基于固态成型工艺聚合物基复合材料自增强技术研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.12.025

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (12): 166-173.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.12.025

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基于固态成型工艺聚合物基复合材料自增强技术研究进展

王苏炜¹, 张文鑫², 薛平³(), 张光普¹, 胡玉冰¹, 姜炜¹

^1.南京理工大学化学与化工学院，国家特种超细粉体工程技术研究中心，南京 210094
^2.国网灌南县供电公司，江苏连云港 222002
^3.北京化工大学机电工程学院，塑料机械及塑料工程研究所，北京 100029

收稿日期:2021-06-21 出版日期:2021-12-26 发布日期:2021-12-22
基金资助:
中国博士后科学基金资助(2021M691580)

An overview in self⁃reinforced polymer⁃based composites prepared using solid⁃state molding technology

WANG Suwei¹, ZHANG Wenxin², XUE Ping³(), ZHANG Guangpu¹, HU Yubing¹, JIANG Wei¹

^1.National Special Superfine Powder Engineering Research Center，School of Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China
^2.Guannan County Electric Power Corporation，Lianyungang 222002，China
^3.Plastic Mechanical and Plastic Engineering Institute，College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2021-06-21 Online:2021-12-26 Published:2021-12-22
Contact: XUE Ping E-mail:xueping@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对当前聚合物实际强度远低于理论强度的问题，介绍了固态挤出、固态拉伸等自增强技术的制备流程及其工艺特点。此外，通过分析固态形变过程中试样内部的微观形貌与分子构型，进一步研究聚合物基复合材料固态加工过程中的自增强机理。最后，通过归纳总结影响试样增强效果的因素，进一步探索聚合物基复合材料的性能上限，拓宽其在不同领域的高性能化应用。

关键词: 固态挤出, 自增强, 分子取向, 收敛口模, 力学性能

Abstract:

To solve the problem of significant difference between the actual strength and theoretical strength of polymer， the solid?state molding technology was investigated， and the self?reinforcing process characteristics of solid?state extrusion， solid?state drawing and other technologies were described in detail， which could effectively improve the mechanical strength of polymer?based composites without any reinforcement elements. Moreover， the self?reinforcing mechanism of materials was further studied through analyzing the morphology and molecular configuration of samples during the solid?state deformation. Finally， the factors affecting the reinforcement of process were summarized to explore the upper performance limit of composites and broaden the high?performance applications of self?reinforced materials in different fields.

Key words: solid?state extrusion, self?reinforcement, molecular orientation, convergent die, mechanical property

中图分类号:

TQ320.6

王苏炜, 张文鑫, 薛平, 张光普, 胡玉冰, 姜炜. 基于固态成型工艺聚合物基复合材料自增强技术研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 166-173.

WANG Suwei, ZHANG Wenxin, XUE Ping, ZHANG Guangpu, HU Yubing, JIANG Wei. An overview in self⁃reinforced polymer⁃based composites prepared using solid⁃state molding technology[J]. China Plastics, 2021, 35(12): 166-173.

图/表 11

材料	拉伸强度/MPa			弹性模量/GPa
	理论值	实际值		理论值	实际值
	理论值	纤维	常规材料	理论值	纤维	常规材料
聚乙烯	27 000	1 500	30	300	100	1.0
聚丙烯	16 000	1 300	38	50	20	1.6
聚酰胺66	27 000	1 700	50	160	5	2.0

表1 不同形貌下材料的理论强度与实际强度

Tab.1 Theoretical and practical strength of materials with different morphologies

图1 分子链形变取向过程示意图［20］

Fig.1 Schematic of the unidirectional orientation of molecular chains［20］

图2 静液压式固态挤出及柱塞式固态挤出结构示意图

Fig.2 Schematic of hydrostatic extrusion and solid?state ram extrusion

图3 连续式螺杆固态挤出结构示意图［19］

Fig.3 Schematic of continuous solid?state extrusion［19］

图4 不同口模收敛比下试样的微观形貌

Fig.4 Micrographs of samples prepared with different draw ratio

图5 口模拉伸及辊压牵伸工艺工艺示意图

Fig.5 Schematic of the die?drawing process and roll?drawing process

图6 口模拉伸空穴效应及其轻质高强特性

Fig.6 Formation of cavitation and the properties of sample prepared by die?drawing

图7 辊压牵伸以及口模拉伸工艺下PET板材的微观形貌

Fig.7 Micrographs of PET sheets prepared with roll?drawing and die?drawing process

