石墨烯镀层辅助快速热循环注射成型研究与应用

随着高分子合成工业与加工制造业取得的进展以及高分子材料制品在国民经济和国防工业等领域中日益广泛的应用,高分子材料制品的精密化、高性能化与科学发展的环保需求已成为全球高分子材料成型加工领域所普遍关注的研究热点。注射成型作为高分子材料制品成型的最主要的加工方式也因此面临更迫切的创新需求。快速热循环注射成型(Rapid heat cycle molding,RHCM)在该背景下应运而生,RHCM是一种基于模具快速加热与快速冷却的环境友好、前景广阔的新兴注射成型技术,可显著改善塑件表面质量、降低内应力、提高型腔复制度与力学性能、拓宽可注塑加工材料范围。本文旨在研发一种绿色环保、加热效率高、温度均匀性佳及变温稳定性高的化学键合增强石墨烯镀层辅助快速热循环注射成型(Graphene-coating-assisted rapid heat cycle molding,GC-RHCM)技术。围绕与高分子材料成型高性能化、多功能化和低成本化相关的科学技术问题,从成型工艺、微观形态与宏观性能三方面开展系统研究,突破了化学键合增强石墨烯镀层制备工艺优化、石墨烯薄膜加热器热响应特性与磨损失效机理及高粘度、流动性差塑料GC-RHCM成型质量调控等核心技术,研制成功GC-RHCM设备,使RHCM能耗大幅降低,成型效率显著提升,在航空航天、微电子、组织工程支架等领域有着巨大的应用前景和技术价值。主要研究工作及创新点如下:(1)提出了一种化学键合增强石墨烯镀层的化学气相沉积制备新方法,研究揭示了化学键合增强石墨烯镀层物理机械性能的调控机理及镀层磨损失效机理;利用该方法在硅基体上制备的石墨烯层因石墨烯与硅基体之间、石墨烯单体层间的双重化学键合增强作用,解决了传统方法制备石墨烯转移过程中出现的裂纹缺陷以及弱范德华力易剥离等问题,实现了在高剪切、高摩擦工况下的工业应用。(2)提出了一种利用模具型腔表面随形自润滑石墨烯镀层作为薄膜加热器,实现快速热循环注射成型的新思路;自主设计搭建了 GC-RHCM实验平台,研究了型腔表面升温特性、降温特性、温度均匀性及变温稳定性等影响RHCM塑件产品质量及生产周期的关键热响应特性规律。结果表明,石墨烯镀层的平均升温速率达11.6℃/s、最高瞬时升温速率达11.6℃/s、最高温度超过300℃且温度均匀性与稳定性极佳,满足绝大多数工程塑料的RHCM要求;通过摩擦学测试结果表明,大于30min镀层时间所制得的高粘接强度石墨烯镀层具备优异的耐磨性。(3)利用GC-RHCM设备实现了高光无痕双浇口长玻纤增强聚丙烯快速热循环注射成型;研究了温度外场对双浇口制品表面浮纤、熔接痕宽度/深度、力学性能及长玻纤取向的影响规律。结果表明,随着模具型腔表面温度的升高,塑件的表层变薄,剪切层有所变薄,中心层变厚,熔接的宽度/深度与表面浮纤等表观缺陷获得显著改善,力学性能增强;当模具型腔表面温度高于长玻纤增强聚丙烯的熔点时,熔接痕与浮纤现象被彻底消除,表层取向张量基本与剪切层取向张量相当,表明表层冷凝层彻底消失。此外,还构建了自润滑石墨烯镀层与动态温度场协同作用下熔体充填过程的物理模型。(4)通过GC-RHCM设备,攻克了纯超高分子量聚乙烯(UHMWPE,粘均分子量5×106 g/mol)由于高粘度难以高质量注射成型的难题,解决了熔体充填过程中产生的泡沫状流动前沿以及表面层状剥离等问题,研究揭示了 GC-RHCM对UHMWPE熔体充填行为、波浪状泡孔熔体流动前沿与层状剥离等表观缺陷、拉伸和冲击性能、生物相容性等的影响规律。结果表明,提高模具型腔表面温度能够有效增强UHMWPE熔体充填能力,增强保压效果,从而改善波纹状泡孔熔体前沿与层状剥离缺陷,提高UHMWPE塑件的拉伸强度与冲击强度;当模具型腔表面温度为140℃时,可完全消除波纹状泡孔熔体前沿缺陷与层状剥离缺陷,并且具有优异的生物相容性。(5)针对常规微孔发泡注塑难以实现高粘度超高分子量聚乙烯成型的不足,提出了一种将GC-RHCM技术应用于微孔发泡注射成型的石墨烯镀层辅助快速热循环微孔发泡注射成型技术。研究探明了超临界流体对UHMWPE熔体充填行为、孔结构形态与流变特性的影响规律。结果表明,超临界流体降低了 UHMWPE粘度,并且UHMWPE颗粒间的超临界气体起到润滑剂的作用,使UHMWPE熔体在近浇口处不被提早压实,从而降低流动阻力提高了 UHMWPE熔体充填能力,N2与CO2超临界流体辅助微孔发泡UHMWPE注射成型相比于常规注射成型,注塑机最大注射压力分别下降了 26%和22%,N2和CO2超临界流体降低了注射成型过程中可能发生的热降解与分子链断链,为UHMWPE微孔滤材、轻量化多孔零件的高效制备以及UHMWPE低压注射成型提供了理论支撑。