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泡孔结构对微孔曝气机质量的影响

  • 作者:许一明    来源:宜兴市官高水处理填料有限公司    时间:2016-08-05    点击:552
尽管泡孔结构是决定微孔曝气机注射成型注塑件最终性能的一个重要因素,但密度降低或减重仍然是影响大多数微孔曝气机泡沫性能的主要特性。减重和性能变化之间的关系类似于 thnme提出的结构泡沫结论,但又不完全一样〃7]。与结构泡沫相比,微孔曝气机注射成型有 独特的表层-芯层结构,泡孔分布均勻,而且泡孔细小,大家熟知的结构泡沫的一些理论可能不再适用于微孔曝气机注塑件。在微孔曝气机泡沫表层-芯层结构形态研究的基础上,人们已 经给出了关于其泡孔结构(形态)与性能的一些新的指导原则。
3.4.1泡孔尺寸和密度
泡孔尺寸和泡孔密度是决定微孔曝气机注塑件最终性能的关键因素。对泡孔结构与力学性能进行详细研究,以证明泡孔结构(sem照片)与力学性能之间的关系(试样每幅 sem照片都有详细的实验数据)。制备微孔曝气机试样所用材料是30% (质量分数)玻璃纤维增强pbt——vaw®420 seo。除注射量不同外,制备三个试样的加工条件都相同3 采用三种不同的注射量时注塑件分别减重4%、10%和15%。由于模具条件一样,所以所有试样的表层厚度是一样的。因此,在这里减重百分比就是唯一的变量,它反映了芯 层泡孔密度的变化。图3-12和图3-13中的试样平均泡孔尺寸(大约15pm)几乎相同,但减重分别为10%和15%,泡孔密度分别为2 x 108个泡孔/cm3和8 x 108个泡孔/cm3。 图3-14所示的减重4%试样的平均泡孔尺寸为45pm,泡孔密度约为4. 6 x 106个 泡孔/cm3。图3-12、图3-13和图3-14所示的三幅sem照片都包含整体图和局部中心图,是可信的试样图,因为发泡注塑件上没有孔隙和其他缺陷,所以下面的分析是可 靠的。
图3-15所示的试样结果表明力学性能随着减重幅度的变化而变化。对于减重4% 的试样而言,发泡与未发泡注塑件的性能比为1,即伸长率不变;当试样减重幅度为 10%和15%时,伸长率增大到1.06。总的趋势是拉伸强度和弯曲强度随减重幅度的提高而降低,而对于具有良好泡孔结构的微孔曝气机泡沫而言,伸长率并不随着减重幅度的提髙 而降低,反而有可能随着减重幅度(从4%提高到10%)的提髙而增大。图3-14所示试样的泡孔尺寸为45jjlm,减重4%,伸长率与未发泡试样一样。但图3-12和图3-13所示的试样减重幅度分别为15%和10%、泡孔尺寸均为15nm时,两者的伸长率都比未发泡试样髙6%。由此可见,伸长率似乎受泡孔尺寸影响,因为两种试样减重分别为 10%和15%、泡孔密度分别为2 x 10®个泡孔/cm3和8 x 108个泡孔/cm3时,泡孔尺寸 一样但减重幅度不同的两种试样的伸长率相等。
力学性能随着微孔曝气机泡沫减重幅度变化的总趋势是拉伸强度和弯曲强度随着减重幅度的提高而下降',但又与结构泡沫不同,微孔曝气机泡沫的强度损失随着减重幅度变化的速率比结构泡沫小得多。第5章对这些关系进行了更为详细的分析。


 
b)截面图(表层和芯层之间的界面有一些拉伸的泡孔j
 

 
b)截面图(表层附近没有空隙和大的泡孔)


 

 
i
議感循蠹分数)薇璃纤康職酣麵4%) ij                   (平均'#arrt约为璐(wb,         十懷霖am3)
h)             (芯层


