注射成形中聚合物熔体温度与取向程度的超声波在线测量关键技术研究

• 作 者: 张剑锋
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 注射成形 超声检测 模具设计 温度测量 取向度测量

注射成形是生产高性能聚合物产品的最主要工艺,但其成形过程是一个复杂的批次动态变化过程,聚合物熔体在型腔内经历剧烈的温度、压力和剪切场变化。成形中的熔体温度、介观取向等参数显著影响成形产品的外观质量和机械性能,在线测量成形中聚合物的宏/介观信息对提高产品质量和性能、提升良品率具有重要意义。超声波检测技术具有非接触无损、成本低和安装方便等优点,本文将开展注射成形中聚合物宏观熔体温度和介观取向程度的超声波在线测量关键技术研究,主要研究内容如下:(1)搭建非等温高剪切注射成形过程超声波在线测量实验平台。非等温高剪切模具的型腔结构设计成厚度为1 mm或2 mm的狭缝,底部不封口,维持熔体的持续流动,并在流动中心线上沿流动方向布置压力、温度传感器和超声探头实时检测聚合物熔体在模具型腔中的演化信息,并使用模温机控制模具温度。使用PXIe采集系统采集、显示、记录实验数据。实验结果表明,所搭建的实验平台可准确获取LDPE熔体在注射成形中的熔体信息,并可测量聚合物熔体在不同剪切速率和温度下的表观黏度,误差均在18%以内,该平台能满足真实注射成形条件下聚合物熔体信息的超声波在线测量要求。(2)首次提出注射成形中聚合物熔体温度的超声波在线测量新方法。研究注射时间、压力、速度和温度等工艺条件变化下超声波信号的响应规律,结果表明超声波速度参量能实时反映成形中工艺条件的变化,并有效表征成形过程中聚合物熔体压力、温度等物理量的演变行为。推导超声波声速方程与聚合物PVT方程,构建聚合物熔体温度与超声声速、压力的关联模型,实现注射成形中聚合物熔体温度的在线测量,并对比研究了不同测量方法的熔体温度测量结果。实验结果表明,本文方法相较热电偶等手段更加接近红外光纤温度传感器测量结果,误差均小于10%。同时本方法的使用成本仅有红外光纤温度传感器成本的1/5,在注射成形在线测量领域具有很强的推广潜力。(3)建立注射成形中聚合物介观取向程度的超声纵波在线测量方法。发现聚合物取向程度影响超声纵波传播速度的现象,依据超声波动方程和Boltzmann叠加原理,建立聚合物材料取向度与超声纵波声速之间的数学模型,提出超声纵波在线测量聚合物分子链取向度的方法。采用红外二向色性法测量聚合物的分子链取向度,并与超声纵波声速的在线测量结果进行模型验证,拟合度达0.956,并将方法成功应用于纤维复合聚合物注射成形中纤维取向度的在线表征。本文所取得的研究成果为注射成形过程的在线检测提供了新的方法,实现了聚合物熔体宏观温度演变与介观取向程度的在线测量,对注射成形工艺优化和在线诊断具有重要的意义,本文方法的低成本,无损测量优势,使其在聚合物成形工业上具有广阔的应用前景。