聚合物PVT測試在車用非金屬材料的應(yīng)用

聚合物PVT測試在車用非金屬材料的應(yīng)用

高鐵檢測儀器

摘 要： 隨著市場的需求不斷擴大，對于新材料的性能要求越來越高，材料轉(zhuǎn)化為制品的過程伴隨著溫度、壓力、體積的變化，這些參數(shù)對于制品最終的形狀起到了非常重要的作用，如何監(jiān)測分析制品成型過程P-V-T狀態(tài)的變化以及對應(yīng)的制品的質(zhì)量關(guān)系，從而通過調(diào)整工藝參數(shù)得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，本文通過對聚合物PVT測試技術(shù)的闡述，希望能為新材料及其制品的開發(fā)和應(yīng)用生產(chǎn)提供幫助，助力新能源汽車的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：車用非金屬材料、注射擠出成型、PVT測試；

一、前言：

隨著新能源汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對車用非金屬材料的的要求朝著高精度化、高功能化、輕量化、低成本及高附加值方向發(fā)展，但目前新材料發(fā)展的速度遠不及市場的需求，材料到精密制品的轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)的尺寸精度、重量精度、工作穩(wěn)定性等問題亟待有更便捷、更高效的技術(shù)解決。

聚合物的PVT參數(shù)，即聚合物的壓力（P）、體積（V）、溫度（T）之間的相互關(guān)系，作為聚合物的基本性質(zhì)，在聚合物的生產(chǎn)、加工及應(yīng)用等方面有著十分重要的作用 ^[1] 。由聚合物PVT關(guān)系曲線圖可得到溫度、壓力對于聚合物比容積的影響，并直觀了解聚合物密度、比容積、可壓縮性、體積膨脹系數(shù)、狀態(tài)方程等方面的信息。通過對聚合物PVT關(guān)系的研究，可得到注射模塑過程中與壓力、密度、溫度等相關(guān)的現(xiàn)象，分析制品加工中翹曲、收縮、氣泡、瑕疵點等缺陷的產(chǎn)生原因，更快捷地制定最佳工藝參數(shù)，從而獲得高質(zhì)量的制品。因此，需要獲得更準確和實際的PVT數(shù)據(jù)以進行更準確的預(yù)測、評估、優(yōu)化和計算。

二、PVT測試原理：

聚合物PVT測試設(shè)備主要由測試料筒、測試傳動系統(tǒng)、加溫冷卻控制系統(tǒng)、傳感器及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等部分組成。測試時，將固定量的聚合物依所設(shè)定的溫度加溫或降溫，可選擇使用速率式溫度控制，采用模擬量的氣流冷卻增加溫度控制的精準性，利用伺服馬達控制加壓柱塞依所設(shè)定的壓力保持恒壓，再使用高精度光柵尺感知聚合物溫度變化時膨脹或收縮時的體積變化，過程保證系統(tǒng)的密封性，防止泄漏和空氣的進入，以得出密度、比容等數(shù)據(jù)。

圖1  PVT測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理

三、PVT關(guān)系的應(yīng)用

應(yīng)用1：得出在注射成型時PVT狀態(tài)變化曲線；

注射成型過程中，非牛頓塑料熔體在模腔中做非等溫瞬態(tài)流動，熔體一方面因與低溫模具接觸而快速冷卻，另一方面因高速剪切作用又產(chǎn)生熱量，在此期間經(jīng)歷了不同的壓力、溫度和剪切速率變化過程，要全面描述加工條件對熔體流動性質(zhì)的影響，就必須知道在各種條件下（壓力、溫度和剪切速率）的黏性^[2]。聚合物材料在成型的過程中各項物性參數(shù)也經(jīng)歷了一系列的變化，通過對材料P-V-T特性關(guān)系的分析，可在材料PVT關(guān)系曲線中找到對應(yīng)的加工路徑。

表1^2]  注塑加工工藝參數(shù)

圖2^[2]  PVT狀態(tài)曲線及注塑加工工藝路線

圖2所示，A-B-C-D-E-F-G路線是通過表格中的工藝參數(shù)和PVT曲線所描述的整個注射成型過程。注塑過程一般包括如下幾個階段：

1.塑化:圖中A 點，表示已塑化好、處于熔融溫度下的熔體在注射前的狀態(tài)。塑化壓力增加，塑化時間增加，熔體溫度提升，塑化質(zhì)量好，溫度均勻，但塑化效率下降，一般背壓不易太高。一般情況下背壓越低越好，不宜超過20MPA。

