工艺当先 工程塑料加工工艺进展

工程塑料优异的稳定性、良好的耐热和耐化学性以及高强度,应用领域广泛,其需求持续快速增长,广泛应用于消费及家电产品、电气及电子产品、工业机械、包装,以及医疗、建筑等行业,应用领域的拓展对改性与成型工艺提出了新的要求,本文探讨工程塑料加工成型最新技术进展。
聚酰胺导热改性
聚酰胺是在聚酰胺纤维基础上发展起来的,是最早出现能够承受负荷的热塑性塑料,也是五大通用工程塑料中产量最大、品种最多、用途最广的品种。因此大批学者研究了多种方法制备不同性能的PA复合材料。
韩国化学技术研究所的YoungjaeYoo等将PA6与大粒径的石墨粉混合并通过双螺杆挤出造粒,将所得粒子通过单螺杆挤出机与碳纤维混合得到导热PA6复合材料。测试表明:石墨粉和碳纤维在PA6基体中分散良好。随着填料含量的的增加,复合材料热导率逐渐升高,当PA6/石墨粉/碳纤维=40/30/30时,面内热导率达到5.03 W/(m.K),是纯PA6的25倍,板间热导率达2.03 W/(m.K)。
华南理工大学材料学院的林晓丹等通过PA66与大粒径MgO共混,经双螺杆挤出机挤出制备了导热绝缘PA66复合材料,研究了热导率与MgO填充量的关系。结果发现导热绝缘塑料的热导率随MgO填充量的增加而增大。在MgO填充量达到70wt%时,材料的热导率达到1.9 W/(m.K),同时仍保持较好的力学性能和一定的电绝缘性能。
中国兵器工业集团第五三研究所的张学锋,何杰,邵军等用共混挤出法制备了导热尼龙(PA)66复合材料,并且研究了导热填料种类、含量及与玻璃纤维复配等因素对复合材料导热系数的影响。实验表明,以Al填充PA66的效果最好;随着填料含量的增加,复合材料的导热性能上升。填料之间会形成特殊的导热通路,提高复合材料的导热性能,在复合材料中填料粒子用量达到一定量时。如表1所示,为不同Al用量复合材料的导热性能和力学性能。当Al含量为45%时,复合材料的导热系数为0.778W/(m.K);玻璃纤维与导热填料的共同作用使体系导热系数有一定提高。
聚碳酸酯改性与制品加工工艺
聚碳酸酯(PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。由于聚碳酸酯结构上的特殊性,已成为五大工程塑料中增长速度最快的工程塑料。
江苏金发科技新材料有限公司的蒋刚军等采用双螺杆挤出机制备PC/PBT材料,并研究了加工温度,螺杆转速等因素对PC/PBT材料性能的影响。实验表明:随着加工温度的升高,材料的流动性变好,耐热性能变差,但温度过高或过低会使材料韧性变差,最适宜的加工温度是250℃左右;当螺杆转速在300~600r/min范围内时,转速越高,材料力学性能越好,但耐热性能下降。
北京航空材料研究院的葛勇,王韬,朗建林等通过实验探究了聚碳酸酯(PC)平板制件厚度偏差及厚度分布在不同注射压缩成型工艺参数,如:两点(压缩起始点螺杆位置与转保压点螺杆位置)间距、压缩速率和压缩行程的影响。实验结果表明,两点间距和压缩速率的增大会使PC平板厚度随之减小,控制厚度精度的主导因素是两点间距和压缩速率,而对厚度影响较小的是压缩行程。同时,实验结果表明,所有的PC平板的分布趋势均是上薄下厚,且厚度值大小是由于不同的压缩工艺的影响,但对PC制件的厚度分布趋势没有影响。
五羊-本田摩托(广州)有限公司的丁学清等采用注射成型制备了透明聚碳酸酯(PC),并研究了模具冷却温度、机筒温度等因素对产品透明度的影响。实验表明,当模具温度为80℃~90℃左右时,制品质量最好,模具温度较低时制品表面光洁度较差,模具温度较高时,制品会粘附在定模上,脱模困难;机筒温度控制在250℃~270℃,如果温度太低,成型制品表面光洁度差,制品不能充满,若温度太高,熔料易降解,使得制品产生银纹暗条、变色甚至有气泡。
聚甲醛加工工艺
聚甲醛(POM)是热塑性结晶聚合物,以低于其他许多工程塑料的成本,正在替代一些传统上被金属所占领的市场。在很多新领域的应用,如医疗技术、运动器械等方面,POM也表现出较好的增长态势。
日本工程塑料供应商宝理公司推出了一种新的聚甲醛(POM)牌号,DURACON POM WW-09。宝理公司的DURACON POM WW-09通过使用高分子量聚合物和采用公司独创的分子设计和聚合技术,实现了高初始强度和蠕变性能,从而提供更好的力学性能。
它同时具有高强度和优越的蠕变以及滑动性能,与现有滑动级牌号相比,DURACON POM WW-09具有较高的力学性能,并保持接近高黏度标准级DURACON M25-44的物理性能。由于采用高黏度型聚合物,其蠕变性能优于其他滑动级牌号。该材料还具有长期耐久性,因此可用于接近标准等级的产品设计和长期持续施加载荷的应用场合。
清华大学化学工程系的于建,刘慧璐等研究了热经时处理对POM结晶行为的影响,通过PLM观察发现,POM晶核数目随着热处理温度的提高(或热处理时间的延长)显著减少,晶尺寸变大,结晶速率下降,而热稳定剂抑制POM结晶,稳定结晶速率变缓的势头,两种作用相互制约。
