振动塑化挤出对聚烯烃片材性能的影响

现代塑料加工应用2006年第18卷第3期MODERN PLASTICS PROCESSING AND APPLICATIONS●33●振动塑化挤出对聚烯烃片材性能的影响*秦雪梅瞿金平曹贤武 晋刚(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心，华南理工大学聚合物成型加工工程教育重点实验室,广东广州,510640)摘要:利用塑料电磁塑化挤出机挤出聚烯烃片材,系统研究了挤出机螺杆轴向振动对聚乙烯挤出制品结构与性能的影。采用DSC对挤出试样的结晶结构及形态进行分析。结果表明.振动塑化挤出使聚合物挤出试样结晶度提高,结晶完善,晶片之间的连接分子数量增加,因而制品的力学性能有所提高,特别在横向上表现明显。在适当的振动条件下,高密度秦乙烯< HDPE)试样的横向拉伸强度和冲击强度分别从22. 68 MPa和12.7 kJ/m?提高到了25.55 MPa和23.5 kJ/m';而聚丙烯(PP)试样横向拉伸强度和冲击强度则分别提高了20%和64%。关键词:高密度聚乙烯聚丙烯振动塑化 挤出 聚烯烃微观结构 力学性能 结晶The Effect of Vibration PlasticatingExtrusion on Properties of Polyolefine SheetsQin Xuemei Qu Jinping Cao Xianwu Jin Gang(National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing ,The State Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong, 510640)Abstract : The effect of vibration force field on the microstructure and mechanicalproperties of the polymer sample sheets extruded by electromagnetic dynamic plasticating ex-truder, was studied systematically. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was executedto analyze the microstructure of the samples. The results indicated that the vibration plasti-cating extrudate had higher crystallinity, better crystallization, and the number of inter-la-mellar connections increased, which account for enhancement of the mechanical properties ofsheet, especially in transverse direction. The tensile strength and impact strength of extru-ded HDPE sheet in transverse direction increased from 22. 68 MPa and 12. 7 kJ/m2 to25. 55 MPa and 23. 5 kJ/m2 respectively, the tensile strength and impact strength of PP sam-ples in transverse direction were increased by 20% and 64% respectively.Key words: high density polyethylene; polypropylene; vibration plasticating; extrusion;polyolefine; microstructure; mechanical properties; crystalline在聚合物的加工成型过程中,随着加工条件果([~1。瞿金平利用聚合物电磁动态塑化挤出的改变,聚合物制品的微观结构与形态有很大的机,通过其螺杆做轴向振动,把振动力场引人到不同，制品性能会有很大的差别。通过改变加工聚合物输送、熔融、塑化和熔体运输全过程S5.3。条件来改变聚合物的凝聚态结构,从而改善其使在全程引入振动力场对制品结构与性能影响的用性能是优化材料性能的经济而实用的方法。在加工成型中引人振动力场就是一种行之有效收稿日期2005-10-07 ;修改稿收到日期:2006-02-10.中国煤化工究生,主要从事聚的方法。前面已有一些学者,如A.I. Isayev, J.Casulli,Ibar等研究了在挤出机模头上施加振动JH.CN M H 1007020、国家对挤出特性及制品性能的影响,并取得了很多结自然科学基金重大项目(10590351)。