图8 收敛模具的结构示意图

Fig.8 Structure diagram of conical die

图9 不同口模收敛角下试样的受力云图及其表面质量

Fig.9 Stress nephogram and surface quality of samples prepared with different die convergence angles

图10 固态形变过程中部件的疲劳断裂及球状填料的润滑机理示意图

Fig.10 Fatigue fracture of parts during solid deformation and lubrication mechanism of spherical fillers

参考文献 45

1	周翔，薛平，贾明印，等. 连续玻璃纤维增强层合片材制备及力学性能研究［J］. 塑料工业， 2014， 42（11）： 75⁃79.
	ZHOU X， XUE P， JIA M， et al. Study on preparation process and mechanical properties of continuous glass fiber reinforced laminated sheet ［J］. China Plastics Industry， 2014， 42（11）： 75⁃79.
2	龙洪生，薛平，丁筠，等. 废弃天然纤维增强高密度聚乙烯复合材料性能研究［J］. 中国塑料， 2014， 28（11）： 95⁃99.
	LONG H， XUE P， DING Y， et al. Mechanical properties of recycled nature fibers reinforced high⁃density polyethy⁃lene composites ［J］. China Plastics， 2014， 28（11）： 95⁃99.
3	刘洁，刘丽芳，俞建勇. 碳纤维复合材料废弃物的回收利用形势［J］. 产业用纺织品， 2011， 29（6）： 26⁃28.
	LIU J， LIU L， YU J. Situation of recycling carbon fiber composite［J］. Technical Textiles， 2011， 29（6）： 26⁃28.
4	张东致，万怡灶，罗红林，等. 碳纤维复合材料的回收与再利用现状［J］. 中国塑料， 2013， 27（2）： 1⁃6.
	ZHANG D， WAN Y， LUO H， et al. Current status of recycling and reuse of carbon fiber composites ［J］. China Plastics， 2013， 27（2）： 1⁃6.
5	瞿金平，秦雪梅. 高分子材料成型加工过程的自增强［J］. 广东化工， 2005， 32（11）： 24⁃29，80.
	QU J， QIN X. The polymer self⁃reinforcement during molding processing ［J］. Guangdong Chemical Industry， 2005， 32（11）： 24⁃29，80.
6	NEWSON W R， DIMAKIS A G. Method for the production of low density oriented polymer composite with durable surface： US 11771450 ［P］. 2007.
7	COURVAL G J， THOMAS D R M， ALLEN S G. Process for extruding polymer shapes with smooth， unbroken surface： US 5204045 ［P］. 1993.
8	COURVAL G J. Process for extruding large oriented polymer shapes： US 5169587 ［P］. 1992.
9	MOHANRAJ J， CHAPLEAU N， AJJI A， et al. Roll⁃drawing and die⁃drawing of toughened poly（ethylene terephthalate）. Part 2. Fracture behaviour［J］. Polymer， 2004， 46（6）： 1 967⁃1 981.
10	刘益，吴世见，申开智，等. 聚烯烃材料的自增强研究及其现状［J］. 中国塑料， 2001， 15 （6）： 20⁃26.
	LIU Y， WU S， SHEN K， et al. Self⁃Reinforing Polyolefin Materials and Their Present Research Situation ［J］. China Plastics， 2001， 15（6）： 20⁃26.
11	CHAPLEAU N， MOHANRAJ J， AJJI A， et al. Roll⁃drawing and die⁃drawing of toughened poly（ethylene terephthalate）. Part 1. Structure and mechanical characterization ［J］. Polymer， 2004， 46（6）： 1 956⁃1 966.
12	MOURAD A H I， BEKHEET N， EL⁃BUTCH A， et al. The effects of process parameters on the mechanical properties of die drawn polypropylene ［J］. Polymer Tes⁃ting， 2004， 24（2）： 169⁃180.
13	MOHANRAJ J， BONNER M J， BARTON D C， et al. Physical and mechanical characterization of oriented polyoxymethylene produced by die⁃drawing and hydrostatic extrusion［J］. Polymer， 2006， 47（16）： 5 897⁃5 908.
14	CAI J， JIA M， XUE P， et al. Physical and mechanical characterization of self⁃reinforced wood⁃polymer composite produced by solid⁃state extrusion ［J］. Thermoplastic Composite Materials， 2014， 27（10）： 1 321⁃1 333.
15	POŁEĆ I， HINE P J， BONNER M J， et al. Die drawn wood polymer composites. I. Mechanical properties ［J］. Composite Science Technology， 2009， 70（1）： 45⁃52.
16	CAI J， JIA M， XUE P， et al. The effect of processing conditions on the mechanical properties and morphology of self⁃reinforced wood⁃polymer composite ［J］. Polymer Composites， 2013， 34（10）： 1 567⁃1 574.
17	AHARONI S， SIBILIA J. Crystalline transitions and the solid⁃state extrusion of polymers ［J］. Journal of Applied Polymer Science， 1979， 23（1）： 133⁃140.
18	李鹏，黄锐. 固态挤出1.聚合物固态可挤性［J］. 中国塑料， 1999， 13（10）： 66⁃71.
	LI P， HUANG R. Solid state extrusion 1： Solid state extrudability ［J］. China Plastics， 1999， 13（10）： 66⁃71.
19	蔡建臣.聚丙烯/木粉复合材料自增强研究［D］.北京：北京化工大学， 2013.
20	WANG S， SHI Z， CAI J， et al. Effect of die structure on the properties of self⁃reinforced polypropylene/noil ramie fiber composites prepared by solid⁃state extrusion ［J］. Journal of Polymer Research， 2020， 27（11）： 334，
	doi.org/10.1007/s10965⁃020⁃02316⁃w.
21	黄锐. 塑料的固相成型（一）［J］. 工程塑料应用， 1981（1）： 53⁃60.
