 塑化物料的縱斷面SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of profile sections of plastic samples

3 結論

(1)聚合物超聲波熔融塑化過程中，工具頭端面和周圍的聚合物固體顆粒在超聲波振動作用下，相互之間劇烈摩擦、熔融產(chǎn)生熔膜，隨著熔融過程的繼續(xù)，工具頭端面附近的固體顆粒全部熔融并形成一圓柱形熔池，在超聲波振動和塑化壓力的雙重作用下，熔池中發(fā)生的超聲波空化效應使其以工具頭為中心，向周圍延伸，直至塑料顆粒全部熔融。當超聲波電源電壓為250 V，塑化壓力為1.50 MPa，塑化時間為10 min時，超聲波作用后的聚合物物料基本熔融塑化。

(2)超聲波電源電壓對超聲波作用功率的影響比塑化壓力對超聲波作用功率的影響更加明顯。塑化壓力的提高只影響塑化前期1～2 min的塑化功率，后期的塑化功率基本不變。

(3)加熱塑化生成的球晶粒徑比較大，為500 μm左右，而超聲塑化生成的球晶粒徑比較小，為200 μm左右。與加熱塑化相比，超聲波熔融塑化能夠獲得微觀組織結構更均勻的聚合物熔體，說明超聲波塑化效果比加熱塑化效果更好。

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