聚合物成形中多场作用下结晶过程的超声波原位表征

Crystallization is one of the condensed states for polymers, which greatly affects the final performance of polymeric products. However, by now, the theories of polymer crystallization during injection molding process are still not mature, which is mainly attributed to lack of effective methods for in-situ characterization of polymer crystallization. Based on previous research results, this proposal intends to develop an in-situ ultrasonic characterization method for visualizing the change in crystallinity, grain size and crystalline type during injection molding process. The main research content includes: developing methods for crystallinity characterization by ultrasonic velocity, which is based on the linear relationship between crystallinity and ultrasonic velocity found by us; developing methods for grain size characterization by ultrasonic attenuation, based on ultrasonic scattering and absorbing behaviors in polymers; developing methods for crystalline type characterization, based on the relationship among the ultrasonic signals, mechanical properties, relaxation behaviors, and crystalline types; establishing experimental platform for in-situ characterizing polymer crystallization process in non-isothermal and high-shear fields. The achievements of this study can provide a novel method for in-situ polymer crystallization characterization, which would have broad and promising applications in optimizing polymeric products performance, and can promote the progress of polymer processing industry.

结晶态属于聚合物凝聚态直接影响制品最终的使用性能。然而，目前注射成形中聚合物结晶调控理论还非常粗略，究其原因是缺乏经济有效的成形条件下聚合物结晶过程的原位表征手段。在前期研究成果的基础上，本项目拟借助于超声无损检测技术开发出高精度低成本并可用于生产实际的结晶过程原位表征方法，实现聚合物结晶度、晶粒粒度及结晶晶型演化行为的"可视化"。具体研究内容包括：基于项目组发现的结晶度与超声速度之间的线性关系，建立聚合物结晶度的声速表征方法；研究超声波在聚合物中的散射及吸收衰减行为，建立晶粒粒度的声衰减表征方法；研究超声信号、力学性能、松弛行为与结晶晶型的关联模型，建立聚合物晶型的超声波表征方法；搭建实验研究平台开展非等温场、高剪切场下超声原位表征结晶的实验研究。 本项目成功后可为聚合物结晶过程的原位表征提供一种全新的方法，在聚合物制品性能优化调控方面具有广阔的应用前景，有望推动聚合物加工工业的进步。

本项目借助于超声无损检测技术实现聚合物结晶度、晶粒粒度及力学性能的在线测量，取得如下工作进展：1）建立了超声波在多层介质中传播的时域声场模型，实现了聚合物中超声参量的反演计算；2）发现超声声速倒数与结晶度之间的线性关系，提出了聚合物结晶度的超声速度表征方法；3）建立了超声衰减系数与晶粒粒度之间的数学模型，提出了晶粒粒度分布的反卷积算法；4）从声波动方程出发，建立了描述聚合物弹性模量的超声参量数学模型，提出了聚合物力学性能的超声表征方法；5）研制出非等温高剪切注射成形超声原位表征实验平台；6）提出微发泡注射成形过程的超声波原位表征方法；7）提出注射机锁模力与成形中型腔压力的超声波在线测量方法。.本项目已发表SCI论文21篇（其中3篇封面论文），EI论文6篇。除期刊论文外，本项目还在美国塑料工程师协会年会（ANTEC）上发表EI会议论文3篇（其中2篇最佳论文）。项目负责人参加国际会议7人次，作大会报告1次，邀请报告4次。授权国家发明专利8件。培养博士生3人，硕士生6人。获中国机械工业科学技术奖一等奖（排第3）。