图3-.15 30% (质量分数)玻璃纤维增强pbt发泡与 未发泡注塑件的性能比与减重幅度的关系

+伸长率 _拉伸强度 冲击强度
~•一弯曲强度

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根据上述分析,泡孔结构和力学性能之间的关系可以总结为:物理性能测试必须罢与泡孔结构的分析结果相结合。这是因为即使是材料相同、减重幅度相同的微孔曝气机注塑 件,其物理性能也会因泡孔结构不同而有很大差异p另外,表层结构也是测试微孔曝气机注塑件拉伸强度的有效参数。
将强度降低幅度与减重幅度之比定义为特征比r一力学性能的与泡孔结构有很 大关系,这一点'可由表3-1中的数据得以证明。微孔曝气机注塑件的优点是可以通过改善泡孔 结构和提高泡孔密度使值尽可能低。微孔曝气机注塑件的强度降低最小、减重最大时最 低。第5章将对其进行进一步的讨论。
表3-1三种不同泡孔结构的30% (质量分数)玻璃纤维增强pbt的 强度降低幅度与减重幅度之比
减重幅度(%)
拉伸强度的
弯曲强度的
泡孔尺寸/|xm
泡孔密度/(个泡孔/cm3)
4
2.25
2.25
45
4.2xl06 |
w
1.60
1.50
15
2 x 10'3
m
1. 67
1.40
 
8 x to8
 
表3-1中的数据表明,由于泡孔尺寸在同一尺寸范围内,因此减重幅度分别为 10%和15%试样的/?sw值几乎一样。然而,即使是两个试样之间微小的性能差异,这种变化趋势也可以通过泡孔结构的差异进行解释。对于拉伸强度来说,减重分别为15% 和10%试样的值分别为1. 67和1. 60,这就意味着前者的拉伸强度降低幅度稍大于后者,尽管两者的泡孔尺寸几乎相同。因此,尽管泡孔尺寸也是重要因素,但拉伸强度 对减重更为敏感。另一方面,弯曲强度表现出与拉伸强度不同的趋势:泡孔尺寸的影响! 比减重更为重要。对弯曲强度来说,减重分别为15%和10%试祥的7c值分别为1_ 40 和1.50。因此,减重15%、泡孔结构好、泡孔多的试样的弯曲强度降低幅度小于减重 10%的试样。减重分别为10%和15%的两个试样的所有力学性能的值都低于减重 4%的试样。这是因为减重4%的试样泡孔大泡孔密度低。
泡孔结构改善对冲击强度有着重大影响。michaeli等人_也发现,泡沫形态更好时冲击测试过程中发泡注塑件所吸收的能量增加至3倍。采用呼吸性模具技本'南以制得更好的泡孔结构(参见第8章),将来还需要更多数据进一步证明这
shimbo和他的研究小组研究了泡孔尺寸对发泡注塑件拉伸强度的影响。对泡孔尺 寸小、密度高的未填充结晶性pet (pet-c)、pp和pc微孔曝气机泡沫而言,拉伸强度(仅 在发泡注塑件中进行比较)提高[19]。如果将发泡注塑件与未发泡注塑件进行比较,即 使泡孔好,强度也下降了。但是,如果泡孔尺寸小于或等于3p,发泡注塑件的拉伸强 度也几乎与未发泡注塑件相当。此外,shiraho还指出,增加泡孔表面积会使分子取向, 道而影响强度提高%。未发泡注塑件和发泡注塑件的表面积之比可用第5章中的方程式(5-14)进行估算[19]
shimobo的研究还表明,发泡pet-c的拉伸强度与泡孔结构有很大关系。在pet-c 滬沫的泡孔尺寸为1 (jim时,其拉伸强度几乎是未发泡pet-c的80% ,毫无疑问,这是发泡后体积加倍的小尺寸泡孔泡沫的显著改善。
park与其同事%研究了微孔曝气机形态对隔声性能的影响。微孔曝气机泡沫声学曲线的静态分 析表明,低频范围内(低于1 000hz),多孔率和泡孔尺寸是决定性的参数;中频范围 内(低于2 000hz),小泡孔对隔声性能的影响是主要的;在高频范围内(高于
2 000hz),泡孔密度对隔声性能的影响是主要的,但多孔率的影响减弱:模拟工作得出 的结果是隔声性能最佳时泡孔形态应是泡孔率高、泡孔密度低、泡孔大 3.4.2表层厚度
模拟结果表明,表层厚度是影响弯曲模量的重要因素x。图3-3中有明显的界线,这对pc微孔曝气机注塑件来说很典型。进行进一步的实验来改变图3-3所示的表层和芯层厚度。将模具温度设置得高于图3-3所示试样的模具温度,表层变薄,大泡孔变成小泡 孔。如果型腔一侧的模具温度设置得不同于芯层一侧,那么表层厚度就会不同,可能改 变强度下降速率。
表层厚度可以根据理论模型来计算。计算表层厚度的数学模型很多,预测表层厚度的简单模型已成功用于微孔曝气机发泡注塑件。1^1^21]在1978年提出了一个计算公式,本书对其作了修正,用于微孔曝气机夹芯结构注塑件,定义如下:
a?騎                                         沙4)
式中t——微孔曝气机发泡注塑件一侧的表层厚度;
t聚合物熔体温度;
tf——聚合物熔体冷却温度;
9模具温度;
t——溶体接触模具的时闾,近似于保压时间与冷却时间之和;
ap——聚合物的热扩散率。
由式(3-4)可以估算出表层厚度。当密度降低幅度等于减重幅度时,就可以计算出发泡芯层体积。第9章将讨论这种模拟方法,也可查阅参考文献[22]。
然而,用式(3-4)计算图3-10所示形态结构注塑件的表层厚度可能不成功.e为碳纤维增强、teflon填充的pc发泡注塑件没有明显的表层厚度,可能需要找出这七配
混物的热扩散率来正确模拟表层厚度。
3.4.3     纤维取向
注射成型注塑件的纤维取向是玻璃纤维增强材料的一个缺点。微孔曝气机注射成型为改善纤维取向引起的各向异性提供了机会图3-16a给出了微孔曝气机注塑件中纤维的分布形 态。很显然,微孔曝气机成型导致发泡芯层的纤维解取向。图3-16b所麻为未发泡注塑件的形 态结构,流动方向上的纤维取向强烈。未发泡注塑件和发泡注塑件的材料性能明显不同9假设将平行于流动方向上测量的性能(ld)和垂直于流动方向上测量的性能ctd) 两者之比定义为ld/td,那么未发泡试样拉伸强度的ld/td约为2. 2,而微孔曝气机试样约为 1.74,下降了 21%。未发泡试样(图3-16b)流动方向与横向的弹性模量比为1.99, 而微孔曝气机试样(图3-ka)降至丄52,即各向异性下降了妇,§%。        '

