注射成形中聚合物结晶行为的模拟及实验研究

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注射成形是高性能聚合物制品生产的最主要手段。在注射成形过程中形成并最终冻结在制品中的结晶形态直接影响制品的使用性能。然而,迄今为止,注射成形条件下聚合物的结晶形态控制理论还停留在粗略的定性阶段,实际生产过程中的结晶形态调控也只能采用低效的“试凑法”。为缓解这一现状,本文综合运用数值模拟和物理实验对注射成形过程中聚合物的结晶行为进行了研究,主要研究内容包括:(1)分析介绍了商业化软件Moldflow的结晶模拟模块的计算原理及使用方法,并以压口瓶坯作为研究对象,采用正交试验模拟分析了保压阶段不同保压压力、保压时间和模具温度对瓶坯结晶度的影响关系。(2)基于剪切应力引起分子链取向并导致平衡熔点升高的假设,建立了非等温剪切诱导结晶动力学模型,并采用有限体积法对注射阶段中的结晶行为进行了三维数值模拟,模拟算法中耦合了熔体流动速度、压力、温度场与相对结晶度。此外,本文还模拟分析了注射阶段不同工艺参数下制品结晶度的演化行为。(3)基于聚合物在保压过程中的压力-比容-温度(PVT)关系曲线计算聚合物的密度,并根据结晶度的密度测量法,提出了一种保压阶段聚合物结晶行为的三维数值模拟方法。利用该方法模拟分析了保压阶段不同工艺参数下制品结晶度的演化行为。(4)进行了注射成形实验研究。采用单因素变量法分别分析了注射阶段工艺参数(模具温度、熔体温度和注射时间)以及保压阶段工艺参数(模具温度、保压压力和保压时间)对制品结晶度的影响规律。物理实验的结果与自主研发软件的模拟结果十分吻合。本文开发的结晶模拟软件以及研究成果可用于研究注射成形过程中聚合物结晶形态的演变规律以及成形工艺对结构与性能的影响机制,对聚合物结晶形态控制的实施和材料的高性能化研究具有重要意义,同时,在实际生产方面,可用于解决成形过程中的工艺分析、评价与优化等问题,在聚合物制品性能的优化控制方面具有广阔的应用前景。
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