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[摘要]超声振动作为一种成熟、经济、实用性强的技术，在工业、医学等领域内得到广泛的应用。文章综述了近些年来超声振动在聚合物挤出成型中的应用现状；重点介绍了超声振动在挤出成型中能够增强共混物相容性，改善熔体流动行为和微观结构，提高制品力学性能；指出了超声振动在聚合物挤出成型中的发展趋势。
[关键词]超声振动；挤出成型
随着高新技术的快速发展，塑料制品凭借其重量轻、化学稳定性强、电绝缘性好等优点，在航空航天、电子通信、汽车、家用电器、医疗卫生等领域内的应用越来越广泛。然而常规成型加工的塑料制品往往存在熔接痕明显、翘曲变形严重、内部应力不均等缺陷，已成为制约塑料制品高质量、高精度的关键问题。
目前，超声振动在聚合物成型加工技术的应用主要集中在挤出成型与注射成型中。根据施加方式不同，可分为超声振动施加到模具口模、热流道、冷料穴以及超声振动直接作用于熔体等形式。超声振动对熔体的作用主要包括机械效应、热效应和空化效应三种。
超声振动在挤出成型中的应用
1.超声振动对共混物相容性及力学性能的影响
共混改性对于获得高性能、高强度的聚合物制品尤为重要，然而对于大多数不相容的聚合物，由于共混后不同组分的分子链之间的相互作用力较小，导致各相之间的界面张力相差较大，因此界面性能往往不能达到理想效果。而施加超声振动能够促使不同组分聚合物的分子链高频振荡，从而促进各相分子链之间的相容性，增强分子间作用力，达到改善制品力学性能的目的。
CHEN G.S等人对HDPE/PS共混挤出成型的研究表明，超声振动使得模口压力降和熔体表观粘度显著下降，同时，超声振动使得分散系中颗粒大小减小，增加了HDPE和PS共混分子界面粘附力及相容性，使得制品断裂拉伸率和抗冲击强度均有所提高。
JIANG G.J.等人研究了超声振动对POM/PS（80/20）共混流变特性和制品机械性能的影响。实验结果表明，正常情况下，POE和PS是不相容的，但是施加超声振动后，分散阶段粒子变小，促进了共混物之间的相容。此外，在口模温度和压力不变的情况下，口模熔体流量随超声功率的增大而增大，口模温度为150℃时，POM表观粘度为1.1×104Pa·s，200W功率超声时，表观粘度降低为7×103Pa·s，证实了超声振动可以显著降低熔体流动粘度，促进熔体流动。
WEI L.Q.等人研究了超声振动对聚合物共混制品力学强度的影响。研究发现，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料塑件在高频低振幅超声振动作用下，挤出成型浇口压力降降低，塑件表面质量提高，抗拉强度增强，但是，当超声功率高于200W时，塑件出现严重的超声降解，机械性能下降，因此适当的超声强度可以提高塑件力学性能。
2.超声振动对聚合物熔体流动行为及微观结构的影响
郭少云等人研究了挤出过程中超声对mLLDPE熔体流动行为的改善状况。研究发现，随着施加超声功率的升高熔体表观粘度和口模压力明显的下降，而且，熔体流动不稳定现象有所改善，挤出质量大幅度提高。这可能是由于超声施加在熔体上后，分子链在某一平衡点做类似简谐振动，导致分子平均动能急剧增加，增加的平均动能一部分传递给周围的分子链，从而提高其运动能力，促进分子链的解缠作用，提高聚合物的流动性能，另一部分平均动能以热量或粘性摩擦力的形式耗散，因此施加超声振动后整个熔体体系温度有所升高，进一步表现为熔体表观粘度下降，流动性能改善。
李慧林等人研究了超声振动对挤出过程中PP成型及微观结构的影响，并通过热差分析量热（DSC）和广角X射线衍射（WAXD）对超声辅助挤出PP进行了微观结构的观察分析，结果表明超声振动能够缩短熔体分子链间的距离，降低分子结晶的缺陷以及无序取向，从而使得PP晶格取向有所改善。此外，李慧林、郭少云等人还研究了超声在挤出过程中对HDPE流变行为及结构特性的影响。得出超声振动能够改善HDPE加工性能的主要原因是，超声振动促进了分子链的蠕动，降低了熔体与模具型腔壁的表面应力，而不是对熔体粘度变化产生永久影响；研究还发现，分子链的取向有利于晶核的形成，短的分子链易于分子结晶并产生良好的晶格，超声振动导致了分子结晶的时间延长、分子链的取向以及分子链的缩短，从而提高了HDPE结晶度和结晶质量。
