聚合物动态塑化成型加工理论与技术现状和展望

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1、聚合物动态塑化成型加工理论与技术现状及展望瞿金平华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心聚合物成型加工工程教育部重点实验室广东广州510640摘要：本文总结了笔者多年来从事聚合物动态塑化成型加工理论及应用研究的成果，简要阐述了振动诱导作用下聚合物动态成型的基本理论，以及振动诱导对聚合物制品的各种力学性能的影响。介绍了动态成型技术在淀粉塑料、金属粉末等成型过程中的应用，最后对动态成型技术在聚合物反应挤出中的应用以及发展进行了详尽的展望。关键词：聚合物动态振动塑化成型近几十年来，国内外研究者在聚合物塑化成型加

2、工方法、理论、技术等方面作了大量的工作，取得了许多可喜成果。但以往的研究大多局限于由纯剪切力场支配的稳态成型加工机理，因而一直未能取得重大突破，传统聚合物塑化成型加工设备所存在的物料热机械历程长、能耗高、制品质量提高难等一系列缺点没有得到根本解决。直至今日，各国专家学者还在继续探索高分子材料挤出成型机理，希望不断完善和提高螺杆塑化成型加工设备的性能。高效、节能、产品性能在线智能化调控是当今高分子材料制备、成型加工技术发展的总趋势，其最终目标是实现材料设计、制备与成型加工一体化。要缩短我国在高分子材料成型加工技术

3、与国际先进水平的差距，实现跳跃式的发展，就必须摆脱以往那种跟踪、引进、模仿的模式，另辟蹊径，研究发展具有自主知识产权的成型加工技术。如果能够通过特殊的方法与手段，使高分子材料制备、成型加工全过程中所经历的热机械历程缩短，同时能够在对制品形状尺寸精确控制的同时对材料的结构性能进行调控，增强高分子材料的最终性能，便有可能很好地甚至从根本上克服传统螺杆塑化成型设备的缺陷。正是在这种动机的驱使下，笔者及其同事们十多年如一日潜心钻研聚合物塑化成型加工新方法及技术。20世纪90年代初笔者率先提出并发明的高分子材料动态塑化成

4、型加工新方法及新技术。高分子材料动态成型加工通过将振动力场引入高分子材料成型加工的全过程，变传统的高分子材料纯剪切稳态塑化、输运机理为振动剪切动态塑化、输运机理，使成型加工过程及过程参数发生周期性的变化，达到降低成型加工能耗、提高加工制品质量的目的。现已获得的研究结果表明，在振动力场的作用下，高分子链的缠结、解缠结、扩散、取向、凝聚等机理发生改变，通过控制成型加工过程中振动力场的振幅和振动频率，可以实现在制备与成型过程中对材料的最终性能进行有效地干预与调制。利用这一新技术开发出的新型成型加工设备与传统设备相比具

5、有物料热机械历程短、能耗低、对物料适应性好、制品性能高等显著优点。从高分子材料成型加工过程原理以及最终的效果来看，动态成型加工不仅仅是一项技术发明，更是成型加工领域技术原理、概念上的更新，标志着该领域进入了一个新的发展阶段。高分子材料动态成型加工技术研究及推广应用，不仅缩短了我国在相关技术上与国际先进水平的差距，并且可以解决目前国际上用传统稳态成型加工技术尚还无法解决的难题，例如茂金属聚烯烃、淀粉塑料的加工问题。本文主要介绍聚合物动态塑化成型加工理论与技术现状，并对今后发展方向进行了探索与展望。1．聚合物动态塑

6、化成型理论1．1聚合物熔体振动剪切流动特性与行为在聚合物成型加工过程中，熔体的流动是高分子通过链段运动带动整个大分子运动的，链段在运动时受到相邻链段之间的内摩擦，有阻力约束，在宏观上可以用黏度来描述这种作用：链段之间的摩擦阻力大，则熔体的黏度高；链段之间的摩擦阻力小，熔体的黏度就低。大分子链段之所以能运动或扩散是因为大分子之间存在着自由体积，链段在外力作用下可以从一个位置跃迁到附近的一个大小近似的自由体积内，原来的位置就可以形成新的自由体积，可以接纳另外的链段跃迁，这样通过链段的依次运动达到整个大分子迁移的效果

7、。然而，聚合物熔体在动态塑化成型加工过程中的流动行为是一种振动剪切流变行为，聚合物熔体振动剪切流变特性与稳态剪切流变特性具有很大的不同，在稳态剪切下，熔体受到纯剪切力场的作用，熔体内部的压力是恒定的，链段与链段之间的自由体积在统计学上大小基本相同，故链段跃迁的速度在统计学上也是恒定的。并且由于聚合物分子链段之间的受到的外力基本相同，因此链段的运动是沿着外力的方向依次蠕动，外观上表现为聚合物熔体在流动方向上的速度分布是均匀的，即稳态流动行为。而在振动剪切力场作用下，熔体中形成的局部压力是随着时间而变化的，呈一种脉

8、动的特征，链段的运动速度也是脉动的，在压力增高的半个周期内，链段的运动速度随之增大；而当压力降低的半个周期内，链段的运动速度也降低，从而在流动方向上形成一定程度的速度差。由于这种速度差和压力差的存在，使得大分子链段临近的自由体积空间会随着时间而发生周期性的大小变化，也使得链段获得一个瞬时的冲量和负压，大大加速了聚合物分子链段的扩散和运动。（1）式（1）为振动诱导作用下聚合物熔体表观黏度