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水辅助注塑成型技术是一种新型聚合物成型方法,在大尺寸中空制品成型上具有明显的工艺优势。纤维增强聚合物复合材料是一类高级轻量化材料,既保有聚合物材料良好的成型加工性能,又被赋予纤维材料的优异力学性能。将水辅助注塑成型技术应用于纤维增强聚合物,可开发出优异性能管件。当前多数为纯树脂的水辅注塑成型或圆形等截面弯管和直管的短玻纤水辅注塑成型研究,对于该技术在成型方形管材方面研究甚少。本文通过实验与模拟相结合的方式,研究明晰影响因素对短玻纤增强聚丙烯水辅助注塑成型直方管残余壁厚、水穿透行为、拉伸性能的影响,以望拓宽该技术的应用领域。内容如下:(1)对水辅助注塑成型技术原理和研究现状进行了概述,建立短玻纤增强聚合物水辅助注塑成型模拟中熔体的充填方程,以及对目前常用的黏度模型和自由界面追踪方法进行了比较分析。(2)从管件结构多样化的角度出发,构建了三维直方管件充填模型,并加工了相应结构的模具;通过实验与模拟相结合,研究了注水延迟时间对方管残余壁厚分布影响。采用正交试验进行水辅助注塑成型模拟,考察了影响因素对塑件前段、中前段、中后段及后段位置残余壁厚的影响程度;并找出最优参数组合;以塑件残余壁厚方差表示残余壁厚的波动程度,得到了工艺参数对塑件残余壁厚波动影响程度。(3)针对塑件结构方面的水穿透率和水穿透截面形状,沿轴向五个位置获取塑件的水穿透截面,研究了工艺参数对水穿透截面的影响;比较了在低注水压力和高注水压力下,玻纤含量对塑件水穿透率和水穿透截面形状的影响。分析了研究结果产生的理论本质。(4)采用单因素实验法,研究了短玻纤聚丙烯水辅助注塑成型方管的最大拉伸载荷、拉伸强度与影响因素间的关系,得到了工艺参数对塑件拉伸性能的影响规律,从塑件结构层面分析了结果产生的原因。

关键词：水辅助注塑成型直方管残余壁厚水穿透行为拉伸强度

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基于方管短纤维增强聚合物水辅成型机理研究

基于方管短纤维增强聚合物水辅成型机理研究

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作者：陈忠仕南昌大学

学位级别：硕士

短纤维增强聚合物水辅助注塑成型是将先进的成型技术和性能优异的材料相结合;不仅能缩短成型周期,降低生产成本,而且生产的制品也具有质量轻和性能好等特点,符合现代绿色化发展要求。但在前期研究中,多数为无水介质辅助的短纤维增强聚... 详细信息

短纤维增强聚合物水辅助注塑成型是将先进的成型技术和性能优异的材料相结合;不仅能缩短成型周期,降低生产成本,而且生产的制品也具有质量轻和性能好等特点,符合现代绿色化发展要求。但在前期研究中,多数为无水介质辅助的短纤维增强聚合物注塑成型或者无短纤维增强聚合物的水辅助注塑成型的研究,且这些研究主要都是基于由弧线构成的型腔结构,而对短纤维增强聚合物水辅助注塑成型纯直线构成的方形管材的相关研究很少。为探究其成型过程和成型机理,本文采用短玻璃纤维增强聚丙烯材料,运用模拟和实验相结合的方式,研究了注射方法、工艺参数和玻纤含量对制件残余壁厚、水穿透长度、水穿透截面形状、制品缺陷及纤维取向的影响,为优化生产提供一定的理论与技术支持。本文主要研究内容如下:1)对水辅助注塑成型技术的起源、发展和技术原理进行了简单介绍,并从宏观性能、微观性能、材料选择和数值模拟方法等不同角度分析了其研究现状,最后阐述了本文研究的意义和内容。2)根据水辅助注塑成型技术的特点,介绍了研究过程中采用的总体研究方案、模拟与实验平台、设备及模具结构、实验材料和理论模型,即研究能顺利进行的技术理论支持和条件保障。3)采用单因素法研究了不同工艺参数和玻纤含量对制件残余壁厚和穿透长度的影响。分析结果发现随着熔体温度和注水压力的增加,制件残余壁厚逐渐减小,而随着注水延迟时间和玻纤含量的增加,制件残余壁厚逐渐增大;将每个截取点对比后发现,四种不同影响因素下,制件最大残余壁厚一般出现在水的穿透中段位置,最小残余壁厚则在靠近注水口附近位置,即壁厚从注水端到穿透末端的变化趋势总体上是先增大后减小的,且制件前半段壁厚变化幅度大于后半段壁厚变化幅度,而在总体变化幅度上,注水延迟时间影响下的残余壁厚变化幅度最小;还发现随着熔体注射量和注水压力的增加,制件的水穿透长度逐渐减小,而随着注水延迟时间和玻纤含量的增加,水的穿透长度逐渐增加。4)同样采用单因素法,对注射方法、工艺参数和玻纤含量对制件水穿透截面形状的影响进行了探究,并分析了制件出现的缺陷。发现在溢流法制件中水的穿透截面形状圆率更高,而短射法成型制件水穿透截面形状则更接近型腔截面形状,且溢流法制件总体壁厚比短射法制件大;不同工艺参数和玻纤含量对水穿透截面形状影响较小,只是穿透截面面积大小有些许改变;通过在溢流法和短射法制件沿流动方向的型腔不同段处进行切面,更详细的研究了制件型腔中水穿透截面形状的变化,发现在水穿透过程中,溢流法制件总体上圆率较高,但在末端有接近型腔截面形状的趋势,而短射法制件前段部分形状有些偏离型腔截面形状,从中段开始,水穿透截面形状则类似型腔截面形状;研究还发现了成型制件存在一些缺陷,主要是方形截面制件四个直角处出现收缩,产品表现为收缩孔现象,且短射法制件未穿透段收缩变形严重,同时制件中还有爆破、中部阻断、截面分层及空洞和穿透末段丝状材料等缺陷。5)在微观研究方面主要针对制件中的纤维取向,分析了注射方法、工艺参数和玻纤含量对纤维取向的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)观测后发现,溢流法制件壁厚方向上的纤维取向在整个穿透长度上分布较均匀,分层现象比较明显,而短射法成型制件穿透前段纤维取向较低,而穿透后段纤维取向较高,整体上分布较不均匀,另外,两种注射方法的制件在靠近注水端的纤维取向有序区域都较小;在型腔四个直角处的纤维取向都要比对应的竖切面上高,且溢流法制件直角处的纤维取向度比短射法高;在研究不同工艺参数和玻纤含量对纤维取向的影响后发现,制件壁厚方向上的纤维取向随着熔体温度的升高而增高,随着注水压力的增加而先增大后减小,当注水延迟时间增加时,纤维取向相应的减小,而玻纤含量的增加亦会使制件的纤维取向减小,短射法成型制件中,熔体注射量的增加,壁厚方向上纤维取向的有序区域增大。

关键词：短纤维增强聚合物水辅助注塑成型方形管材穿透截面形状纤维取向

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