冷卻速率和壓力對(duì)聚合物PVT特性的影響研究

張盛桂，謝鵬程，李月林，宋 樂(lè)，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

聚合物的PVT關(guān)系，即聚合物的壓力、溫度和比容積之間的相互關(guān)系，是聚合物的本質(zhì)屬性，不但可以用來(lái)說(shuō)明注射模塑過(guò)程中與壓力、密度、溫度等相關(guān)的現(xiàn)象，還可以用來(lái)分析制品成型加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的翹曲、收縮、氣泡等缺陷的原因[1]。另外，從聚合物的PVT曲線圖可得到溫度、壓力對(duì)聚合物比容的影響，并直觀了解聚合物比容、可壓縮性、體積膨脹系數(shù)等方面的信息[2]。研究聚合物的PVT關(guān)系可獲得聚合物成型加工過(guò)程的最佳工藝條件，以提高注射成型制品品質(zhì)。聚合物PVT特性關(guān)系通常都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式獲得，從基本原理上可區(qū)分為直接加壓和間接加壓2種測(cè)試方法，如圖1所示。注射成型等聚合物加工過(guò)程都是在高壓和快速冷卻的條件下進(jìn)行，壓力和冷卻速度對(duì)最終制品品質(zhì)的影響有著不容忽視的作用[2]。常規(guī)聚合物PVT關(guān)系測(cè)試技術(shù)通常僅提供相對(duì)較低的冷卻速率測(cè)試條件。因此，研究獲得與成型加工條件一致的快速冷卻速度下聚合物PVT關(guān)系測(cè)試成為當(dāng)前的研究方向。

Menges和Thienel[3]早在1977年就開(kāi)發(fā)了一種聚合物PVT關(guān)系測(cè)試設(shè)備，其能夠達(dá)到聚合物加工成型條件所需要的冷卻速度和壓力。其快速冷卻條件通過(guò)一個(gè)可移動(dòng)的筒狀缸體實(shí)現(xiàn)，但受設(shè)備條件所限并沒(méi)有得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。Imamura等[4]在不同的冷卻速度（最高可達(dá)100℃/min）條件下對(duì)聚合物PVT關(guān)系進(jìn)行了研究，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了這些冷卻速度對(duì)PVT關(guān)系的影響。Beek等[6]開(kāi)發(fā)了一種膨脹計(jì)來(lái)研究比容積同壓力、溫度之間的關(guān)系，壓力可以達(dá)到100 MPa，溫度可達(dá)260℃，冷卻速度可達(dá)6000℃/min，這種膨脹計(jì)是基于直接加壓法（Piston-die技術(shù)），并結(jié)合一種拉伸測(cè)試機(jī)設(shè)計(jì)制造的。

圖1 PVT測(cè)試原理示意圖Fig.1 The sketch diagrams of PVT test technique

為此，本文采用直接加壓測(cè)試原理，成功研制出可實(shí)現(xiàn)在高壓、高冷卻速率等實(shí)際成型條件下的PVT測(cè)試儀，并利用該裝置對(duì)不同冷卻速率下的材料PVT特性關(guān)系進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，該裝置主要由樣品室、密封圈、加熱冷卻系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、傳感器和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。樣品室裝置如圖3所示，在測(cè)試過(guò)程中，將圓環(huán)形的試樣放在樣品室中，用聚四氟乙烯密封件進(jìn)行密封，通過(guò)施力機(jī)構(gòu)對(duì)試樣進(jìn)行加壓。施力機(jī)構(gòu)采用氣壓缸推動(dòng)杠桿對(duì)套筒進(jìn)行施壓，測(cè)試過(guò)程利用加熱冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的加熱和冷卻操作。通過(guò)壓力和溫度傳感器測(cè)得測(cè)試過(guò)程中的溫度和壓力參數(shù)。由于被測(cè)試樣品在測(cè)試過(guò)程中橫截面積保持不變，因此相應(yīng)的體積變化可通過(guò)套筒的直線位移變化而計(jì)算得到，直線位移傳感器采用LVDT傳感器，精度為0.1μm。