江苏苏博特新材料股份有限公司高性能土木工程国家重点实验的李林等采用双螺杆挤出机制备了POM/超支化聚酯(HBP)共混物体系,通过高压毛细管流变仪、傅里叶变换红外光谱、DSC、万能试验机以及热失重仪等研究了POM/HBP的相互作用、结晶性能、流变行为、力学性能及热稳定性。其中DSC分析发现,当HBP 用量为1%~2%时结晶速率下降,而在 2%~6%时结晶速率反而增加。这主要是因为低含量的HBP在POM中均匀分散,也就是说增加了POM分子链间的距离,降低了结晶速率,而随着用量的增加,HBP分子聚并,起到了成核剂的作用,使得结晶速率加快。
聚苯醚加工工艺
聚苯醚(PPO)是世界五大通用工程塑料之一。它具有刚性大、耐热性高、难燃、强度较高电性能优良等优点,但是它的耐溶剂性差、制品容易发生应力开裂、缺口冲击强度低,熔体粘度高,加工成型性极差,这样大大限制了它的应用。因此大批的专家、学者研究了多种加工工艺改进PPO制品品质。
天津长芦海晶集团有限公司的徐兴亮等通过双螺杆挤出机制备了PA6/PPO材料,并通过实验探究了PA6/PPO不同配比,不同短玻纤含量等因素对PA6/PPO合金材料力学性能及加工性能的影响。从表2和表3中可以看出PA6/PPO合金的力学性能随着PPO含量的变化而变化。PA6/PPO合金拉伸强度,断裂伸长率,弯曲强度,冲击强度,随着PPO含量的增大,先增大后减小。当PPO含量为25%时,PA6/PPO合金的力学性能达到最佳。在双螺杆挤出过程中加入一定量的短玻纤,可以降低成本,并且提高合金的力学性能。从表中可以看出,随着短玻纤含量的增大,PA6/PPO合金的拉伸强度,断裂伸长率,弯曲强度,冲击强度等先增大后减小,当添加短玻纤含量为20%时,PA6/PPO合金的力学性能达到最佳。
PET薄膜加工工艺
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)一起统称为热塑性聚酯,在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能,长期使用温度可达120℃,电绝缘性优良,甚至在高温高频下,其电性能仍较好,但耐电晕性较差。国内外多家公司研究多种加工工艺制备PET薄膜,并取得了显著成果。
日本东丽公司开发了具有耐擦伤、高平滑表面的高功能有机无机混合涂层的新型PET薄膜。其在纳米粒子的表面使用独自设计的分散剂,使粒子间的凝集力大幅度缓和,在亚微级厚度的涂层中,使高硬度纳米粒子极均匀分散,成功地抑制了涂层的龟裂。这种新型PET薄膜,兼有透明性和与金属辊的优异平滑性等,可以在加工过程中作为支持体的基材薄膜使用,也可临时作为贴附产品的工艺薄膜使用,能够抑制与辊筒间的擦伤和由于热引起的异物(低聚物)析出及薄膜表面的粗大突起。
北京化工大学的李辰昊以PET树脂为基础原料,采用挤出吹塑法制备PET吹塑薄膜。针对PET材料熔体强度低、材料韧性差等缺点,通过改变吹胀比,牵引速度,吹膜机头温度等因素对吹塑薄膜力学性能的影响。实验表明:拉伸强度随着薄膜吹胀比的提高而不断增大,拉伸强度分别由吹胀比2.8时的38.5MPa/34.7MPa提高到46.6MPa/47.9MPa,分别提高了21%和38%。薄膜断裂伸长率随着吹胀比的增大呈先上升后下降的趋势,横向断裂伸长率在吹胀比3.4时得到最大值,此时为173.8%,纵向断裂伸长率在吹胀比为3.7时达到最大值,此时为127.6%。最终确定吹胀比3.7、牵引速度5.0m/s、口模温度270℃为较优的工艺参数。
大连理工大学化工学院高分子材料系的张林,王益龙,王润桥等分别使用单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、反应型挤出机挤出PET,研究熔融挤出后PET的特性黏数,在不同挤出温度、不同螺杆转速下的变化情况。结果表明,使用双螺杆挤出机时,特性黏数平均降低23.5%,PET降解最严重。使用单螺杆挤出机时,在较低挤出温度时挤出产物基本不降解;在高温时挤出产物降解明显, 挤出温度每提高10℃,产物特性黏数平均降低5.8%;提高的螺杆转速,降低原料含水量,有利于防止PET分子降解。使用反应型挤出机时,PET热降解程度大于使用单螺杆挤出机。PET适合在较低挤出温度、较高螺杆转速、物料经过烘干的情况下,使用单螺杆杆挤出机对其进行熔融挤出。
北京化工大学的陈志兵,何继敏等通过挤出化学发泡法进行聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的发泡成型实验。实验得出:单螺杆挤出机的机头温度、螺杆转速、机筒温度等工艺参数对PET发泡效果具有多重影响。对于试样的发泡效果,机筒温度越低,机头温度越低,螺杆转速越高,则越好。但对于试样的泡孔质量,机筒温度过低,螺杆转速过高,则会下降。在实验范围内,机筒温度265℃,机头温度220℃,螺杆转速30 r/min,为PET挤出发泡成型的最佳工艺参数,可以得到PET发泡材料的表观密度较低并且泡孔细密均匀。




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