PC/PET共混物微注塑充填行为及制品力学性能研究

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高分子材料的微注塑成型因其高精度、高生产效率、以及能成型结构复杂制品等优点已经在航空航天、电子电器、医疗、国防等新兴或支撑产业得到越来越广泛的应用。通过聚合物共混可以改进单一聚合物某一方面性能劣势,获得综合性能优异的高分子材料。本文将共混改性材料引入微注塑成型中,基于PC/PET共混体系相容性、动态流变及热、力学性能研究结果,探讨微尺度效应作用下共混物熔体充填流动行为和形态结构-力学性能关系,对于揭示微尺度效应作用,拓宽微注塑成型材料研究领域,优化微模具设计和提高微制品性能有重要的理论意义和实用价值。  本研究主要内容包括:⑴PC/PET共混物结构与性能表征。利用DMA、SEM和FTIR实验手段研究了不同组分共混物相容性,发现PC/PET共混物为部分相容体系,PET质量分数50%的共混组分(PET50)具有最好的相容性和最高的酯交换反应程度,随着PET含量的增加共混物发生从“海岛”型到“共连续”型相形态转变;采用动态流变方法讨论共混物动态粘弹性与相结构和相容性的关系,线性粘弹性区域内共混物储能模量低频区内 PET组分的非线性依赖程度较高频区有所增加,低频区储能模量的变化和中频区剪切黏度的热力学响应揭示了相分离的发生;热学分析结果表明PET50组分具有较高的结晶度和热稳定性;力学性能显示PET50组分较纯PC在强度下降不大的情况下韧性大幅提升,与国外PC/PET合金主要物性指标对比发现其性价比较高。⑵不同尺度下PC/PET共混物熔体充填流动行为研究。宏观尺度下PC/PET共混物熔体呈现假塑性和“剪切变稀”特点,剪切黏度的组分依赖性呈现“双极值”效应,PET50是具有较高剪切和温度敏感性的共混组分。基于PC/PET共混物熔体宏观流动特性,提出了一种能够合理表征PC/PET共混物剪切黏度变化规律的黏度模型,该模型能同时描述宏-微观尺度下 PC/PET共混物的黏度变化规律,宏、微观尺度下模型理论预测值与实验数据相对误差分别小于5%和10%;最后采用有限元数值分析方法对比研究了宏-微观尺度下共混物熔体速度、温度和压力场变化差异。⑶微注塑模具设计和充填性能工艺优化。基于CAE手段优化微模具浇注、排气和温控系统设计,研制出符合制品和成型设备结构特点的微模具,根据 Taguchi设计方法开展微注塑成型工艺实验,均值和变量分析结果表明针对200μm和500μm厚微制品,注射速率均是影响制品充填性能和质量最主要的因素,其次是熔体温度,模具温度和保压压力影响较小。此外,数值模拟与试验结果对比显示,考虑微尺度效应时,微制品面积填充率的预测误差相比于宏观尺度可减小4.53%。⑷PC/PET共混物微制品力学性能研究。相同工艺窗口下PC、PET和PET50三种材料微制品厚度方向均呈现“皮芯”结构,沿着流动方向皮层厚度逐渐减小,PET50相比纯PET微制品有着较低的相对结晶度和较高的分子链取向程度,皮层较芯层有更高的模量,PET50微制品较PET制品拉伸强度提高15.5%,韧性较PC微制品提升16%。随着注射速率的增加,共混物微制品皮层厚度逐渐减小,分子链取向度和剪切层模量在注射速率50-56mm/s左右有最大值;注射速率对微注塑共混制品的韧性影响较大。
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