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玻璃纖維是最具有代表性的可使塑料獲得顯著增強(qiáng)效果的填充材料; 聚丙烯 ( PP) 通過(guò)玻纖增強(qiáng)后，除保持原有的良好性能外，強(qiáng)度、硬度和剛性大大提高，且具有良好的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和低溫沖擊性及耐電弧性能，收縮率減少。但纖維的加入會(huì)造成體系流變性能的下降，在注塑成型的時(shí)候制件易產(chǎn)生浮纖。本文通過(guò)研究普通玻纖增強(qiáng)前后 PP 流變行為的變化，分析了玻纖對(duì)PP體系流變性能的影響，為工藝改進(jìn)提供指導(dǎo)。

 

1、實(shí)驗(yàn)部分

 

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器

 

高壓毛細(xì)管流變儀;   二次元影像量測(cè)儀

 

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

 

PP 樹(shù)脂 ( PP) : 熔體質(zhì)量流動(dòng)速率 ( 230 ℃ ，2.16 kg)  為 6. 20 g /10min，市售; 15% 玻纖增強(qiáng) PP ( 15% GFPP ) : 熔體質(zhì)量流動(dòng)速率 ( 230 ℃ ，2. 16 kg) 為7. 42 g /10min，市售。

 

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

 

毛細(xì)管流變儀選擇長(zhǎng)徑比為30∶1，入口角為180°的口模;剪切速率為175、306、535、935、1635、2859、5000 s－1; 實(shí)驗(yàn)溫度為 200、210、220、230、240 ℃;   恒溫時(shí)間為 6 min，在恒剪切速率下將熔體從毛細(xì)管中擠出，自動(dòng)記錄剪切應(yīng)力，并將不同剪切應(yīng)力下的擠出物在二次元影像量測(cè)儀下觀察表面情況。

 

2、結(jié)果與討論

 

2.1 非牛頓指數(shù)和稠度

 

 

從表1中可以看出，隨著溫度升高，PP與15% GFPP的K值減少，n 值增大，即熔體流動(dòng)行為偏離牛頓流體的程度減少，增強(qiáng)后的體系比未增強(qiáng)減少程度低。增強(qiáng)后體系的 K 值增大而 n 值減少，這表明玻纖的加入使PP的非線性性質(zhì)增強(qiáng)。

 

 

由表2可以看出，15%玻纖增強(qiáng)后，體系表觀黏度對(duì)剪切敏感性提高而對(duì)溫度敏感性降低。下面進(jìn)行具體分析。

 

2.2表觀黏度

 

剪切黏度是高分子材料流變性質(zhì)中最重要的材料函數(shù)之一，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高分子材料的剪切黏度受眾多因素影響。其中，剪切和溫度的影響尤為明顯。

 

熱塑性塑料在剪切速率為10s－1或 100s－1 時(shí)的黏度與剪切速率為1000s－1時(shí)的黏度之比，可作為聚合物剪切敏感性的指標(biāo);將在給定剪切速率 (100s－1或1000s－1) 下相差40 ℃ 的兩個(gè)溫度下剪切黏度的比值作為溫度敏感性指標(biāo)。

 

2.2.1表觀黏度與剪切速率的關(guān)系

 

試樣 lnηα－ln •曲線關(guān)系如圖 2 所示。

 

 

由圖2可知，在相同條件下，15%GFPP 比PP 的表觀黏度大，即玻纖的加入造成體系表觀黏度變大。從圖 2 還可以看出，PP 和 15%GFPP 的表觀黏度都隨剪切速率提高而下降，而15%GFPP 下降的程度比PP大，這表明 15%玻纖的加入使 PP 對(duì)剪切的敏感程度增加，其原因?yàn)椴＠w的加入使體系與儲(chǔ)料筒和口模的摩擦力增大。

 

由圖4可以看到，在相同的溫度下，高剪切速率擠出物比低剪切擠出物表面光滑，其原因?yàn)榧羟兴俾侍岣?，流?dòng)時(shí)間比松弛時(shí)間短，致使 PP 中的大分子鏈來(lái)不及完全松弛，這樣PP分子鏈的法向力減少; 再加上剪切速率提高后，影響流動(dòng)的大分子纏結(jié)點(diǎn)被拆除，玻纖更易于隨流場(chǎng)發(fā)生取向。這樣擠出物浮纖相對(duì)減少，表面光滑。

 

2.2.2 表觀黏度與溫度的關(guān)系

 

黏流活化能 Eη 是描述材料黏－溫依賴型的物理量。Eη 定義為流動(dòng)過(guò)程中，流動(dòng)單元用于克服位壘，由原為止躍遷到附近 “空穴” 所需的最小能量。Eη 既反映著材料流動(dòng)的難易程度，更重要的是反映了材 料黏度變化的溫度敏感性。

 

圖 3 不同剪切速率下的黏流活化能

 

由圖3可以看出，在2859 s－1之前，15% GFPP 的黏流活化能小于PP。PP 樹(shù)脂的 E γ• 隨著剪切速率的增大而減少，而 15%GFPP 體系的 E γ• 在剪切速率大于305 s－1以后趨于穩(wěn)定。

 

結(jié)合圖 15%GFPP 毛細(xì)管擠出物放大圖片，可以看出 15% GFPP 擠出物的表面較粗糙。在15% GFPP 熔融體系中，PP樹(shù)脂為流動(dòng)連續(xù)相，而玻纖為分散相。在毛細(xì)管流場(chǎng)中，毛細(xì)管中心的流速快而越靠近管壁流速越慢，再加上 PP 熔體存在彈性，因而體系在流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)候，剛性的玻纖會(huì)被 “推” 到管壁，在305～ 2 859 s－1間體系在流動(dòng)方向受到的阻力大部分為玻纖與管壁的摩擦力，即體系在口模中發(fā)生壁滑。從圖 3 可以看到，當(dāng)剪切速率超過(guò)約3 000 s－1 后15%GFPP 體系的 Eγ• 略變大，而圖 4e 和 4f 顯示在較大剪切速率下，擠出物表面的玻纖明顯減少，說(shuō)明體系在流經(jīng)毛細(xì)管口模的時(shí)候，在管壁處一部分樹(shù)脂將玻纖包覆，使體系與管壁發(fā)生黏附，造成體系的黏流活化能變大。

 

圖 4 15%GFPP 毛細(xì)管擠出物 ( ×105)

 

從圖4中可以看出，在相同的剪切速率下，240℃ 擠出物比 200 ℃ 擠出物表面光滑。

 

3、結(jié)論

 

在PP中加入15%玻纖后，體系的稠度增大，非牛頓指數(shù)減小。

 

剪切速率為305～2 859 s－1 區(qū)間，15%GFPP 在高壓毛細(xì)管流變儀口模中會(huì)發(fā)生壁滑作用，此區(qū)間體系粘流活化能趨于穩(wěn)定。

 

提高熔體溫度和增大剪切速率都可以使擠出物的表面浮纖減少。