现代塑料加工应用2006年6月研究工作及结果报道目前还很少。min,螺杆不做轴向振动下制备;施加振动的试把振动引人到聚合物加工的全过程,由于螺样在温度与螺杆转速都不变的情况下,对螺杆施杆的轴向振动在聚合物熔体的主要剪切流动上加轴向振动,并在不同的振幅(50~ 200 μm)和.叠加一个附加的周期性变化的流动,改变了聚合频率(2~14 Hz)的情况下制备。试样制备的过物塑化挤出中熔体的流动状态,影响了制品成程中，压光机的牵引速度始终保持与片材的挤出.型、固化定型过程,从而可以控制制品的内部结速度一致，即在牵引的过程中没有产生拉伸的作构[°] ,提高制品的性能和外观质量。利用聚合物用。电磁动态塑化挤出机挤出聚烯烃片材,研究了振PP试样的制备与HDPE试样制备条件-动塑化挤出对挤出制品性能的影响。样,只是挤出机4段的温度需要重新设定为:200,230,225,210 C.1试验部分1.4 试样测试1.4.1拉伸 测试1:1 原料将挤出成型的片材分别沿平行挤出方向(纵高密度乙烯(HDPE),牌号5502 ,上海金菲.向)和垂直挤出方向(横向)加工成哑铃形拉伸样石化公司,在标准测试条件(190 C,2. 16 kg)下.条,在美国Instron 公司的5566型台式电子万的熔体流动速率(MFR)为0. 398 7 g/(10min);能材料试验机上进行强度测试，拉伸速度为50聚丙烯(PP),牌号T30S,武汉凤凰股份有限公mm/ min.司,在标准测试条件(230 'C,2. 16 kg) 下的1.4.2冲 击测试MFR为3. 057 g/(10min)。将挤出成型的片材分别沿平行挤出方向(纵..2 试验主要装置向)和垂直挤出方向(横向)加工成带缺口的冲击试验装备主要由挤出机、模头、以及辅助的样条。在美国Instron公司的POE 2000型摆锤压光机组成。冲击试验机上进行测试。挤出机为SDJJ-260型电磁动态塑化挤出1.4.3 DSC 测定机，通过给螺杆施加轴向振动引人振动力场。实从振动塑化所挤出的试样和未加振动挤出现物料的输送、塑化、挤出功能的挤压系统全部试样.上分别取样，采用德国NETZSCH的置入电机转子的内腔中,使物料的塑化挤出全过DSC204C对其进行测试，升温速度10 C/min,程均在电机转子内腔中完成。同时通过主绕组氮气气氛。和副绕组的脉振磁场引起转子脉动旋转和轴向振动,由于螺杆与转子是同轴固定连接,，则带动2结果与讨论螺杆也作脉动旋转和轴向振动,使电磁场引起的机械振动场引入聚合物塑化挤出全过程。而当2.1力学性能螺杆轴向不振动时,塑料电磁动态塑化挤出机则图1~图4分别为HDPE试样的拉伸强度可作为普通稳态的单螺杆挤出机。和冲击强度与振动频率和振幅的关系。模头为T型流道狭缝模头,出口端口模尺26.0振幅80 um,少寸为宽80mm,厚2mm。g 25.0压光机为辊压光机。研究中加振与未加振这24.0的试验,采用同一个口模、相同的定型条件和牵23.0引速度,这样保证了试样的差异性不是因为螺杆22.0t结构、模头等非振动因素引起，而只是由于振动的因素引起。中国煤化工214161.3 试样制备条件YHCNMHG未加振HDPE试样在挤出机4段温度设定图1HDPE的拉伸强度与振动频率的关系为: 165,200,195,195 C,且螺杆转速为20r/1-垂直:2-平行秦雪梅等，振动塑化挤出对聚烯烃片材性能的影响●35●向.上的冲击强度,随着振动频率和振幅的增加出25.51频率10 Hz现先增大而后渐渐回落的趋势。在频率为10Hz、振幅为60 μm时达到了23. 5 kJ/m2 ,比未加品23.5振时的12.7 kJ/m2提高了85%。有22.521. 5)2040608010033「1振幅80 um振幅/um/2图2HDPE的拉伸强度与振幅的关系1-垂直:2-平行! 30i 2924r振幅60止22 t2824681012141620 t振动频率/Hz1o[18 t16 t圈5PP的拉伸强度与振动频率的关系4I1-平行;2-垂直024681012141635「 频率10 Hz34图3 HDPE 的冲击强度与振动频率关系33; 32省2:。24「 频率10z! 31文20E30t兰12S质1628620406080100电14定12t振幅/u■20 4060 80图6 PP 的拉伸强度与振幅的关系1一垂直:2-平行4.5[ 振幅80 um围4HDPE的冲击强度与振幅的关系4.0PP试样的拉伸强度和冲击强度与振动频率3.51和振幅的关系如图5~图8所示。其中频率f=意3.02七”2.0或振幅A=0,表示这时的试样为螺杆未施加轴向振动下制备。2.0σ246810121416振动频率/从HDPE力学测试结果可以看出,经过振.动塑化挤出的HDPE试样的拉伸性能在垂直于團7PP的冲击强度与振动频率的关系挤出方向上普遍得到提高,且在- -定的振幅下,随着频率的增加拉伸强度也呈非线性增加的趋5.5势。如在14 Hz时，拉伸强度提高到25. 5564.5MPa,比未施加振动时的22. 