圖2 聚合物PVT特性測(cè)試儀器Fig.2 Polymer PVTrelationship testinginstrument

2 實(shí)驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

圖3 樣品裝置示意圖Fig.3 The sketch diagrams of sample device

試樣的外形如圖4所示，其主要信息如上表1所示。聚合物的PVT測(cè)試模式有等壓和等溫2種模式。等壓模式：保持恒定的壓力，通過(guò)改變溫度的值來(lái)測(cè)定聚合物的比容積變化曲線。溫度可采用加熱升溫或冷卻降溫的方式，測(cè)定比容積隨著溫度的變化；測(cè)定一組升溫-降溫曲線過(guò)后，再將壓力改變?yōu)榱硪缓愣ㄖ担M(jìn)行下一組循環(huán)曲線的測(cè)試。等溫模式即溫度恒定，改變壓力，測(cè)定比容積同壓力的變化。本文的實(shí)驗(yàn)采用等壓模式來(lái)測(cè)定PE-LD在不同冷卻速率和不同壓力下的PVT曲線。測(cè)試過(guò)程采用3種壓力等級(jí)和3種冷卻方式，如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)試樣材料的信息Tab.1information of experimental sample materials

圖4 薄壁環(huán)形樣品Fig.4 Thinring sample

表2 測(cè)試工況設(shè)置Tab.2 Setting of test conditions

3 結(jié)果與討論

如圖5所示，在恒定壓力下，PE-LD的比容積隨著溫度的升高而增加；隨著壓力的增加，PE-LD的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度值變得越大但比容積的值變小；而冷卻速率對(duì)PVT曲線的影響與壓力的作用恰恰相反，從圖6中可以看出，隨著冷卻速率的增加，PE-LD的比容積變化速率也加快，溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度值變得越小，并且在冷卻到室溫時(shí)，PE-LD的最終比容積越大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是冷卻速率的加快抑制了結(jié)晶過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)的緊密堆砌。

圖5 不同冷卻速率下的PVT測(cè)試曲線Fig.5 The curve of PVT under different coolingrates

圖6 不同冷卻速率的PVT數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 The contrast of PVT data with different coolingrates

從測(cè)試結(jié)果可以看出，冷卻速率和壓力都對(duì)PELD的PVT曲線轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度值有很大的影響，因此，我們將不同冷卻速率和不同壓力下，PVT曲線的轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度值記錄下來(lái)，如表3所示。將表3的數(shù)據(jù)用圖形的形式表示如圖7所示，從圖7我們可以知道，這三者之間的關(guān)系為：

式中 Tc:轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度值

T:冷卻速率

a0、a1:與壓力有關(guān)的系數(shù)

根據(jù)圖7所示的曲線，可以求出在不同壓力下，a0、a1的值，如表4所示。這樣，就可以由冷卻速率和壓力的值來(lái)計(jì)算出PE-LD在特定冷卻速率下PVT轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度值。

表3 不同冷卻速率和壓力對(duì)轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度值的影響Tab.3 The effect of different coolingrate and pressure for shift point temperature

圖7 轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度值與冷卻速率、壓力的關(guān)系Fig.7 The diagram of the shift point temperature change with coolingrate and pressure

表4 系數(shù)a0、a1與壓力的關(guān)系Tab.4 Therelationship between the coefficient a0，a1 and pressure

4 結(jié)論

（1）在恒定壓力下，PE-LD的比容積隨著溫度的上升而變大，PE-LD的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)隨著壓力的增加而變得越大，但其比容積的值就變得越小；

（2）隨著冷卻速率的增大，PE-LD的比容積變化速率也加快，溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度值變得越小，并且在冷卻到室溫時(shí)，PE-LD的最終比容積越大；

（3）測(cè)試得到的PVT數(shù)據(jù)，還可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中加工工藝參數(shù)的設(shè)置，提高生產(chǎn)效率以及獲得高品質(zhì)、高重復(fù)精度的注塑制件。

[1]楊衛(wèi)民，王 建，謝鵬程，等.聚合物PVT關(guān)系測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)塑料，2008，22（2）：81-89.Yang W M，Wang J，Xie P C，et al.Study Progressin Testing Technologies for PVTrelationships of Ploymer[J].China Plastics，2008，22（2）：81-89.

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