聚合物材料界面强度建模与超声辅助挤出研究

### 聚合物材料界面强度建模与超声辅助挤出研究 在当今材料科学领域，对于聚合物材料的研究不断深入，旨在开发出性能更优、更环保的材料。本文将聚焦于两类重要的研究：聚丁二酸丁二醇酯（PBS）/聚丙烯（PP）多层注塑件的界面强度建模，以及两种热致液晶聚合物（LCP）共混物的超声辅助挤出。 #### 一、PBS/PP多层注塑件界面强度研究 ##### 1.1 研究背景 为了节约石油资源和应对全球变暖问题，生物基塑料的应用日益广泛。然而，这些生物基塑料在机械性能、化学耐久性和加工性能方面存在不足。聚丙烯作为一种传统的石油基塑料，具备良好的性能。三明治注塑成型是一种平衡环保性能和实用性能的有效方法，即将生物基塑料封装在聚丙烯皮层中。但注塑件的质量很大程度上取决于皮层和芯层之间的界面强度。 ##### 1.2 实验材料与方法 - **材料**：皮层材料为日本聚丙烯公司的PP，熔体指数为30g/10min（230°C，2.16kg）；芯层材料是聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、不同熔体指数（8 - 150g/10min，230°C）的PP和增容剂的混合物，根据组成分为A、B、C、D四个样品。 - **试样制备**：使用50吨超高速共注塑成型机（UM50）制备哑铃形试样（175x10x3 mm³），用于剥离和划痕测试。 - **测试方法** - **180°剥离测试**：将皮层从芯层剥离，测量粘合力。 - **划痕测试**：使用符合ASTM D7027 - 05 / ISO 19252的划痕测试仪，在不同划痕速度下逐渐增加法向载荷，估计临界分层载荷，并使用数字显微镜观察划痕沟的宽度和深度。 - **数值模拟**：使用商业软件LS - DYNA进行有限元模拟，假设靠近皮层的0.1mm薄区域为界面层，通过调整临界应力或应变值，使模拟的剥离载荷与实验值匹配。 | 样品 | 芯层PP熔体指数（g/10min） | | ---- | ---- | | A | 8 | | B | 30 | | C | 100 | | D | 150 | mermaid图如下： ```mermaid graph LR A[制备试样] --> B[180°剥离测试] A --> C[划痕测试] B --> D[测量粘合力] C --> E[估计临界分层载荷] C --> F[观察划痕沟] D --> G[数值模拟] E --> G F --> G ``` ##### 1.3 实验结果与讨论 - **形态与界面结合**：较高熔体指数的芯层PP倾向于形成基体并覆盖PBS区域，有助于皮层和芯层之间的强界面结合，理论上应导致更高的剥离强度。但材料D的熔体指数增加时，剥离强度降低，无法用此机制解释。 - **划痕测试结果**：材料C在划痕测试中显示出最大的临界分层载荷。划痕速度越高，临界分层载荷越高，但快速变形可能导致更大的损伤，从而降低临界分层载荷。 - **模拟分析** - **划痕测试模拟**：首先忽略分层，模拟划痕过程中不同划痕速度下的应力和应变历史。较高的划痕速度导致较小的残余应变，这与PP的屈服应力对应变率的依赖性有关。模拟显示，高速划痕时，划痕探针在法向方向上的移动较浅，从而带来更高的临界分层载荷。 - **剥离测试模拟**：通过模拟确定界面强度，使模拟的剥离载荷与实验值匹配。结果表明，应变定义的准则更能合理描述界面层的选择性破坏。 #### 二、两种热致液晶聚合物共混物的超声辅助挤出研究 ##### 2.1 研究背景 液晶聚合物（LCP）具有高度取向的纤维状结构，使其在纤维和注塑件中具有优异的机械性能。一些LCP共混物通过改善LCP原纤化可实