超聲振動技術在聚合物擠出成型中的應用現狀

鐘立才

蘭州資源環境職業技術學院 甘肅蘭州 730020

超聲振動技術在聚合物擠出成型中的應用現狀

鐘立才

蘭州資源環境職業技術學院 甘肅蘭州 730020

超聲振動作為一種成熟、經濟、實用性強的技術，在工業、醫學等領域內得到廣泛的應用。文章綜述了近些年來超聲振動在聚合物擠出成型中的應用現狀；重點介紹了超聲振動在擠出成型中能夠增強共混物相容性，改善熔體流動行為和微觀結構，提高制品力學性能；指出了超聲振動在聚合物擠出成型中的發展趨勢。

超聲振動;擠出成型

隨著高新技術的快速發展，塑料制品憑借其重量輕、化學穩定性強、電絕緣性好等優點，在航空航天、電子通信、汽車、家用電器、醫療衛生等領域內的應用越來越廣泛。然而常規成型加工的塑料制品往往存在熔接痕明顯、翹曲變形嚴重、內部應力不均等缺陷，已成為制約塑料制品高質量、高精度的關鍵問題。

目前，超聲振動在聚合物成型加工技術的應用主要集中在擠出成型與注射成型中。根據施加方式不同，可分為超聲振動施加到模具口模、熱流道、冷料穴以及超聲振動直接作用于熔體等形式。超聲振動對熔體的作用主要包括機械效應、熱效應和空化效應三種。

超聲振動在擠出成型中的應用

1.超聲振動對共混物相容性及力學性能的影響

共混改性對于獲得高性能、高強度的聚合物制品尤為重要，然而對于大多數不相容的聚合物，由于共混后不同組分的分子鏈之間的相互作用力較小，導致各相之間的界面張力相差較大，因此界面性能往往不能達到理想效果。而施加超聲振動能夠促使不同組分聚合物的分子鏈高頻振蕩，從而促進各相分子鏈之間的相容性，增強分子間作用力，達到改善制品力學性能的目的。

CHEN G.S等人對HDPE/PS共混擠出成型的研究表明，超聲振動使得模口壓力降和熔體表觀粘度顯著下降，同時，超聲振動使得分散系中顆粒大小減小，增加了HDPE和PS共混分子界面粘附力及相容性，使得制品斷裂拉伸率和抗沖擊強度均有所提高。

JIANG G.J.等人研究了超聲振動對POM/PS（80/20）共混流變特性和制品機械性能的影響。實驗結果表明，正常情況下，POE和PS是不相容的，但是施加超聲振動后，分散階段粒子變小，促進了共混物之間的相容。此外，在口模溫度和壓力不變的情況下，口模熔體流量隨超聲功率的增大而增大，口模溫度為150℃時，POM表觀粘度為1.1×104Pa·s，200W功率超聲時，表觀粘度降低為7×103Pa·s，證實了超聲振動可以顯著降低熔體流動粘度，促進熔體流動。

WEI L.Q.等人研究了超聲振動對聚合物共混制品力學強度的影響。研究發現，聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料塑件在高頻低振幅超聲振動作用下，擠出成型澆口壓力降降低，塑件表面質量提高，抗拉強度增強，但是，當超聲功率高于200W時，塑件出現嚴重的超聲降解，機械性能下降，因此適當的超聲強度可以提高塑件力學性能。

2.超聲振動對聚合物熔體流動行為及微觀結構的影響

郭少云等人研究了擠出過程中超聲對mLLDPE熔體流動行為的改善狀況。研究發現，隨著施加超聲功率的升高熔體表觀粘度和口模壓力明顯的下降，而且，熔體流動不穩定現象有所改善，擠出質量大幅度提高。這可能是由于超聲施加在熔體上后，分子鏈在某一平衡點做類似簡諧振動，導致分子平均動能急劇增加，增加的平均動能一部分傳遞給周圍的分子鏈，從而提高其運動能力，促進分子鏈的解纏作用，提高聚合物的流動性能，另一部分平均動能以熱量或粘性摩擦力的形式耗散，因此施加超聲振動后整個熔體體系溫度有所升高，進一步表現為熔體表觀粘度下降，流動性能改善。

李慧林等人研究了超聲振動對擠出過程中PP成型及微觀結構的影響，并通過熱差分析量熱（DSC）和廣角X射線衍射（WAXD）對超聲輔助擠出PP進行了微觀結構的觀察分析，結果表明超聲振動能夠縮短熔體分子鏈間的距離，降低分子結晶的缺陷以及無序取向，從而使得PP晶格取向有所改善。此外，李慧林、郭少云等人還研究了超聲在擠出過程中對HDPE流變行為及結構特性的影響。得出超聲振動能夠改善HDPE加工性能的主要原因是，超聲振動促進了分子鏈的蠕動，降低了熔體與模具型腔壁的表面應力，而不是對熔體粘度變化產生永久影響；研究還發現，分子鏈的取向有利于晶核的形成，短的分子鏈易于分子結晶并產生良好的晶格，超聲振動導致了分子結晶的時間延長、分子鏈的取向以及分子鏈的縮短，從而提高了HDPE結晶度和結晶質量。

CAO Y.R.等人研究了超聲振動對PP擠出成型結晶行為的影響。廣角X射線衍射分析（WAXD）結果分析表明，PP晶體組成發生變化，β晶體含量增多，超聲振動促使α晶體向β晶體轉化使結晶度降低。實驗說明了超聲振動可以改變熱塑性聚合物的晶體組分。

總結

通過上述分析超聲振動在聚合物成型中的應用進展，可以得出超聲外場對于聚合物成型的幾種作用效果：

（1）超聲振動能夠增加共混物相容性，促使分散系中顆粒大小減小，明顯提高共混制品力學性能。

（2）改善熔體流動不穩定及擠出脹大現象，大幅度提高聚合物擠出成型質量。

（3）降低聚合物熔體粘度，改善熔體充填流動性能，改善制品微觀組織結構，提高制品力學性能及成型質量。

（4）改善聚合物的塑化質量，提高微結構復制率，并且能夠縮短制品的成型周期，提高生產率。

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鐘立才(1987.6—），男，漢族，甘肅蘭州人，助理工程師；研究方向：高分子材料加工方向。