聚偏氟乙烯成型工艺与力学性能研究.pdf

聚偏氟乙烯成型工艺与力学性能研究 S t u d yo nF O r m i n gP r o c e s sa n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fP V D F 中航商用航空发动机有限责任公司陈巍 上海工程技术大学张效迅张才宝 【摘要】通过试验，研究了不同工艺参数注塑成型 的P v D F 试样以及同等工艺参数下不同质量百分比短 切纤维增强P v D F 的力学行为，探讨了熔体温度、注射 压力以及增强纤维含量对P V D F 力学性能的影响趋势， 为P v D F 的工程化应用提供参考。 关键词：聚偏氟乙烯复合材料注塑成型 I A B S T R A C T lT h em e c h a n i c a lb e h a V i o ro fP V D F c o u p o nw h i c hi sm o l d e db yd i f 诧r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si ss t u d i e db ye x p e r i m e n t ，a n dt h em e c h a n i c a lb e h a V i o ro fP V D Fw h i c hi sr e i n f o r c e db yd i f 蕾e r e n tp e r c e n t a g e o fs h o nc a r b o nf i b e ri sa l s os t u d i e d T h ee f r e c tt e n d e n c vo f m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r ea n dt h e 矗b e rp e r c e n t a g eo nm e c h a n i c a lb e h a V i o ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r T h e a i mi st op m V i d et h er e f e r e n c ef o rm a n u f a c t u r i n g K e y w o r d s ：P V D FC o m p o s i t e sI n j e c 廿o nm o I d i n g D o I ：1 0 1 6 0 8 0 i i s s n l 6 7 1 - 8 3 3 x 2 0 1 5 1 5 1 4 4 聚偏氟乙烯( P V D F ) 是由偏氟乙烯( V D F ) 通过均 聚或共聚而成的含氟树脂。P V D F 树脂兼具氟树脂和通 用树脂的特性，除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、 耐氧化性、耐气候性、耐紫外线、耐辐射性能外，还有压 电性、热电性等特殊的性能五】。在含氟树脂中，P V D F 具有最高的抗张强度和抗压缩强度以及出色的加工性 能。P V D F 的熔点( 约1 7 0 ) 与分解温度( 3 1 6 ) 相 差1 0 0 以上，热稳定性高，因而具有良好的成形加工 条件。 通常情况下，通过短纤维增强，可以获得更高力学 性能的P v D F 制品，因此，在某些条件苛刻的场合下， P V D F 甚至可以取代钛合金、哈氏合金、蒙乃尔合金等材 料，也被誉为合成树脂中的“贵金属”，在航空领域具有 一定的应用前景。 P V D F 的主要成型方式为注塑成型，熔体温度、模具 温度等注塑成型工艺参数的控制对于P V D F 注塑成型 的力学行为有很大的影响| 3 。5 】。因此，开展对P V D F 注 塑成型工艺与力学性能的研究，对在工程中正确设计 P V D F 制品，掌握其机械性能和评价产品质量具有非常 重要的意义。 1 4 4 航空制造技术2 0 1 5 年第1 5 期 1试验 ( 1 ) 试验目的：通过控制注塑工艺的变化制备力学 拉伸试样，通过拉伸试验，测试其力学行为，观察注塑工 艺对于力学行为的影响。通过在P V D F 材料中添加一 定量的短切纤维，分析比对增强纤维对P V D F 力学性能 的影响。 ( 2 ) 试验材料：试验所用P V D F 和短切纤维均为国 产材料，短切纤维直径为7 “m 。 ( 3 ) 试验仪器：注塑成型使用震雄E A S Y M A S T E R 图1 试验用E M 8 0 V 注塑机 F i g 1l n j e c t i o nm o I d i n gm a c h i n ef o re x p e m e n t 注塑机，型号E M 8 0 一V ，如图1 所示。 试验称量设备使用佰伦斯电子秤。拉伸试验在 A G 一2 5 T A 电子万能材料试验机上进行。 ( 4 ) 试样制备。P V D F 试样尺寸如图2 所示，图3 为试验用模具。 从图3 可以清晰地看到模具的型腔以及其进胶的 路线和顶出位置。 用吊车将图3 中所示模具安装注塑机上，调整好模 具的闭合高度。注塑成型之前，要先用一定量的P V D F 材料对注塑机的机筒和喷嘴进行清洗，以防止在试样中 含有其他的杂质，完成注塑试验之后，要及时地将机筒 清洗干净，防止堵塞注塑机。 万方数据 O T H E R S其他 ( 5 ) 试验方案。注塑成型若干个不同注塑工艺参 数以及同等工艺参数下P V D F 与短切碳纤维增强P V D F 试样，对其进行力学拉伸试验，并对不同T 艺参数注塑 成型的P V D F 试样以及同等工艺参数添加不同量碳纤 维的P V D F 试样的力学行为对比。 图2P V D F 试样( m m ) F i g 2 P V D Fs p e c i m e n 图3 试验模具 F i g 3 M O I df O re x p er i m e n t 纤维增强P V D F 按照纤维质量百分比l ：2 0 0 ，1 ：1 3 3 和1 ：1 0 0 进行混合。