2.充模（注射）:A-B段為物料在塑化溫度（T4）下的填充注射階段。如果注射壓力不夠，易產(chǎn)生制品凹陷。壓力高時，制品密實收縮小。

3.注射切換到保壓：B-C段為從填充到保壓的切換。準確的切換是保證型腔中壓力的關(guān)鍵，如果切換太早，則充模要在保壓下完成，引起較大的保壓壓力取向；切換太晚，模腔內(nèi)壓力升高過大可能導(dǎo)致過充，進而使制品產(chǎn)生飛邊和內(nèi)應(yīng)力。保壓過程中進料口處產(chǎn)生的高取向?qū)χ破返馁|(zhì)量是很不利的，為了減少保壓取向，則在保壓階段壓入模腔的物料應(yīng)盡可能少。

4.冷卻成型：等壓線上的C-D段為物料在型腔內(nèi)保壓冷卻的過程。保壓壓力應(yīng)不小于注射壓力，略大于注射壓力，這樣才能起到保壓作用。保壓壓力增加，模腔壓力增加，制品密度增大，收縮率變小，內(nèi)應(yīng)力增加。D點表示型腔內(nèi)物料在一定的壓力下冷卻到進料口溫度T3，此時其所對應(yīng)的比容為VD。此時起，物料再不會進入型腔。D-E段是等比容冷卻的過程，冷卻決定型腔內(nèi)的壓力變化，直至達到常壓線。

5.開模頂出：E-F段指制品沿常壓線冷卻達到頂出溫度T2時，制品頂出。G點為環(huán)境溫度，表示取出制品在常壓下冷卻到室溫T1，這樣完成了整個注射成型周期。此時VG為聚丙烯在室溫下的比容。

從圖可以看出，注射成型的加工路徑有很多，即通過不同的工藝條件，均可使得每次注射成型都在相同點到達常壓線，這樣便可以獲得相同的體積收縮，達到高的尺寸精度，利用PVT測試技術(shù)可以快速選擇最為簡單的加工路徑。

應(yīng)用2：狀態(tài)方程法獲得高聚物的熱力學(xué)參數(shù)；

目前在注射成型模擬方面描述聚合物PVT關(guān)系應(yīng)用廣泛的是修正的雙域Tait狀態(tài)方程。通過對PVT 測試數(shù)據(jù)的非線性回歸，得到Tait狀態(tài)方程。

狀態(tài)方程法可獲得高聚物的熱力學(xué)參數(shù)，為注射成型模擬軟件提供材料物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫支持，如材料比容、熱膨脹系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)、和結(jié)晶溫度等。受材料物性參數(shù)準確可靠性的影響、計算機模擬結(jié)果與實際成型過程會有所差別。

通過對9928H該種材料的PVT性能研究，利用修正的雙域Tait狀態(tài)方程模擬其曲線，如圖3可以看出，300bar及600bar壓力條件下擬合的曲線與實際測試曲線基本一致。

圖3 試驗曲線與Tait模型曲線比對

應(yīng)用3：測量聚合物的相轉(zhuǎn)變溫度及壓力；

圖4 聚合物在不同壓力下的相轉(zhuǎn)變溫度

如圖4所示，通過測試聚合物不同壓力下的PVT關(guān)系曲線，可以直觀的看出該種聚合物在不同壓力條件下的相轉(zhuǎn)變溫度。

四、結(jié)語

通過對聚合物PVT關(guān)系的測試，不僅可以找到最佳的生產(chǎn)工藝路徑，減少制品在生產(chǎn)中出現(xiàn)的外觀、尺寸、重量等質(zhì)量問題，而且可以通過狀態(tài)方程求得材料的各項物性參數(shù)，為理論研究提供數(shù)據(jù)支持；PVT測試與實際生產(chǎn)工藝相結(jié)合，可以提升新材料研發(fā)到量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率，助力非金屬材料的發(fā)展，促進我國在新能源汽車上的技術(shù)突破及創(chuàng)新應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 楊衛(wèi)民，王建，謝鵬程，丁玉梅，聚合物PVT關(guān)系測試技術(shù)研究進展，中國塑料，2008，22(2)：81-89.

[2] 李峰，孫晉，李永泉，聚丙烯的流變性能和PVT關(guān)系研究及在注射成型中的應(yīng)用，中國塑料，2012,26（6）：62-66.