22	BUCKLEY A， LONG H A. The extrusion of polymers below their melting temperatures by the application of high pressures ［J］. Polymer Engineering and Science， 1969， 9（2）： 115⁃120.
23	李鹏，黄锐. 固态挤出2.固态挤出工艺［J］. 中国塑料， 1999， 13（11）： 54⁃59.
	LI P， HUANG R. Solid state extrusion for polymer ［J］. China Plastics， 1999， 13（11）： 54⁃59.
24	KURTZ S M， DAN M， RIMNAC C M， et al. Anisotropy and oxidative resistance of highly crosslinked UHMWPE after deformation processing by solid⁃state ram extrusion ［J］. Biomaterials， 2006， 27（1）： 24⁃34.
25	NAKAMURA K， IMADA K， TAKAYANAGI M. Analyses of solid state extrusion process of polymeric materials by pressure dependent yield criteria ［J］. International Journal of Polymeric Materials， 1974， 3（1）： 23⁃28.
26	SANOMURA Y， KAWAMURA M. Fiber orientation control of short⁃fiber reinforced thermoplastics by ram extrusion ［J］. Polymer Composites， 2004， 24（5）： 587⁃596.
27	毛旭琳. 超高分子量聚乙烯的固态挤出成型研究［D］. 北京：北京化工大学， 2008.
28	毛旭琳，薛平，李建立. 超高分子量聚乙烯的固态挤出研究［J］. 工程塑料应用， 2008， 36（3）： 28⁃31.
	MAO X， XUE P， LI J. Research on solid⁃state extrusion of ultra high molecular weight polyethylene ［J］. Enginee⁃ ring Plastics Application， 2008， 36（3）： 28⁃31.
29	姚祝平. 塑料挤出成型工艺与制品缺陷处理［M］. 化学工业出版社， 2005：22⁃26.
30	徐恒雷. 连续挤压应用过程中常见缺陷浅析与措施［J］. 有色金属加工， 2010， 39（4）： 31⁃36.
	XU H. Analysis and measures frequently asked questions in continuous extrusion process ［J］. Nonferrous Metals Processing， 2010， 39（4）： 31⁃36.
31	KIM Y S， GUO G， PARK C B， et al. Processing/structure/property relationships for artificial wood made from stretched PP/wood⁃fiber composites ［J］. Polymer Engineering & Science， 2009， 49（1）： 11⁃16.
32	POŁEĆI， HINE P J， BONNER M J， et al. Die drawn wood polymer composites. II. Micromechanical modelling of tensile modulus［J］. Composites Sciences & Technology， 2010， 70（1）： 53⁃60.
33	NICHOLS K L， MICHIE W J， KAPUR M. Cavitated oriented polyethylene polymer composites： US 8658732 ［P］. 2014.
34	程鹏. 无机物填充聚丙烯复合材料自增强机理及实验研究［D］. 北京：北京化工大学， 2020.
35	程鹏，郭周超，薛平，等. 滑石粉添加量对口模拉伸自增强聚丙烯性能的影响［J］. 塑料工业， 2020， 48（9）： 61⁃65.
	CHENG P， GUO Z， XUE P， et al. Effect of talc contents on the properties of self⁃reinforced samples prepared by die streching ［J］. China Plastics Industry， 2020， 48（9）： 61⁃65.
36	CHAPLEAU N， MOHANRAJ J， AJJI A， et al. Roll⁃drawing and die⁃drawing of toughened poly（ethylene terephthalate）. Part 1. Structure and mechanical characterization ［J］. Polymer， 2005， 46（6）： 1 956⁃1 966.
37	AJJI A， DUMOULIN M M. Very high modulus high⁃density polyethylene and high⁃modulus polypropylene obtained by solid⁃state roll drawing ［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2010， 102（4）： 3 391⁃3 399.
38	欧阳初，郭建明，申开智. 茂金属聚乙烯的固态挤出行为及力学性能［J］. 高分子材料科学与工程， 2003， 19（6）： 168⁃171.
	OUYANG C， GUO J M， SHEN K M. The extrusion behavior and mechanical properties of metallocene polyethylene by solid state extrusion ［J］. Polymeric Materials Science and Engineering， 2003， 19（6）： 168⁃171.
39	蔡建臣，蒋金云，薛平，等. 口模锥角对生物质复合材料自增强过程的影响［J］. 塑料， 2017， 46（1）： 90⁃92.
	CAI J C， JIANG J Y， XUE P， et al. The effect of die angle on the process of self⁃reinforcement for biomass composite ［J］. Plastics， 2017， 46（1）： 90⁃92.
40	MOURAD A H I， BEKHEET N， EL⁃BUTCH A， et al. The effects of process parameters on the mechanical properties of die drawn polypropylene ［J］. Polymer Testing， 2004， 24（2）： 169⁃180.
41	谭洪生，李正民，益小苏. 口模拉伸高取向聚乙烯材料的研究［J］. 合成树脂及塑料， 2007， 24（5）： 69⁃71，76.
	TAN H S， LI Z M， YI X S. Study on highly oriented PE material［J］. China Synthetic Resin And Plastics， 2007， 24（5）： 69⁃71，76.
42	BIRCHMEIER B， MCBRIDE R. Plastics⁃based manufactured article and process for forming： WO 2014190033［P］. 2014.
43	NICHOLS K L， BROWN J C， BIRCHMEIER B M， et al. Building product and method of manufacture and use： WO 2014143836 ［P］. 2014.
44	NICHOLS K L， KAARTO J， CROWN A， et al. Oriented polymer composition with inorganic filler and low xylene solubles： US 20090176898 ［P］. 2009.
45	NICHOLS K L， BIRCHMEIER B M. Solid state dra⁃wing a filled polymer composition to a stable extent of cavitation and density： US 8871130 ［P］. 2014.