CAO Y.R.等人研究了超声振动对PP挤出成型结晶行为的影响。广角X射线衍射分析（WAXD）结果分析表明，PP晶体组成发生变化，β晶体含量增多，超声振动促使α晶体向β晶体转化使结晶度降低。实验说明了超声振动可以改变热塑性聚合物的晶体组分。
总结
通过上述分析超声振动在聚合物成型中的应用进展，可以得出超声外场对于聚合物成型的几种作用效果：
（1）超声振动能够增加共混物相容性，促使分散系中颗粒大小减小，明显提高共混制品力学性能。
（2）改善熔体流动不稳定及挤出胀大现象，大幅度提高聚合物挤出成型质量。
（3）降低聚合物熔体粘度，改善熔體充填流动性能，改善制品微观组织结构，提高制品力学性能及成型质量。
（4）改善聚合物的塑化质量，提高微结构复制率，并且能够缩短制品的成型周期，提高生产率。
参考文献
[1]颜家华，彭玉成，孙友松.振动在高分子材料加工中的应用[J].振动与冲击，1997，16（3）：35-40.
[2]吴启保，瞿金平等.塑料成型加工中的振动技术[J].机床与液压，2000（5）：10-12.
[3]李又兵，申开智，张杰.机械振动注射成型工艺及模具设计的探讨[J].工程塑料应用，2001，29（12）：40-42.
[4]严正，申开智等.聚合物熔体在振动场中的流变行为研究[J].中国塑料，2000，14（12）：63-67.
[5]那顺.振动场作用下-聚合物材料的注射成型及其结构与性能研究[D].2004，四川大学.
[6]徐静等，低频振动注塑改善PP/纳米CaCO3分散性的研究[J].塑料工业，2006，34（2）：36-38.
[7]Ping Zhao， Qiang Fu，et al. Excellent tensile ductility in highly oriented injection-molded bars of polypropylene/carbon nanotubes composites [J]. POLYMER， 2007. 48（19）： 5688-5695.
作者简介
钟立才（1987.6—），男，汉族，甘肃兰州人，助理工程师；研究方向：高分子材料加工方向。
[关键词]超声振动；挤出成型
随着高新技术的快速发展，塑料制品凭借其重量轻、化学稳定性强、电绝缘性好等优点，在航空航天、电子通信、汽车、家用电器、医疗卫生等领域内的应用越来越广泛。然而常规成型加工的塑料制品往往存在熔接痕明显、翘曲变形严重、内部应力不均等缺陷，已成为制约塑料制品高质量、高精度的关键问题。
目前，超声振动在聚合物成型加工技术的应用主要集中在挤出成型与注射成型中。根据施加方式不同，可分为超声振动施加到模具口模、热流道、冷料穴以及超声振动直接作用于熔体等形式。超声振动对熔体的作用主要包括机械效应、热效应和空化效应三种。
超声振动在挤出成型中的应用
1.超声振动对共混物相容性及力学性能的影响
共混改性对于获得高性能、高强度的聚合物制品尤为重要，然而对于大多数不相容的聚合物，由于共混后不同组分的分子链之间的相互作用力较小，导致各相之间的界面张力相差较大，因此界面性能往往不能达到理想效果。而施加超声振动能够促使不同组分聚合物的分子链高频振荡，从而促进各相分子链之间的相容性，增强分子间作用力，达到改善制品力学性能的目的。
CHEN G.S等人对HDPE/PS共混挤出成型的研究表明，超声振动使得模口压力降和熔体表观粘度显著下降，同时，超声振动使得分散系中颗粒大小减小，增加了HDPE和PS共混分子界面粘附力及相容性，使得制品断裂拉伸率和抗冲击强度均有所提高。
JIANG G.J.等人研究了超声振动对POM/PS（80/20）共混流变特性和制品机械性能的影响。实验结果表明，正常情况下，POE和PS是不相容的，但是施加超声振动后，分散阶段粒子变小，促进了共混物之间的相容。此外，在口模温度和压力不变的情况下，口模熔体流量随超声功率的增大而增大，口模温度为150℃时，POM表观粘度为1.1×104Pa·s，200W功率超声时，表观粘度降低为7×103Pa·s，证实了超声振动可以显著降低熔体流动粘度，促进熔体流动。
