聚合物PVT測(cè)試在車用非金屬材料的應(yīng)用

高鐵檢測(cè)儀器

摘 要： 隨著市場(chǎng)的需求不斷擴(kuò)大，對(duì)于新材料的性能要求越來(lái)越高，材料轉(zhuǎn)化為制品的過(guò)程伴隨著溫度、壓力、體積的變化，這些參數(shù)對(duì)于制品最終的形狀起到了非常重要的作用，如何監(jiān)測(cè)分析制品成型過(guò)程P-V-T狀態(tài)的變化以及對(duì)應(yīng)的制品的質(zhì)量關(guān)系，從而通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，本文通過(guò)對(duì)聚合物PVT測(cè)試技術(shù)的闡述，希望能為新材料及其制品的開發(fā)和應(yīng)用生產(chǎn)提供幫助，助力新能源汽車的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：車用非金屬材料、注射擠出成型、PVT測(cè)試；

一、前言：

隨著新能源汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)車用非金屬材料的的要求朝著高精度化、高功能化、輕量化、低成本及高附加值方向發(fā)展，但目前新材料發(fā)展的速度遠(yuǎn)不及市場(chǎng)的需求，材料到精密制品的轉(zhuǎn)化過(guò)程中出現(xiàn)的尺寸精度、重量精度、工作穩(wěn)定性等問(wèn)題亟待有更便捷、更高效的技術(shù)解決。

聚合物的PVT參數(shù)，即聚合物的壓力（P）、體積（V）、溫度（T）之間的相互關(guān)系，作為聚合物的基本性質(zhì)，在聚合物的生產(chǎn)、加工及應(yīng)用等方面有著十分重要的作用 ^[1] 。由聚合物PVT關(guān)系曲線圖可得到溫度、壓力對(duì)于聚合物比容積的影響，并直觀了解聚合物密度、比容積、可壓縮性、體積膨脹系數(shù)、狀態(tài)方程等方面的信息。通過(guò)對(duì)聚合物PVT關(guān)系的研究，可得到注射模塑過(guò)程中與壓力、密度、溫度等相關(guān)的現(xiàn)象，分析制品加工中翹曲、收縮、氣泡、瑕疵點(diǎn)等缺陷的產(chǎn)生原因，更快捷地制定最佳工藝參數(shù)，從而獲得高質(zhì)量的制品。因此，需要獲得更準(zhǔn)確和實(shí)際的PVT數(shù)據(jù)以進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、評(píng)估、優(yōu)化和計(jì)算。

二、PVT測(cè)試原理：

聚合物PVT測(cè)試設(shè)備主要由測(cè)試料筒、測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)、加溫冷卻控制系統(tǒng)、傳感器及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等部分組成。測(cè)試時(shí)，將固定量的聚合物依所設(shè)定的溫度加溫或降溫，可選擇使用速率式溫度控制，采用模擬量的氣流冷卻增加溫度控制的精準(zhǔn)性，利用伺服馬達(dá)控制加壓柱塞依所設(shè)定的壓力保持恒壓，再使用高精度光柵尺感知聚合物溫度變化時(shí)膨脹或收縮時(shí)的體積變化，過(guò)程保證系統(tǒng)的密封性，防止泄漏和空氣的進(jìn)入，以得出密度、比容等數(shù)據(jù)。

圖1  PVT測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理

三、PVT關(guān)系的應(yīng)用

應(yīng)用1：得出在注射成型時(shí)PVT狀態(tài)變化曲線；

注射成型過(guò)程中，非牛頓塑料熔體在模腔中做非等溫瞬態(tài)流動(dòng)，熔體一方面因與低溫模具接觸而快速冷卻，另一方面因高速剪切作用又產(chǎn)生熱量，在此期間經(jīng)歷了不同的壓力、溫度和剪切速率變化過(guò)程，要全面描述加工條件對(duì)熔體流動(dòng)性質(zhì)的影響，就必須知道在各種條件下（壓力、溫度和剪切速率）的黏性^[2]。聚合物材料在成型的過(guò)程中各項(xiàng)物性參數(shù)也經(jīng)歷了一系列的變化，通過(guò)對(duì)材料P-V-T特性關(guān)系的分析，可在材料PVT關(guān)系曲線中找到對(duì)應(yīng)的加工路徑。

表1^2]  注塑加工工藝參數(shù)

圖2^[2]  PVT狀態(tài)曲線及注塑加工工藝路線

圖2所示，A-B-C-D-E-F-G路線是通過(guò)表格中的工藝參數(shù)和PVT曲線所描述的整個(gè)注射成型過(guò)程。注塑過(guò)程一般包括如下幾個(gè)階段：

1.塑化:圖中A 點(diǎn)，表示已塑化好、處于熔融溫度下的熔體在注射前的狀態(tài)。塑化壓力增加，塑化時(shí)間增加，熔體溫度提升，塑化質(zhì)量好，溫度均勻，但塑化效率下降，一般背壓不易太高。一般情況下背壓越低越好，不宜超過(guò)20MPA。

