测试高压、高冷却速率与材料PVT特性的关系

  0、前言

    聚合物的PVT关系,即聚合物的压力、温度和比容积之间的相互关系,是聚合物的本质属性,不但可以用来说明注射模塑过程中与压力、密度、温度等相关的现象,还可以用来分析制品成型加工过程中可能产生的翘曲、收缩、气泡等缺陷的原因[1].另外,从聚合物的PVT曲线图可得到温度、压力对聚合物比容的影响,并直观了解聚合物比容、可压缩性、体积膨胀系数等方面的信息[2].研究聚合物的PVT关系可获得聚合物成型加工过程的最佳工艺条件,以提高注射成型制品品质.聚合物PVT特性关系通常都是通过实验测试的方式获得,从基本原理上可区分为直接加压和间接加压2种测试方法,如图1所示.注射成型等聚合物加工过程都是在高压和快速冷却的条件下进行,压力和冷却速度对最终制品品质的影响有着不容忽视的作用[2].常规聚合物PVT关系测试技术通常仅提供相对较低的冷却速率测试条件.因此,研究获得与成型加工条件一致的快速冷却速度下聚合物PVT关系测试成为当前的研究方向.
 

    Menges和Thienel[3]早在1977年就开发了一种聚合物PVT关系测试设备,其能够达到聚合物加工成型条件所需要的冷却速度和压力.其快速冷却条件通过一个可移动的筒状缸体实现,但受设备条件所限并没有得到准确的测试结果.

    Imamura等[4]在不同的冷却速度(最高可达100 ℃/min)条件下对聚合物PVT关系进行了研究,并通过计算机模拟了这些冷却速度对PVT关系的影响.Beek等[6]开发了一种膨胀计来研究比容积同压力、温度之间的关系,压力可以达到100MPa,温度可达260℃,冷却速度可达6000℃/min,这种膨胀计是基于直接加压法(Piston-die技术),并结合一种拉伸测试机设计制造的.

    为此,本文采用直接加压测试原理,成功研制出可实现在高压、高冷却速率等实际成型条件下的PVT测试仪,并利用该装置对不同冷却速率下的材料PVT特性关系进行测试.

    1、实验部分
 

    实验装置如图2所示,该装置主要由样品室、密封圈、加热冷却系统、加压系统、传感器和数据采集控制系统等几部分构成.样品室装置如图3所示,在测试过程中,将圆环形的试样放在样品室中,用聚四氟乙烯密封件进行密封,通过施力机构对试样进行加压.施力机构采用气压缸推动杠杆对套筒进行施压,测试过程利用加热冷却系统实现对样品的加热和冷却操作.

    通过压力和温度传感器测得测试过程中的温度和压力参数.由于被测试样品在测试过程中横截面积保持不变,因此相应的体积变化可通过套筒的直线位移变化而计算得到,直线位移传感器采用LVDT传感器,精度为0.1μm.

    图2聚合物PVT特性测试仪器Fig.2 Polymer PVT relationship testing instrument.
 

    2、实验样品准备

    试样的外形如图4所示,其主要信息如上表1所示.聚合物的PVT测试模式有等压和等温2种模式.

    1-密封圈2-样品3-柱塞4-套筒5-加热圈图3样品装置示意图Fig.3 The sketch diagrams of sample device等压模式:保持恒定的压力,通过改变温度的值来测定聚合物的比容积变化曲线.温度可采用加热升温或冷却降温的方式,测定比容积随着温度的变化;测定一组升温-降温曲线过后,再将压力改变为另一恒定值,进行下一组循环曲线的测试.等温模式即温度恒定,改变压力,测定比容积同压力的变化.本文的实验采用等压模式来测定PE-LD在不同冷却速率和不同压力下的PVT曲线.测试过程采用3种压力等级和3种冷却方式,如表2所示
 

   3、结果与讨论

   如图5所示,在恒定压力下,PE-LD的比容积随着温度的升高而增加;随着压力的增加,PE-LD的温度转变点的温度值变得越大但比容积的值变小;而冷却速率对PVT曲线的影响与压力的作用恰恰相反,从图6中可以看出,随着冷却速率的增加,PE-LD的比容积变化速率也加快,温度转变点的温度值变得越小,并且在冷却到室温时,PE-LD的最终比容积越大.造成这种现象的主要原因是冷却速率的加快抑制了结晶过程中质点的紧密堆砌.从测试结果可以看出,冷却速率和压力都对PE-LD的PVT曲线转变点温度值有很大的影响,因此,我们将不同冷却速率和不同压力下,PVT曲线的转变点温度值记录下来,如表3所示.将表3的数据用图形的形式表示如图7所示,从图7我们可以知道,这三者之间的关系为:

    Tc=a0+a1lg(T) (1)式中Tc---转变点温度值T---冷却速率a0、a1---与压力有关的系数根据图7所示的曲线,可以求出在不同压力下,a0、a1的值,如表4所示.这样,就可以由冷却速率和压力的值来计算出PE-LD在特定冷却速率下PVT转变。
 

    4、结论

    (1)在恒定压力下,PE-LD的比容积随着温度的上升而变大,PE-LD的温度转变点随着压力的增加而变得越大,但其比容积的值就变得越小;(2)随着冷却速率的增大,PE-LD的比容积变化速率也加快,温度转变点的温度值变得越小,并且在冷却到室温时,PE-LD的最终比容积越大;(3)测试得到的PVT数据,还可以用来指导实际生产过程中加工工艺参数的设置,提高生产效率以及获得高品质、高重复精度的注塑制件.

    参考文献:

    [1] 杨卫民,王建,谢鹏程,等.聚合物PVT关系测试技术研究进展[J].中国塑料,2008,22(2):81-89.Yang W M,Wang J,Xie P C,et al.Study Progress inTesting Technologies for PVT Relationships of Ploymer[J].China Plastics,2008,22(2):81-89.

    [2] 钱汉英,刘均科,张圣领.聚合物PVT关系测定技术[J].中国塑料,1996,10(2):61-67.Qian H Y,Liu J K,Zhang S L.The Testing Technologyof PVT Relationship of Polymer[J].China Plastics,1996,10(2):61-67.

    [3] 艾方.PVT数据对在注塑成形模拟中的恰当用途[J].模具技术,1997,(4):94-96.Ai Fang.The Appropriate Use of the PVT Data on Injec-tion Molding Simulation[J].Mold Technology,1997,(4):94-96.

    [4]Menges G,Thienel P.Pressure-specific Volume-tempera-ture Behavior of Thermoplastics Under Normal ProcessingConditions[J].Polymer Engineering and Science,1977,17:758-763.

    [5]Imamura S,Mori Y,Kaneta T,et al.Influence of Accu-racy of P-V-T Measurement on the Simulation of the Injec-tion Molding Process[J].Japanese Journal of PolymerScience and Technology,1996,53:693-699.

    [6]Vander Beek M H E,Peters G W M,Meijer H E H.The Influence of Cooling Rate on the Specific Volume ofIsotactic Poly(propylene)at Elevated Pressures[J].