中航商用航空發(fā)動機有限責任公司 陳 巍

上海工程技術大學 張效迅 張才寶

聚偏氟乙烯(PVDF)是由偏氟乙烯(VDF)通過均聚或共聚而成的含氟樹脂。PVDF樹脂兼具氟樹脂和通用樹脂的特性，除具有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐氣候性、耐紫外線、耐輻射性能外，還有壓電性、熱電性等特殊的性能[1-2]。在含氟樹脂中，PVDF具有最高的抗張強度和抗壓縮強度以及出色的加工性能。PVDF的熔點(約170℃)與分解溫度(316℃)相差100℃以上，熱穩(wěn)定性高，因而具有良好的成形加工條件。

通常情況下，通過短纖維增強，可以獲得更高力學性能的PVDF制品，因此，在某些條件苛刻的場合下,PVDF甚至可以取代鈦合金、哈氏合金、蒙乃爾合金等材料，也被譽為合成樹脂中的“貴金屬”，在航空領域具有一定的應用前景。

PVDF的主要成型方式為注塑成型，熔體溫度、模具溫度等注塑成型工藝參數(shù)的控制對于PVDF注塑成型的力學行為有很大的影響[3-5]。因此，開展對PVDF注塑成型工藝與力學性能的研究，對在工程中正確設計PVDF制品，掌握其機械性能和評價產(chǎn)品質量具有非常重要的意義。

1 試驗

(1)試驗目的：通過控制注塑工藝的變化制備力學拉伸試樣，通過拉伸試驗，測試其力學行為，觀察注塑工藝對于力學行為的影響。通過在PVDF材料中添加一定量的短切纖維，分析比對增強纖維對PVDF力學性能的影響。

(2)試驗材料：試驗所用PVDF和短切纖維均為國產(chǎn)材料，短切纖維直徑為7μm 。

(3)試驗儀器：注塑成型使用震雄EASYMASTER注塑機，型號EM80-V，如圖1所示。

圖1 試驗用EM80-V注塑機Fig.1 Injection molding machine for experiment

試驗稱量設備使用佰倫斯電子秤。拉伸試驗在AG-25TA電子萬能材料試驗機上進行。

(4)試樣制備。PVDF試樣尺寸如圖2所示，圖3為試驗用模具。

從圖3可以清晰地看到模具的型腔以及其進膠的路線和頂出位置。

用吊車將圖3中所示模具安裝注塑機上，調整好模具的閉合高度。注塑成型之前，要先用一定量的PVDF材料對注塑機的機筒和噴嘴進行清洗，以防止在試樣中含有其他的雜質，完成注塑試驗之后，要及時地將機筒清洗干凈，防止堵塞注塑機。

(5)試驗方案。注塑成型若干個不同注塑工藝參數(shù)以及同等工藝參數(shù)下PVDF與短切碳纖維增強PVDF試樣，對其進行力學拉伸試驗，并對不同工藝參數(shù)注塑成型的PVDF試樣以及同等工藝參數(shù)添加不同量碳纖維的PVDF試樣的力學行為對比。

圖2 PVDF試樣(mm)Fig.2 PVDF specimen

圖3 試驗模具Fig.3 Mold for experiment

纖維增強PVDF按照纖維質量百分比1： 200，1： 133和1： 100進行混合。稱取3份400g的PVDF粉末，再分別稱取2g、3g、4g的短切碳纖維絲，分別將稱取的短切碳纖維絲添加到PVDF粉中，混合均勻。

關于短切碳纖維絲不能選擇長度太長的短切絲。短切碳纖維絲過長，容易纏繞在注塑機的螺桿上下不去，從而堵塞注塑機。短切碳纖維絲也不能添加過多，由于碳纖維這種材料的熔點高，流動性差，注塑過程中，碳纖維絲下不去，會造成注塑機堵塞。

影響PVDF成型性能的主要參數(shù)有熔體溫度、注射壓力、注射時間等。本試驗重點討論熔體溫度(即料溫)、注射壓力對材料力學性能的影響。本次試驗的成型工藝參數(shù)如表1所示。其中，#8、#9、#10試樣是分別在400g的PVDF粉中添加2g、3g和4g的短切碳纖維絲制成的試樣。