2.充模（注射）:A-B段為物料在塑化溫度（T4）下的填充注射階段。如果注射壓力不夠，易產(chǎn)生制品凹陷。壓力高時(shí)，制品密實(shí)收縮小。

3.注射切換到保壓：B-C段為從填充到保壓的切換。準(zhǔn)確的切換是保證型腔中壓力的關(guān)鍵，如果切換太早，則充模要在保壓下完成，引起較大的保壓壓力取向；切換太晚，模腔內(nèi)壓力升高過(guò)大可能導(dǎo)致過(guò)充，進(jìn)而使制品產(chǎn)生飛邊和內(nèi)應(yīng)力。保壓過(guò)程中進(jìn)料口處產(chǎn)生的高取向?qū)χ破返馁|(zhì)量是很不利的，為了減少保壓取向，則在保壓階段壓入模腔的物料應(yīng)盡可能少。

4.冷卻成型：等壓線上的C-D段為物料在型腔內(nèi)保壓冷卻的過(guò)程。保壓壓力應(yīng)不小于注射壓力，略大于注射壓力，這樣才能起到保壓作用。保壓壓力增加，模腔壓力增加，制品密度增大，收縮率變小，內(nèi)應(yīng)力增加。D點(diǎn)表示型腔內(nèi)物料在一定的壓力下冷卻到進(jìn)料口溫度T3，此時(shí)其所對(duì)應(yīng)的比容為VD。此時(shí)起，物料再不會(huì)進(jìn)入型腔。D-E段是等比容冷卻的過(guò)程，冷卻決定型腔內(nèi)的壓力變化，直至達(dá)到常壓線。

5.開模頂出：E-F段指制品沿常壓線冷卻達(dá)到頂出溫度T2時(shí)，制品頂出。G點(diǎn)為環(huán)境溫度，表示取出制品在常壓下冷卻到室溫T1，這樣完成了整個(gè)注射成型周期。此時(shí)VG為聚丙烯在室溫下的比容。

從圖可以看出，注射成型的加工路徑有很多，即通過(guò)不同的工藝條件，均可使得每次注射成型都在相同點(diǎn)到達(dá)常壓線，這樣便可以獲得相同的體積收縮，達(dá)到高的尺寸精度，利用PVT測(cè)試技術(shù)可以快速選擇最為簡(jiǎn)單的加工路徑。

應(yīng)用2：狀態(tài)方程法獲得高聚物的熱力學(xué)參數(shù)；

目前在注射成型模擬方面描述聚合物PVT關(guān)系應(yīng)用廣泛的是修正的雙域Tait狀態(tài)方程。通過(guò)對(duì)PVT 測(cè)試數(shù)據(jù)的非線性回歸，得到Tait狀態(tài)方程。

狀態(tài)方程法可獲得高聚物的熱力學(xué)參數(shù)，為注射成型模擬軟件提供材料物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)支持，如材料比容、熱膨脹系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)、和結(jié)晶溫度等。受材料物性參數(shù)準(zhǔn)確可靠性的影響、計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)際成型過(guò)程會(huì)有所差別。

通過(guò)對(duì)9928H該種材料的PVT性能研究，利用修正的雙域Tait狀態(tài)方程模擬其曲線，如圖3可以看出，300bar及600bar壓力條件下擬合的曲線與實(shí)際測(cè)試曲線基本一致。

圖3 試驗(yàn)曲線與Tait模型曲線比對(duì)

應(yīng)用3：測(cè)量聚合物的相轉(zhuǎn)變溫度及壓力；

圖4 聚合物在不同壓力下的相轉(zhuǎn)變溫度

如圖4所示，通過(guò)測(cè)試聚合物不同壓力下的PVT關(guān)系曲線，可以直觀的看出該種聚合物在不同壓力條件下的相轉(zhuǎn)變溫度。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)聚合物PVT關(guān)系的測(cè)試，不僅可以找到最佳的生產(chǎn)工藝路徑，減少制品在生產(chǎn)中出現(xiàn)的外觀、尺寸、重量等質(zhì)量問(wèn)題，而且可以通過(guò)狀態(tài)方程求得材料的各項(xiàng)物性參數(shù)，為理論研究提供數(shù)據(jù)支持；PVT測(cè)試與實(shí)際生產(chǎn)工藝相結(jié)合，可以提升新材料研發(fā)到量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率，助力非金屬材料的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)在新能源汽車上的技術(shù)突破及創(chuàng)新應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊衛(wèi)民，王建，謝鵬程，丁玉梅，聚合物PVT關(guān)系測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展，中國(guó)塑料，2008，22(2)：81-89.

[2] 李峰，孫晉，李永泉，聚丙烯的流變性能和PVT關(guān)系研究及在注射成型中的應(yīng)用，中國(guó)塑料，2012,26（6）：62-66.