68 MPa提高了84.012. 6% ;在同一振动频率下,HDPE垂直挤出方感3.5向的拉伸强度开始随着振动振幅的增大而增大，是3.0.2.5而后会下降。而在平行于挤出方向上拉伸性能有一点上下波动,但变化不大。HDPE 的冲击中国煤化工*-30 100强度由于在纵向上韧性很好,冲不断，最后只测Y.H.CNMH G到横向的冲击强度如图3、图4所示,表明振动团δ rr时肿可强度与振幅的关系以后，其冲击强度得到大大的提高。HDPE横1一垂直;2- -平行现代塑料加工应用2006年6月.由PP力学性能测试图(图7.图8)可知, PP峰形变窄,说明试样晶体完善程度和尺寸均一性的拉伸强度和冲击强度无论是在垂直于挤出方都有提高。从图9还可以看到,在施加振动频率向上,还是在平行于挤出方向上变化趋势都是一为 10 Hz、振幅为60 μm时,PP试样的熔融行为样的。即随着振动频率和幅度的增加,开始上中存在着双重熔融峰现象,在熔融峰前出现一个升,然后回落,而且纵、横向的强度变得很接近，小峰,而在振 幅提高到80 μm时原来的小峰变消除了挤出制品中的各向异性。另外从试验结成主熔融峰,因此试样的熔点得到提高。果还可看出,振动幅度变化对PP性能的影响要DSC曲线的分析表明，由于振动的引人,分比振动频率变化的影响大,特别是对冲击强度。子链的活动能力增强,既可形成比较完善的结晶在频率为10Hz、振幅为40μm时拉伸强度和和结构,同时又能使原来不能结晶的部分渗人到晶冲击强度不论纵向和横向都达到一个最佳的值，格中结晶,因此结晶度和熔点都得到一定的提横向的拉伸强度和冲击强度分别提高了20%和高,而材料的力学性能也得到相应的改善。64%,表明PP材料的韧性得到很大的提高。2.2 DSC 分析.3结论为了能从制品的内部结构来解释以上的力学性能上的变化,对性能提高较多的试样做了通过把振动引人整个熔融塑化过程,改变了DSC和X衍射分析。根据未加振HDPE试样普通挤出加工成型的纯剪切应力作用,振动塑化和在振动振幅为80pμm、不同振动频率下制备的挤出试样表现出较高的结晶度和较好的结晶结HDPE试样的DSC曲线,可得熔融峰温度(见表勾。在宏观力学性能上,则表现出拉伸强度和冲击强度都得到较大的提高,尤其在横向上，同时表1不同振动频率下HDPE的DSC曲线熔融峰温度发现一个震动参数敏感区域,在这一-区域中，机振动频率/Hz械性能存在先上升后下降的趋势。对HDPE,项目02，，61014在横向.上,最高拉伸强度和冲击强度分别提高了熔融峰温度/C132.9 133.9 134.3 135.2 136.012. 6%和85%,由22. 68 MPa和12. 7 kJ/m2提结晶度,%52.7 54.0 55.2 56.8 58.2高到了25. 55 MPa和23.5 kJ/m°;而 PP拉伸强度和冲击强度则分别提高了20%和64%。图9是振动挤出PP试样与未加振的PP试参考文南样的DSC曲线。0.61 Isayev A I, Wong c M. Effet of osillation during extru-.4振蝠0um.0.240μsion on rheology and mechanical properties of polymers. Ad-60umvances in Polymer Technology, 1990, 10(1):31~45-0.20m2 Isayev AI, Wong C M. Zeng X. Flow of thermoplastics in-0.66an annular die under orthogonal osilations. Journal of NonNewtonian Fluid Mechanics, 1990, 34(3): 375~3971.30 -1003 Ibar J P. Control of polymer properties by melt vibration温度/Ctechnology. Palymer Engineering Science, 1998,38(1):1~2图9PP片材的DSC曲线4蒋龙,申开智,吉继亮.高耐压HDPE自增强管挤出系统及试样的结构与性能。高等学校化学学报,1998.19(4);67从表1可以看到，加振动后的挤出试样熔融5瞿金平。 聚合物塑化挤出新概念:华南理工大学学报(自然峰均向高温方向偏移,尤其HDPE试样,加振后科学版) ,1992 ,20(4) ;1~8的熔融峰值最高达到136.0C,比未施加振动6中国煤化工rk设备。 中国.CN时的132.9C提高3C多。另外用DSC测得的7 QuYHC N M H Gating flow field in结晶度最高达到58. 2%(频率10 Hz,振幅60capillary dynamic rheometer on the crystllization behaviorμm)比没有加振时的52. 7%提高了12%;熔融of polypropylene. Eur Poly J, 2004. 40(8): 1 849~1 855