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高密度聚乙烯注塑成型冷却过程中温度分布及结晶行为的研究

陶四平  
【摘要】:本工作系统地研究了高密度聚乙烯(HDPE)注塑成型冷却过程中的温度分布规律及结晶行为,对成型试样不同位置的温度变化状况以及结晶行为变化状况进行了数学模拟,为定量探讨聚合物在成型加工过程中的物理变化,以便优化工艺条件及成型优异性能的制品奠定了科学基础。基于高密度聚乙烯结晶速率快、结晶结构受外界影响较小的特点,将HDPE在注塑成型中表现的非等温、复杂流体的现象视为静止状态下的非等温降温过程。 结晶型聚合物的相变过程具有一明显不同于小分子物质的特点,即相变时要求具有一定的过冷度,因此,在借鉴Stefan小分子相变问题的冷却模型上,引入了结晶诱导时间,首次提出了改进相变温度法,建立了分别描述熔体、固体及固液相界面的数学模型。方程中引入热焓E和参数T后,将带耦合条件的热传导方程转变为非线性抛物型方程,有限差分离散后,用MATLAB获得了PE的三维温度场,这为探讨带相转变的热传导问题提供了一种有效的数值方法。并经制品为4mm厚芯层处温度的理论与实验值的比较后证明,改进相变温度法能科学描述结晶型聚合物在注塑成型冷却阶段的热历史。 为了描述HDPE在变温情况下的结晶行为,在引入结晶诱导时间后,比较了Nakamura法和Dutta法模拟HDPE等速降温的结晶动力学,其中以Nakamura法模拟结果与差示扫描量热法(DSC)的实验结果一致性好。对Nakamura方程进行适当变形后,可得到如下形式的方程:log[-log(1-X(t))]=logC+nlogf(f)。这可利用试差法与线性回归分析相结合的方法,能从HDPE等速降温DSC实验中直接获取结晶动力学参数n、C及K_g。 最后,按照Nakamura方程以及获得的HDPE在冷却过程中所经历的温度变 高密度聚乙烯注塑成型冷却过程中温度分布及结晶行为的研究 化,模拟出HDPE在成型时冷却阶段结晶度的变化规律,研究结果表明表层处 产生结晶结构的时间最早,剪切层处的结晶度相对最高,芯层处结晶度增长的 速度最快,这说明随着冷却的持续进行,芯层的结晶度会超过剪切层而达到最 大。在此基础上,进一步讨论了充模温度、模具温度以及制品尺寸对体系芯层 与剪切层不同层面上的冷却情况及结晶度变化的影响,其中尤以制品尺寸的影 响最为明显,制品尺寸增大时,不同层面上所经历的热历史及结晶行为的差异 加剧,制品的均一性变差。 关键词:高密度聚乙烯,注塑成型,冷却,温度,结晶行为,模拟


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