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:3-» wm《质量分数)玻璃纤维增强减重1麵1%蒙繼_歡                    \ 纤维解取_未发孢试样的纤雒取向(奪垮\ a):微孔曝气机抱沫未发沲试样
(_致射康製机柱_直径mam,注射速度&ra®%5.. trerel公司版衩许可)                                    :
玻璃纤维增强微孔曝气机注塑件的许多形态结构都表现出明显的纤维解取向,因为即使减重幅度只有5%,玻璃纤维周围的泡孔也大幅度长大。为了证明这一假^;,制备ifefc泡 孔人减重25%)的玻璃纤维增强试样,结果表明大泡孔的存在使玻璃纤维解取向更加明显。
pc微孔曝气机泡沬中的碳纤维也有明显的纡维解取向„如s3-4q所示。即使是在高剪切 力区域的表层处,碳纤维也没有像通常未发泡材料加工时那祥取向。由于碳纤维周围有 很多小泡孔,,所以泡孔长大是泡孔周围纤维解取向的唯一原因。
另外,加工条件和气体用量也会显著影响玻璃纤维的解取向:。影响纤维解取向的遷 重要的加:t参数是注射速度。这是因为良好的泡孔结构通常是由高注射速度产生的s大 气体用量也有助于产生更多的泡孔。而且.纤维本身就是促进异相成核的良好助剂。总 之,优异的泡孔结构是改善微孔曝气机注塑件纤维取向的关键因素。注射成型过程中的泡孔长大和纤维赫取向将在第6章中阐述。
在注射过程中还有一种现象,即剪切诱发填充材料迁移:24、粒子在&射成型试样横截面中故分布表现出明显的迁移迹象,填充材料从表面向内部迁移。在金属粉末填充

材料的微孔曝气机注射成型中,重金属粉末总是从高剪切速率处向低剪切速率处移动。相同的情况似乎也发生在玻璃纤维增强材料的微孔曝气机注射成型中。然而,最终结果将是玻璃纤维 向中心处移动与泡孔长大将其从中心排挤出去两者之间的平衡(图3-16) 0
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