剪切速率和保压冷却温度对制品翘曲变形影响微观分子形态研究

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聚合物注塑成型是熔体由喷嘴填充到模具型腔并最终成型塑料制品的一个非等温非稳态流动成型过程,在充模流动和保压冷却阶段熔体同时受到剪切场和压力场的共同作用,因而其微观聚集形态和结构将发生一系列复杂变化,并最终影响到成型制品的力学性能和尺寸稳定性等宏观物理性能。因此,深入分析注塑成型过程中聚合物分子链的微观聚集形态和结构分子演变机制,将有助于在深层次上探索聚合物注塑成型宏观缺陷形成机理,并为产品质量提升和新工艺开发提供理论依据和科学指导。  本文以等规聚丙烯(PP)为研究材料,构建20条聚合度为100的全原子分子晶胞模型,在通过能对晶胞模型进行结构优化和平衡后,获得稳定的初始平衡构象。根据聚合物流动充模特点,对平衡后的PP分子链团进行不同剪切速率下的充模流动模拟。在剪切流动结束后,以剪切终态构象作为保压冷却的初始构象,对PP晶胞进行恒定压力条件下的冷却降温模拟。以模拟结果为依据,分别从分子链形态演变、能量响应和分子结构变化三个角度考察聚丙烯分子链微观聚集形态结构演变对制品宏观翘曲变形的影响微观机制。  研究结果表明:在充模流动过程中,随着剪切速率的增大或剪切时间的延长,PP 分子链缠结网络逐渐被破坏,分子链发生解缠结并从缠结网络中脱离,通过分子链上 C-C 单键的内旋转,逐渐形成沿流动方向的流动取向。流动过程中剪切速率越大,分子链取向程度越来越大,体系能量迅速增大并剧烈波动,因此在冷却脱模后分子链将被冻结在极度不稳定取向态;在保压冷却过程中随着温度的降低,PP 分子链迁移和运动活跃性显著降低,体系势能和动能不断降低,在形态上分子链由于弹性作用将发生明显弹性收缩,同时趋向于重新聚集形成新的缠结网络,但由于冷却降温取向态的分子链无法充分回复至初始的无规缠绕状态,因而分子链仍然处在取向拉伸状态,从而在制品内部形成较大的翘曲变形,最终导致冷却脱模后发生翘曲变形。
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