振动方式对微型塑料构造效应的研讨

    1实验部分
    11实验原料及配方工业液体二氧化碳（CO2）：纯度大于99，广州市金珠江化学有限公司；聚苯乙烯（PS）树脂：牌号GPPS535，粒料，中国石化股份有限公司广州分公司；聚氯乙烯（PVC）树脂：粉料，牌号ZS85，天津渤天化工有限责任公司。
    PVC的配方（质量份）为：PVC树脂粉100份，有机锡2份，聚乙烯蜡01份，丙烯酸酯类抗冲改性剂（ACR）4份，邻苯二甲酸二辛酯（DOP）2份，以上助剂均为市售。
    12实验设备和仪器
    超临界流体恒压供应装置和动态发泡实验装置：华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心研制，详细描述可见文献；平板硫化机：QLB25D/Q，无锡市第一橡塑机械设备厂；高速混合机：GH100Y，北京市塑料机械厂；电子天平：BP211D，德国SartoriusAG；飞溅喷金仪：E1010，日本HITACHI；扫描电子显微镜（SEM）：XL30EFG，荷兰PHILIPS.
    13实验步骤
    首先将PVC粉料与各种助剂按比例在高速混合机中混合，然后用自制的热压传递模在平板硫化机上将PS粒料或已配混好的PVC混料制备成内径为45mm、外径为49mm、高8mm的环形试样。将两片环形试样放入动态发泡模拟机的发泡舱中，接着对发泡舱进行升温，温度达到设定值（PS为140，PVC为160）后保温10min，然后启动电机，设置转子的转速，实验采用两种转子转速45r/min和85r/min，对应的剪切速率分别为40s-1和80s-1。待转子的转速稳定后向发泡舱通入超临界CO2，先用小流量的CO2气体吹洗试样15s，以排除发泡舱中的空气，然后关闭发泡舱上的排气阀，继续通入超临界CO2，使发泡舱的压力保持为12MPa.启动激振器，设置转子的振幅和振频，对发泡舱中的聚合物熔体施加振动。待发泡舱保压一定的时间后（PS为3min，PVC为2min），关闭电机和激振器，同时以极大的速率释放发泡舱的压力，使试样发泡。当压力释放至大气压后，对发泡舱进行风冷，待温度降为110？时打开发泡舱，取出发泡试样。最后将发泡试样在液氮中脆断，断面用飞溅喷金仪镀一层约1nm厚的金粉，在扫描电子显微镜下对泡孔结构进行观察拍照。用动态发泡法准备PS和PVC微孔塑料的工艺流程图如所示。
    2结果与讨论
    21振动对PS微孔塑料机械泡孔结构的影响
    为了研究剪切速率对PS微孔塑料泡孔结构的影响，实验分别采用了两种剪切速率：40s-1和80s-1。可看出，当不施加振动时，在较低的剪切速率下，PS的泡孔密度较低（泡孔密度约为7　107个/cm3），泡孔直径较大（平均泡孔直径约为50m），但泡孔的形状较圆；当剪切速率提高到80s-1时，虽然泡孔密度提高，泡孔直径也减小，但泡孔显然被拉长了，有些甚至合并在一起形成了较大的泡孔。
    在低剪切速率下加入振动频率（f）为25Hz，振幅（A）为50m的弱振动作用之后，泡孔密度显著提高（泡孔密度约为5　108个/cm3），泡孔直径也显著减小（平均泡孔直径约为20m），泡孔的形状也较圆；当在高剪切速率下施加相同强度的振动时，与不施加振动相比，虽然泡孔密度有所降低，泡孔直径有所增加，泡孔为球形。在低剪切速率下加入f为75Hz，A为100m的强振动作用之后，PS的泡孔结构与不施加振动时相比，泡孔密度稍有提高，泡孔直径稍有减小，但泡孔壁变厚了；当在高剪切速率下施加相同强度的振动时，与施加弱振动相比，泡孔密度降低，泡孔直径也减小，但泡孔分布不均匀，泡孔壁也变得非常厚。这可能是因为过强的振动作用使熔体产生了大量剪切耗散热，导致熔体温度升高、粘度减小，气体的扩散速度也加快，于是气泡还来不及膨胀就从熔体中逸出。
    22振动对PVC微孔塑料泡孔结构的影响
    PVC是一种对剪切非常敏感的聚合物材料，在发泡过程中要更加严格的控制剪切作用。不同工艺条件下制得的PVC微孔塑料泡孔结构的SEM照片。
    可以看出，当不施加振动时，在低剪切速率下，泡孔密度很低，泡孔没有形成规则的形状；随着剪切速率的提高，尽管泡孔密度有所提高，但泡孔孔径分布非常不均匀，泡孔在切应力方向被拉伸的趋势也很明显。
    在低剪切速率下加入f为5Hz，振幅A为50m的振动作用之后，PVC内部形成了大量小泡孔，但泡孔的分布仍然很不均匀，有些地方泡孔很大，有些地方甚至没有形成泡孔；当在高剪切速率下施加相同强度的振动时，与不施加振动时相比，虽然泡孔密度有所降低，泡孔直径也有所增加，但泡孔形状基本保持为球形，且分布较也较为均匀。在低剪切速率下加入f为10Hz，A为100m的强振动作用之后，与施加弱振动相比，泡孔结构明显改善，平均泡孔直径约为50m，泡孔密度约为5　107个/cm3；当在高剪切速率下施加相同强度的振动时，与施加弱振动时相比，泡孔结构被严重破坏。这可能是因为过强的振动作用使PVC熔体产生了大量剪切耗散热，使得熔体温度迅速升高，导致气体扩散速度过快，而熔体的粘度和强度又太低，使得气泡发生了塌陷和破裂。
    3结论
    1）在低剪切速率下，即当气泡成核动力不足时，施加一定的振动作用可以促进气泡成核，提高泡孔密度，减小泡孔直径。对于PS，施加较弱的振动作用就可显著改善泡孔结构，而PVC则需施加较强的振动作用才能达到同样的效果。
    2）在高剪切速率下，施加一定的振动作用虽然对提高泡孔密度、减小泡孔直径的贡献不大，但泡孔形态可以得到改善，基本保持为球形，防止泡孔在剪切应力方向上发生拉伸取向。
    3）在高剪切速率下，施加强振动作用有可能破坏泡孔结构。