超声粉末模压成型超高分子量聚乙烯微塑件的两相结构.docx

第30卷第12期高分子材料科学与工程Vol．30，No．122014 年 12月POLYMEＲ MATEＲIALS SCIENCE ANDENGINEEＲINGDec．2014超声粉末模压成型超高分子量聚乙烯微塑件的两相结构梁雄1，2 ，伍晓宇2，李兵1，曾昆2，徐斌2，罗烽2(1．哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳518055;2．深圳大学深圳市模具先进制造技术重点实验室，广东深圳518060)摘要:应用了一种新颖的微型超声粉末模压成型方法(micro-UPM)成型超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微塑件。先利用超声振动使UHMWPE粉末自身快速加热并塑化，之后在合模压力下快速充填微型腔，成功制备了多种规格的微塑件。 差示扫描量热实验结果表明，micro-UPMUHMWPE微塑件为两相状态，由初生态和熔化-再结晶态两相组成。在超声塑化时间为0．5～1.5s的范围内，熔化-再结晶相熔融峰面积逐渐增大，而初生态相熔融峰面积逐渐缩小，结晶度逐渐减小。当超声塑化时间为1.5s时，微塑件结晶度达到最小值54．3%，而熔化-再结晶相分数达最大值98．3%，micro-UPMUHMWPE微塑件塑化质量最佳。单晶X射线衍射实验表明，微塑件中间区的结晶度数值比表层大，与普通注塑成型的 微塑件相比，micro-UPM微塑件的结晶取向性不明显。关键词: 微塑件; 模压成型; 超声振动;超高分子量聚乙烯中图分类号:TQ325．1+2文献标识码:A文章编号:1000-7555(2014)12-0103-05随着 MEMS技术的发展，微塑件被广泛应用于航空、汽车和生物医学等领域，众多研究机构在此领域内进行了大量的基础研究工作。早期研究者利用频率为20kHz 的低功率超声波对聚合物粉末进行了模压成型实验，通过改变工艺参数优化了塑件的力学性能［1，2］。超声波可改善分子链的运动和减小弹性应变，降低聚合物黏度，改善材料成型性能［3 ～5］。超高分子量聚乙烯( UHMWPE)是一种性能极佳的生物医学材料; 但其熔体黏度高、流动性极差、临界剪切速率低，很难用常规成型方法来生产塑件。而高速模压( HVC) 则通过烧结和多次高速冲击UHMWPE等半结晶聚合物粉末成型塑件，塑件冷却后，其内部由初生态和熔化-再结晶两相所组成，聚合物的熔化仅发生在粉末颗粒的边界位置，粉末颗粒之间的焊合发生于冷却再结晶阶段分子链之间的交联和共晶，塑件的成型质量由熔化再结晶材料所占分数所决定［6，7］。本文应用了一种新颖的微型超声粉末模压成型方法，简称micro-UPM。Fig.1为micro-UPM工艺示意图:(1)首先将聚合物粉末填入微型腔和其上的料筒孔中并被超声冲头反复压实，( 2)利用超声振动，使聚合物粉末快速塑化，并在超声冲头压力下迅速充满微型腔，多余的熔体向上溢出形成飞边，(3)开模取出微塑件，剥离溢料和飞边。本课题组前期在对micro-UPM 工艺进行研究时，利用具有微孔阵列的印制板为微型腔镶块，成功成型了微圆柱阵列塑件和双联齿轮微塑件［8，9］;以iPP粉末为成型材料详细研究了 micro-UPM 工艺方法，iPP微塑件性能质量及其影响因素［10］。本 文则利用 SEM、DSC、单晶X射线衍射仪和大倍数光学显微镜等设备对micro-UPM微塑件初生态和熔化-再结晶两相结构进行研究。1实验部分1．1材料原料为SAMSUNG生产的UHMWPE，其牌号为Z1700，平均相对分子质量3．5×106，聚合物的平均粒径约为150μm(Z1700粉末粒径分布范围为80～200μm)。UHMWPE很难进行注塑成型，为了便于与常规 微注塑成型工艺进行比较，本文在单晶X射线衍射实验中使用了中石化茂名石油化工公司生产的等规聚丙烯粉末(iPP)材料来成型微塑件，该材料牌号为405， 密度为0.91g/cm3，其平均粒径约为350μm。1．2micro-UPM微塑件的制备Fig．2(a)所示，micro-UPM实验平台是利用深圳收稿日期:2013-11-25基金项目: 国家自然科学基金资助项目54105306通讯联系人:伍晓宇，主要从事微成形与微模具研究，E-mail:wuxy@szu．edu．cn104高分子材料科学与工程2014年Fig．1SchematicＲepresentationofMicro-UPMProcessFig．2UltrasonicPlasticizingandMoldingExperimentalPlatform(a): micro-UPMplatform; (b) and(c): microgearcavityinsertsandmicro-UPMplasticparts; (c): combinedmicromold红日