利用分子取向制备高强度聚合物管材的研究.doc

利用分子取向制备高强度聚合物管材的研究韩敬华摘要本文通过讨论聚合物流变性,取向等与物理机械性能的关系,阐述了利用口模牵伸的方法制备高强度 PVC 管的原理及实现方法。文中还给出相关的计算及制备这种管所用的原料要求。关键词自增强取向口模牵伸 MOLECULAR ORIENTATION PROCESS FOR DIE DRAWING PROCESS PROMISES SUPPER-STRONG PIPE Abstract In this article the theory and importance of hoop self-reinforcement of polymer pipes were discussed and a method of producing PVC tube is described where the tube was biaxially drawn to achieve orientation in the hoop and axial directions. And it also gives calculating method about the die ’s dimension and raw materials which applied to this processing. K eyword : self-reinforcement orientation die drawing 一前言衡量结构材料性能优劣的主要指标是模量和强度。聚合物材料的实际模量及强度值远远未达到其理论值。因此,高分子材料的增强成为近年比较热门的研究课题。造成半结晶高聚物强度和模量的实际值与其理论值差别大的主要原因可以归结为三点: 1)高聚物是粘弹性体,其强度和模量随温度和时间而变; 2)实际聚合物中含有一定量的自由体积; 3) 实际聚合物的分子链处于卷曲和迭合状态,链与链之间是以具有较低结合能的范德华力( 40KJ/Mol )或氢键结合的, 所以很大一部分变形并不由主干链的拉伸来承担。高强度聚合物主要有工程塑料和增强塑料两种。工程塑料的模量和强度比较高, 能够满足某些场合对高性能聚合物材料的部分要求。但与此同时,工程塑料也存在一些不足之处,如产量低、价格昂贵、加工性能差等。对于某些对高性能聚合物材料需求量大,要求价格低廉,易于成型的场合,就往往要考虑使用增强塑料。根据以上对造成高聚物模量和强度实际值与理论值差别的原因的分析,经过研究人员在这方面的不断努力,已经得到公认和采用的塑料增强方式分为添加剂增强( additive-based reinforcement )和自增强( self-reinforcement )两种。所谓自增强是指通过一些物理手段,控制材料的结晶状态,使材料组织中形成刚性结构或伸直链晶体,即改变聚合物的聚集态结构,从而使聚合物材料得到内在增强的效应。自增强材料内部大分子沿应力方向有序排列,在化学键能一定的情况下, 材料的宏观强度得到大幅度提高,同时分子链的有序排列将使结晶度提高,从而使材料的强度进一步提高。早在 60 多年前,因聚合物研究的卓越成果而获诺贝尔奖的 Staudinger 教授指出, 通过有意识地利用大分子链内和大分子间地不同作用力,尽可能地伸展以 C-C 键结合的大分子链,造成链的刚直取向,就有可能获得高模量高强度的聚合物材料。上世纪七十年代初出现的高模量聚乙烯的研究证明:即使是典型的柔性链高分子,如能极度地提高其取向度和结晶度,则至少在纤维轴向可以得到足以和钢铁匹敌的模量和强度。自增强和过去常用的外增强方法如纤维或粉末填料增强的效果相同,但是自增强材料的增强相和基体属于同样的分子结构,两者之间完全相容,不存在外增强中的界面问题,也不会因为提高了制品的密度(玻纤与碳纤的密度分别为 - 3, 3 )而降低成型性能。因此,自增强材料具有整体结构的优异和高的比强度、比刚度、尺寸稳定性、较高的冲击韧性、耐化学腐蚀、热弹性模量、更低的热膨胀系数以及理论抗拉强度高等潜在力学性能。按加工时聚合物的相态来分,目前获得高强度、高模量自增强材料的方法可分为两大类:第一类是利用固相下的大范围形变来实现的,即在很大的形变作用下,材料内部的分子高度取向。主要包括固相挤出(冷拉) 、口模牵伸、超级拉伸等,这种方法在纤维的加工中得到了极为广泛的应用。第二类是熔/溶相变法, 即设法在高分子熔体或溶液中产生一种规整的伸直链结构,再通过某种方法将这些伸直链结构固定。主要包括高压挤出、剪切控制取向技术,以及各种形式的纺丝和芳香族聚酰***生成液晶的方法等。二口模牵伸理论的提出及阐述口模牵伸是一种有效的自增强工艺,可以生产丝、棒、片及管材。口模牵伸自增强管材的生产工艺在国外已经趋于