2 結果與討論

對#1～10試樣進行拉伸試驗，得出不同工藝條件下和添加不同含量的短切碳纖維絲試樣的抗拉強度，如表2所示。

對上述試驗數(shù)據(jù)進行處理，得出試樣彈性模量、抗拉強度、屈服強度隨注塑壓力和料溫的變化關系，如圖4～9所示。

由圖4～6可以看出，在250～280℃范圍內，隨著料溫的升高，注塑成型所得PVDF試件的抗拉強度是先上升，然后降低，波動的幅度很小；注塑所得的PVDF試件的屈服應力也會先升高再降低；注塑所得的PVDF試件的彈性模量逐漸減小，當料溫進一步升高到280℃時，注塑所得PVDF試件的彈性模量變得很小。

表1 注塑成型工藝參數(shù)

由圖7～9可以得出，其他工藝條件相同的情況下，隨著注塑成型過程中注射壓力從50%增加到80%，注塑成型所得PVDF試件的屈服強度先上升，然后下降，在3MPa左右有波動；隨著注射壓力逐漸增大，注塑所得PVDF試件的抗拉強度逐漸增大，當注射壓力達到70%，抗拉強度又會下降；注塑所得PVDF試件的彈性模量先上升后下降。

表2 拉伸試驗結果

圖4 彈性模量與料溫的變化關系Fig.4 Relationship between elasticity modulus and melt temperature

圖5 抗拉強度與料溫變化關系Fig.5 Relationship between tensile strength and melt temperature

圖6 屈服強度與料溫的變化關系Fig.6 Relationship between yield strength and melt temperature

圖7 彈性模量與注射壓力的變化關系Fig.7 Relationship between elasticity modulus and injection pressure

圖8 抗拉強度與注射壓力的變化關系Fig.8 Relationship between tensile strength and injection pressure

圖9 屈服強度與注射壓力的變化關系Fig.9 Relationship between yield strength and injection pressure

由圖10～12可知，注塑工藝條件完全相同的情況下，特種塑料PVDF中添加短切碳纖維絲比例為1：200、1 ：133、1：100，材料的抗拉強度有顯著的提升；隨著PVDF中短切碳纖維絲比例從1：200到1：100，材料的抗拉強度從42.1MPa下降到37.7MPa；然而，在PVDF中添加上述比例的短切碳纖維絲，對于材料的屈服強度沒有明顯的影響；材料的彈性模量先上升后下降。

圖10 彈性模量與增強纖維質量比變化關系圖Fig.10 Relationship between elasticity modulus and percentage of fiber

圖11 抗拉強度與增強纖維質量比的變化關系Fig.11 Relationship between tensile strength and percentage of fiber

圖12 屈服強度與增強纖維質量比的變化關系Fig.12 Relationship between yield strength and percentage of fiber

3 結論

本文研究了特種塑料PVDF的注射成型工藝參數(shù)改變和特種塑料PVDF中添加一定量的短切碳纖維絲對于特種塑料PVDF的力學行為的影響。通過注塑成型試驗，制備了不同工藝條件下的PVDF試樣以及同等工藝參數(shù)含2g、3g和4g的短切碳纖維絲的PVDF試樣。通過拉伸試驗，分析了不同工藝條件和同等工藝條件下含不同量短切碳纖維絲特種塑料PVDF的力學行為。主要結論如下：

(1)特種塑料PVDF的注塑成型工藝參數(shù)中，料溫的變化對于材料的抗拉強度沒有明顯的影響，當料溫過高時，彈性模量和屈服強度會有很大的下降。

(2)特種塑料PVDF的注塑成型工藝參數(shù)中，注射壓力的變化對于材料的力學性能影響不大。

(3)特種塑料PVDF中添加一定量的碳纖維，對于材料的抗拉強度有顯著的提高，但隨著纖維含量的增加，其強度呈現(xiàn)下降趨勢，因此在使用過程中必須嚴格控制纖維含量，達到最佳配比，以發(fā)揮其最佳性能。

[1] 吳金坤. PVDF的特性及其生產(chǎn)現(xiàn)狀. 化工新型材料.1999(6)：10-13.

[2] 卓震. 聚偏二氟乙烯(PVDF)特性及其在工業(yè)工程中的應用. 腐蝕科學與防護技術, 2004, 16(2)：118-120.

[3] 張甲敏,王雪靜,連照勛. 聚偏二氟乙烯注塑成型技術. 塑料科技 ,2008, 36(10)：58-61.

[4] 戚曉芳,余琨,馮玉軍,等. 拉伸工藝對聚偏二氟乙烯結構性能的影響. 東南大學學報,1999, 29(11)：68-73.

[5] 張士林,范孜娟. 聚偏氟乙烯樹脂性能加工應用. 工程塑料應用 , 2005(4)： 67-69．