添加HMWPE的HDPE诱导体系在复合应力场下所成型管材的结构与性能的研究

论文摘要

HDPE管材是一类应用广泛的型材，但传统管材周向强度较低，在输送高压流体时，往往很难满足实际的要求。到目前为止，国内外学者就管材增强技术进行了广泛的研究，但这些研究中关于通过在相对低分子量的HDPE中加入少量相对高分子量的HDPE(HMWPE)进行诱导结晶而增强的的研究还刚刚起步。本课题组长期致力于聚烯烃管材的双向自增强技术的研究，本论文就是在前人工作的基础上，将添加有少量HMWPE的诱导体系，通过自制的剪切拉伸双向复合应力场装置，对所挤出的自增强管材的性能与结构进行了继续与深入的研究。首先研究了三种代表不同分子量的HDPE纯料在相同温度，不同周向剪切转速的工艺下所挤出管材的结构与性能。结果发现每种纯料经过复合应力场后，周轴两向拉伸强度都明显提高，其中周向上的提高幅度最为显著。与常规挤出(未通过复合应力场)的管材相比，HDPE(2480)周向拉伸强度最高增幅为24.1％，轴向拉伸强度最高增幅为12.7％。采用SEM，WAXD,DSC等现代测试技术对试样内部形态结构进行表征后得到：经过复合应力场后，管材内部仍然为球晶结构，但晶粒得到了细化，结晶度增大，晶体发生了取向，取向方向是与周轴互成一定夹角。本实验重点研究了在相对低分子量HDPE中添加少量HMWPE的诱导体系通过复合应力场所挤出管材的结构与性能。结果发现：诱导体系在复合应力场中制备的管材比纯料在复合应力场中制备的管材实现了更大幅度的双向自增强：其中HDPE 5421B(2％)：HDPE 2480(98％)诱导体系相较于纯料在周轴两向上拉伸强度分别增长了32％，2.3％；HDPE 5421B(6％)：HDPE 2480(94％)诱导体系相较于纯料在周轴两向上拉伸强度分别增长了49％，6.9％；HDPE 5421B(10％)：HDPE 2480(90％)诱导体系相较于纯料在周轴两向上拉伸强度分别增长了35％，6.4％；通过SEM，WAXD，DSC等测试技术对管材内部的形态结构进行表征，我们确认这种增强机理属于剪切诱导结晶的增强。本实验中，HMWPE含量为6％的诱导体系所产生的诱导结晶的效果最好。HMWPE太少，则形成的线核数目不够，不能很好地诱导结晶；HMWPE太多，那么它自己也会结晶或者分子链会缠结在一起，而不会很好得起到促进HDPE结晶的晶轴的作用。每一个诱导体系，都有一个最佳剪切套转速(本实验中一般为20r／min)。转速过低，造成周向取向的剪切力场弱，取向不明显；然而剪切套转速的不断加快，剪切发热增大，解取向加剧，取向结晶结构又被分解。每一个诱导体系，都存在一个最佳剪切应力场温度，使管材获得最佳力学性能。温度过低，附生片晶的分子没有获得足够的活动能力，附生片晶不能形成良好的互锁结构，并且挤出困难，制品外形不佳且熔接痕明显；温度过高，解取向加剧，取向结晶结构被分解。冷却方式的不同导致管材的力学强度也产生差异。置于空气中自然冷却的力学强度高于置于水中骤冷的力学强度。故本课题的研究对于促进HDPE管材性能的改善，揭示HDPE诱导体系在复合应力场下成型管材时力学性能和微观形态的关系、工艺参数与力学性能的关系有着积极的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 塑料管材在国民经济生活中的重要地位
• 1.2 普通塑料压力管的结构、性能与缺陷
• 1.2.1 聚乙烯塑料管的晶态和非晶态
• 1.2.2 普通塑料管受内压情况
• 1.2.3 目前塑料管材的增强情况
• 1.3 自增强技术
• 1.3.1 自增强概述
• 1.3.2 自增强研究现状
• 1.4 HDPE的晶体模型及自增强机理
• 1.4.1 HDPE的晶体模型
• 1.4.2 串晶结构的形成
• 1.4.3 外场下结晶
• 1.5 本课题的研究目的和主要研究任务
• 1.5.1 本课题的研究意义
• 1.5.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 HDPE纯料在复合应力场中挤出的结构与性能
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 挤出工艺
• 2.2 测试与表征
• 2.2.1 力学性能测试:
• 2.2.2 扫描电镜（SEM）测试:
• 2.2.3 广角X衍射（WAXD）测试:
• 2.2.4 DSC测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 力学性能测试结果及分析讨论
• 2.3.1.1 周向力学性能的变化及分析讨论
• 2.3.1.2 轴向力学性能的变化及分析讨论
• 2.3.1.3 周轴两向性能的比较
• 2.3.2 SEM测试结果及分析讨论
• 2.3.3 WAXD测试结果及分析讨论
• 2.3.4 DSC测试结果及分析讨论
• 2.4 本章小结
• 2.4.1 力学性能
• 2.4.2 SEM图片
• 2.4.3 WAXD分析测试结果
• 2.4.4 DSC分析测试结果
• 2.5 复合应力场中管材增强机理探讨
• 第三章 HDPE诱导体系在复合应力场中成型管材的结构与性能
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料与原料配比
• 3.1.2 实验装置
• 3.1.3 挤出工艺
• 3.2 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 力学性能测试结果及分析讨论
• 3.3.1.1 周向力学性能的变化及分析讨论
• 3.3.1.2 轴向力学性能的变化及分析讨论
• 3.3.1.3 周轴两向性能的比较
• 3.3.1.4 剪切套转速对管材力学性能的影响
• 3.3.1.5 诱导体系的配比对管材力学性能的影响
• 3.3.2 SEM测试结果及分析讨论
• 3.3.2.1 复合应力场中,诱导体系与纯料的SEM图片比较
• 3.3.2.2 同一诱导体系,不同剪切套转速的SEM图片比较
• 3.3.3 WAXD测试结果及分析讨论
• 3.3.3.1 复合应力场中,诱导体系与纯料的WAXD测试结果比较
• 3.3.3.2 HMWPE含量对WAXD测试结果的影响
• 3.3.4 DSC测试结果及分析讨论
• 3.4 本章小结
• 3.4.1 力学性能
• 3.4.2 SEM图片
• 3.4.3 WAXD测试结果
• 3.4.4 DSC测试结果
• 3.5 诱导体系增强机理探讨
• 第四章 剪切应力场温度和冷却方式对诱导体系管材结构与性能影响
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料和配比
• 4.1.2 实验装置
• 4.1.3 挤出工艺
• 4.2 测试与表征
• 4.2.1 力学性能测试:
• 4.2.2 扫描电镜（SEM）测试:
• 4.2.3 WAXD测试:
• 4.2.4 DSC测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 力学性能测试结果及分析讨论
• 4.3.1.1 剪切应力场温度对管材周向力学性能的影响
• 4.3.1.2 剪切应力场温度对管材轴向力学性能的影响
• 4.3.1.3 冷却方式对力学性能的影响
• 4.3.2 SEM测试结果及分析讨论
• 4.3.2.1 不同剪切应力场温度下所挤出管材的SEM图片
• 4.3.2.2 不同冷却方式下所挤出管材的SEM图片
• 4.3.3 WAXD测试结果及分析讨论
• 4.3.3.1 不同剪切应力场温度下所成型管材的WAXD曲线
• 4.3.3.2 不同冷却方式下管材的WAXD曲线
• 4.3.4 DSC测试结果及分析讨论
• 4.3.4.1 HDPE 5421B（2%）:HDPE 2480（98%）体系
• 4.3.4.2 HDPE 5421B（6%）:HDPE 2480（94%）体系
• 4.3.4.3 HDPE 5421B（10%）:HDPE 2480（90%）体系
• 4.3.5.4 不同冷却方式下所成型管材的DSC测试
• 4.4 本章小结
• 4.4.1 力学性能
• 4.4.2 SEM图片
• 4.4.3 WAXD测试结果表明
• 4.4.4 DSC测试结果:
• 4.5 剪切应力场温度对管材增强效果影响的机理
• 4.6 冷却方式对管材力学性能的影响机理
• 第五章 总结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表情况:
• 致谢