WEI L.Q.等人研究了超声振动对聚合物共混制品力学强度的影响。研究发现，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料塑件在高频低振幅超声振动作用下，挤出成型浇口压力降降低，塑件表面质量提高，抗拉强度增强，但是，当超声功率高于200W时，塑件出现严重的超声降解，机械性能下降，因此适当的超声强度可以提高塑件力学性能。
2.超声振动对聚合物熔体流动行为及微观结构的影响
郭少云等人研究了挤出过程中超声对mLLDPE熔体流动行为的改善状况。研究发现，随着施加超声功率的升高熔体表观粘度和口模压力明显的下降，而且，熔体流动不稳定现象有所改善，挤出质量大幅度提高。这可能是由于超声施加在熔体上后，分子链在某一平衡点做类似简谐振动，导致分子平均动能急剧增加，增加的平均动能一部分传递给周围的分子链，从而提高其运动能力，促进分子链的解缠作用，提高聚合物的流动性能，另一部分平均动能以热量或粘性摩擦力的形式耗散，因此施加超声振动后整个熔体体系温度有所升高，进一步表现为熔体表观粘度下降，流动性能改善。
李慧林等人研究了超声振动对挤出过程中PP成型及微观结构的影响，并通过热差分析量热（DSC）和广角X射线衍射（WAXD）对超声辅助挤出PP进行了微观结构的观察分析，结果表明超声振动能够缩短熔体分子链间的距离，降低分子结晶的缺陷以及无序取向，从而使得PP晶格取向有所改善。此外，李慧林、郭少云等人还研究了超声在挤出过程中对HDPE流变行为及结构特性的影响。得出超声振动能够改善HDPE加工性能的主要原因是，超声振动促进了分子链的蠕动，降低了熔体与模具型腔壁的表面应力，而不是对熔体粘度变化产生永久影响；研究还发现，分子链的取向有利于晶核的形成，短的分子链易于分子结晶并产生良好的晶格，超声振动导致了分子结晶的时间延长、分子链的取向以及分子链的缩短，从而提高了HDPE结晶度和结晶质量。
CAO Y.R.等人研究了超声振动对PP挤出成型结晶行为的影响。广角X射线衍射分析（WAXD）结果分析表明，PP晶体组成发生变化，β晶体含量增多，超声振动促使α晶体向β晶体转化使结晶度降低。实验说明了超声振动可以改变热塑性聚合物的晶体组分。
总结
通过上述分析超声振动在聚合物成型中的应用进展，可以得出超声外场对于聚合物成型的几种作用效果：
（1）超声振动能够增加共混物相容性，促使分散系中颗粒大小减小，明显提高共混制品力学性能。
（2）改善熔体流动不稳定及挤出胀大现象，大幅度提高聚合物挤出成型质量。
（3）降低聚合物熔体粘度，改善熔體充填流动性能，改善制品微观组织结构，提高制品力学性能及成型质量。
（4）改善聚合物的塑化质量，提高微结构复制率，并且能够缩短制品的成型周期，提高生产率。
参考文献
[1]颜家华，彭玉成，孙友松.振动在高分子材料加工中的应用[J].振动与冲击，1997，16（3）：35-40.
[2]吴启保，瞿金平等.塑料成型加工中的振动技术[J].机床与液压，2000（5）：10-12.
[3]李又兵，申开智，张杰.机械振动注射成型工艺及模具设计的探讨[J].工程塑料应用，2001，29（12）：40-42.
[4]严正，申开智等.聚合物熔体在振动场中的流变行为研究[J].中国塑料，2000，14（12）：63-67.
[5]那顺.振动场作用下-聚合物材料的注射成型及其结构与性能研究[D].2004，四川大学.
[6]徐静等，低频振动注塑改善PP/纳米CaCO3分散性的研究[J].塑料工业，2006，34（2）：36-38.
[7]Ping Zhao， Qiang Fu，et al. Excellent tensile ductility in highly oriented injection-molded bars of polypropylene/carbon nanotubes composites [J]. POLYMER， 2007. 48（19）： 5688-5695.
作者简介
钟立才（1987.6—），男，汉族，甘肃兰州人，助理工程师；研究方向：高分子材料加工方向。