称取3 份4 0 0 9 的P V D F 粉末，再 分别称取2 9 、3 9 、4 9 的短切碳纤维丝，分别将称取的短 切碳纤维丝添加到P v D F 粉中，混合均匀。 关于短切碳纤维丝不能选择长度太长的短切丝。 短切碳纤维丝过长，容易缠绕在注塑机的螺杆上下不 去，从而堵塞注塑机。短切碳纤维丝也不能添加过多， 由于碳纤维这种材料的熔点高，流动性差，注塑过程中， 碳纤维丝下不去，会造成注塑机堵塞。 影响P V D F 成型性能的主要参数有熔体温度、注射 压力、注射时间等。本试验重点讨论熔体温度( 即料温) 、 注射压力对材料力学性能的影响。本次试验的成型工 艺参数如表1 所示。其中，# 8 、# 9 、# 1 0 试样是分别在 4 0 0 9 的P V D F 粉中添加2 9 、3 9 和4 9 的短切碳纤维丝制 成的试样。 2 结果与讨论 对# l 1 0 试样进行拉伸试验，得出不同工艺条件下 和添加不同含量的短切碳纤维丝试样的抗拉强度，如表 2 所示。 对上述试验数据进行处理，得出试样弹性模量、抗 拉强度、屈服强度随注塑压力和料温的变化关系，如图 4 9 所示。 由图4 6 可以看出，在2 5 0 2 8 0 范围内，随着料 温的升高，注塑成型所得P V D F 试件的抗拉强度是先上 升，然后降低，波动的幅度很小；注塑所得的P V D F 试件 的屈服应力也会先升高再降低；注塑所得的P V D F 试件 的弹性模量逐渐减小，当料温进一步升高到2 8 0 时， 注塑所得P V D F 试件的弹性模量变得很小。 表1 注塑成型工艺参数 霞鳗鲻g 懑隧 穗 圈 鼬蕊羁嚣 # 12 2 02 5 02 5 0 6 06 0 3 038 舞22 2 02 5 02 6 06 0蠢3 03 j i 鼍 # 32 2 02 5 02 7 06 06 。3 038 甫罅2 2 02 5 02 8 0 6 0 国 3 0 38 未添加增强 5 03 038 甄毫誓3塞 i I 鹫”；誊篱 3 03 8 3 0 、3 i 震豢! j 8 j 3 038 # 5 纤维 2 2 02 5 02 6 06 0 j 。漱? 誊懋。裁。s 瀵懿誊j ，分| 卷蔑 。篱j 誊瞒2 2 02 5 0 2 6 0i 毛憩 # 72 2 02 5 02 6 0 6 0 # 82 2 02 5 02 6 0 6 D # 9 添加增强 2 2 02 5 02 6 ( )6 0 鬣褥镪 纤维 二 2 2 0笛Q2 印 码 | _ ；w 鼍。 注：表1 中注射压力和保压压力都是以1 3 8 M P a 为基数，注塑速率是以E A s Y M A S T E R 注塑机的原始参数为基数。 2 0 1 5 年第1 5 期航空制造技术1 4 5 万方数据 由图7 9 可以得出，其他工艺条件相同的情况下， 随着注塑成型过程中注射压力从5 0 增加到8 0 ，注 塑成型所得P V D F 试件的屈服强度先上升，然后下降， 在3 M P a 左右有波动；随着注射压力逐渐增大，注塑所 得P V D F 试件的抗拉强度逐渐增大，当注射压力达到 7 0 ，抗拉强度又会下降；注塑所得P V D F 试件的弹性 表2 拉伸试验结果 霞霪日 匿 匿疆琵霾鼹 1 4 4 1 3 纂转l 3 6 愈一囊戮麴撑l 警黪 1 4 5 0 12 1 0 4 13 6 _ 33 5 2舵0 | 1 4 7 7 3鼍稻疆83 6 i 羹鬻釜漱嚣3j 麓 1 4 1 6 1 8 4 6 53 5 42 7 l# 4 0 1 4 2 & 9重 9 9 2 6 3 5 i 麓鬣漤霸 嬲8 1 4 5 8l1 9 2 3 23 6 53 2 8# 60 t 1 4 4 9 7誊爹菇7各蓉孽i攀鬟蕊舯酒。 1 6 8 3 32 8 1 2 74 2 13 0 7# 8l ：2 0 0 1 5 7 4 9 寒0 3 。43 9 4 j 黪，叠9 2 羽囊1 3 3 1 5 0 6 51 6 8 9 33 7 73 1 5释1 0l ：1 0 0 料温，o C 图4 弹性模量与料温的变化关系 F i g 4R e I a n O n s h i pb e t w e e ne I a g U c i t ym o d u I u sa n d m e I tt e m D e r a t u r e 料温， 图5 抗拉强度与料温变化关系 F i g 5R e l a t i o n s h j pb e t w e e nt e n s i l eS t r e n g t ha n dm e l tt e m p e r a t u r e 1 4 6 航空制造技术2 0 1 5 年第1 5 期 茁4 0 善3 5 餐3 o 舟 山 窖 咖1 辎 赳 教 击 芝 魁 骥 鞭 蜒 嘣 山 塞 越 惑 赵 唾 注射压力 图7 弹性模量与注射压力的变化关系 F i g 7R e I a l i o n s h i pb e t w e e ne I a s t i c i t ym o d u I u sa n d i n j e c t i o np r e s s u r e 注射压力， 图8 抗拉强度与注射压力的变化关系 F i g 8R e I a t i O n s h i pb e t w e e nt e n s es t r e n g t ha n d i n j e c t j o np r e s s u r e 注射压力 图9 屈服强度与注射压力的变化关系 F i g 9R e I a t i o n s h i pb e t w e e ny i e I ds t r e n g t ha n di n j e c t i o np r e s s u r e 模量先上升后下降。 由图1 0 1 2 可知，注塑工艺条件完全相同的情 况下，特