基于多熔体多次注射成型的弹性湍流构筑界面互锁结构

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.014

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (12): 81-89.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.014

基于多熔体多次注射成型的弹性湍流构筑界面互锁结构

肖元昊¹, 初立秋², 陈历波¹, 张师军², 赵鑫¹, 张浩², 吕芸², 刘磊¹, 张凯¹(), 杨鸣波¹()

^1.四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室，成都 610065
^2.中石化（北京）化工研究院有限公司，北京 100013

收稿日期:2024-04-12 出版日期:2024-12-26 发布日期:2024-12-25
通讯作者: 张凯，主要从事高分子材料微纳加工及其结构控制的研究，k.zhang@scu.edu.cn
杨鸣波，主要从事高分子材料成型加工新方法、新技术及新原理的研究，yangmb@scu.edu.cn
E-mail:k.zhang@scu.edu.cn;yangmb@scu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(21674069)

Construction of interfacial interlocking structure through elastic turbulence in multi⁃melt multi⁃injection molding （M3IM）

XIAO Yuanhao¹, CHU Liqiu², CHEN Libo¹, ZHANG Shijun², ZHAO Xin¹, ZHANG Hao², LYU Yun², LIU Lei¹, ZHANG Kai¹(), YANG Mingbo¹()

^1.College of Polymer Science and Engineering，State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China
^2.SINOPEC （Beijing） Research Institute of Chemical Industry Co，Ltd，Beijing 100013，China

Received:2024-04-12 Online:2024-12-26 Published:2024-12-25
Contact: ZHANG Kai, YANG Mingbo E-mail:k.zhang@scu.edu.cn;yangmb@scu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

利用多熔体多次注射成型（M³IM）对不相容体系聚偏氟乙烯（PVDF）和高密度聚乙烯（PE⁃HD）进行了多层次结构的制备及界面性能的研究。结果发现，两种不相容聚合物材料在M³IM的特殊加工外场作用下形成了一种独特的界面互锁结构，使得界面剥离强度提升3.3倍。通过实验与数值模拟分析表明，这种界面互锁结构的形成是由于二次熔体注入一次熔体时在突破段产生的不稳定流动，以及聚合物熔体在低雷诺数下的弹性湍流所导致；厚度方向上的雷诺数呈双峰分布，且熔体界面处的增加可达1个数量级以上，突破后段相较于突破前段，熔体的湍流动能及动能耗散率显著增加。

关键词: 多熔体多次注射成型, 界面互锁结构, 弹性湍流, 界面增强

Abstract:

In this study， multi⁃melt multi injection molding （M3IM） was employed to construct a hierarchical structure for an incompatible system of poly（vinylidene difluoride）（PVDF） and high⁃density polyethylene （PE⁃LD）， and their interfacial properties were investigated. The results indicated that a unique interfacial interlocking structure was formed in these two incompatible polymers under the special external field of M3IM process， resulting in an increase in the peeling strength by 3.3 times. The experimental and numerical simulation analyses demonstrated that the formation of such an interfacial interlocking structure was attributed to an unstable flow generated at the breakthrough region when the secondary melt was injected into the primary melt as well as the elastic turbulence of the polymer melt at low Reynolds numbers. The Reynolds numbers in the thickness direction presented a bimodal distribution and tended to increase by more than one order of magnitude at the interface region. Compared to the regions before the breakthrough part， the turbulent kinetic energy and kinetic energy dissipation rate of the melt increased significantly after the breakthrough part.

Key words: multi?melt multi?injection molding, interfacial interlocking structure, elastic turbulence, interface strengthening

中图分类号:

TQ320.66⁺2

肖元昊, 初立秋, 陈历波, 张师军, 赵鑫, 张浩, 吕芸, 刘磊, 张凯, 杨鸣波. 基于多熔体多次注射成型的弹性湍流构筑界面互锁结构[J]. 中国塑料, 2024, 38(12): 81-89.

XIAO Yuanhao, CHU Liqiu, CHEN Libo, ZHANG Shijun, ZHAO Xin, ZHANG Hao, LYU Yun, LIU Lei, ZHANG Kai, YANG Mingbo. Construction of interfacial interlocking structure through elastic turbulence in multi⁃melt multi⁃injection molding （M3IM）[J]. China Plastics, 2024, 38(12): 81-89.

图/表 14

图1 多熔体多次注射成型中熔体充模过程的示意图

Fig.1 Schematic representation of melt filling process in M3IM

图2 M3IM注射单元和样品制备的示意图

Fig.2 Schematic diagram of M3IM system and samples preparation

样品	一次熔体	二次熔体	一次注射温度/℃	二次注射温度/℃	一次注射体积/cm³	二次注射体积/cm³	一次注射速率/cm³·s^-1	二次注射速率/ cm³·s^-1	模具温度/℃	延迟时间/s
MPE 160	PVDF	PE⁃HD	200	160	4.6	4.3	40	28.4	20	1
MPE 180	PVDF	PE⁃HD	200	180	4.6	4.3	40	28.4	20	1
MPE 200	PVDF	PE⁃HD	200	200	4.6	4.3	40	28.4	20	1
MPE 220	PVDF	PE⁃HD	200	220	4.6	4.3	40	28.4	20	1

表1 多熔体多次注射成型的加工参数

Tab.1 Processing conditions used in M3IM

图3 PVDF和PE⁃HD在不同温度下的剪切黏度

Fig.3 Shear viscosity of PVDF and PE⁃HD at different temperatures.

图4 MPE220样品中D1~D6区域的偏光图像

Fig.4 PLM micrographs of MPE220 samples in D1~D6 regions

图5 MPE220样品中D1~D6区域在不同温度下的偏光显微镜照片

Fig.5 PLM micrographs of MPE220 in D1~D6 regions

图6 不同温度MPE样品的一次熔体和二次熔体层厚度统计

Fig.6 Thickness of the primary flow layer and the secondary flow layer in MPE samples prepared with different melt temperatures of PE⁃HD

图7 MPE典型试样皮、芯层的DSC曲线

Fig.7 DSC curves of MPE samples

图8 MPE典型试样皮、芯层的FTIR曲线

Fig.8 FTIR spectrum of MPE samples

图9 二次熔体开始注入后MPE220试样的相态云图

Fig.9 The volume fraction nephogram of the MPE220 sample after the secondary melt started to be injected

图10 不同时间下D1~D6各区域中心Y轴速度分量

Fig.10 Velocity in Y⁃axis as a function of time for D1~D6 regions

图11 不同时间下D1~D6各区域中心雷诺数

Fig.11 Renold number as a function of time for D1~D6 regions

图12 不同时间下D1~D6各区域中心的湍流动能耗散率（a）和湍流动能（b）

Fig.12 （a） Turbulent dissipation rate （ε） and （b） turbulent kinetic energy（κ） varying at the center of D1~D6 regions

图13 不同加工温度的MPE试样界面剥离性能

Fig.13 Interfacial peeling properties of MPE samples with different processing temperatures

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Construction of interfacial interlocking structure through elastic turbulence in multi⁃melt multi⁃injection molding （M3IM）

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