[1]	于昌永, 辛忠. 基于六氢邻苯二甲酸盐的α/β复合成核剂对聚丙烯性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 121-128.
[2]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[3]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[4]	李凯泽, 辛勇. 改性碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 1-5.
[5]	王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇. 聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 39-45.
[6]	王金业, 唐博虎, 杨立宁, 谢猛, 郭泽朝, 杨光. PA12试件多射流熔融成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 81-86.
[7]	孙文博, 信春玲, 何亚东, 翟玉娇, 闫宝瑞. 玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 1-7.
[8]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[9]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[10]	何和智, 徐力, 杨以科. 预应力对PC/CF层合板力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 1-5.
[11]	李素圆, 刘会鹏, 龚舜, 黄国桃, 李玉才, 吴鑫, 邓建平, 潘凯. 热塑性聚酰胺弹性体改性EVA复合发泡材料的制备及性能表征[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 6-14.
[12]	张九夫, 罗开强, 徐军, 郭宝华. 长玻璃纤维增强PA66复合材料的综合性能及其影响因素研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 1-8.
[13]	王富玉, 郭金强, 张玉霞. 聚合物原位成纤方法及其在PP共混体系中的应用[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 146-156.
[14]	李泽洋, 岑兰, 陈胜, 陈伟杰, 杜兵华, 张二帅. 羧基丁腈橡胶/PA12热塑性弹性体的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 15-20.
[15]	刘浪, 栾道成, 胡志华, 文科林, 周新宇, 米书恒, 王正云. 玄武岩纤维和钢纤维含量对树脂基摩擦材料性能的影响研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 33-39.

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