摘要
聚丙烯（Polypropylene，PP）因其低成本、高密度、优异的机械性能和强耐腐蚀性等特点，被广泛应用于汽车、包装、医疗、电子等领域。注射成型技术是PP相关产品的主要生产方式。为了实现可持续发展，通过在聚合物中引入泡孔结构以实现模塑产品轻量化的微孔注射成型（Microcellular injection molding,MIM）技术应运而生。然而，在充填过程中由于熔体的碰撞以及泡孔的迁移，塑件表面经常出现熔接痕、气痕或银纹等缺陷。为了改善表面质量，低成本的开合模微孔注射成型（Mold-opening microcellular injection molding，MOMIM）技术展现出了较大的发展潜力。本文将MIM技术和MOMIM技术与PP复合材料相结合，探讨了工艺参数与力学性能之间的关系，并且从微观角度揭示了填料与泡孔结构对发泡制品力学性能、表面质量以及熔接痕的影响机理。 首先，以超临界氮气（N2）为物理发泡剂，采用MIM技术制备了 PP/铝薄片（Al）发泡试样，样品内部呈现出典型的三明治结构，在芯层区域生成了球形的微米级泡孔。实验结果表明，超临界N2含量对泡孔直径和泡孔密度有显著影响，并且当超临界N2含量为0.6％时，由于填充过程中熔体前沿泡孔的膨胀增强了熔接痕处分子链的缠结，熔接痕的负面影响显著降低。发泡样品的熔接痕宽度由实心样品的30.41 μm降低至13.03 μm。熔接痕处泡孔的生长使Al薄片发生倾斜从而多平行于流动方向排列，而实心样品的Al薄片多垂直于流动方向排列。此外，平行于流动方向排列的Al薄片主要传递正应力，从而增强了熔接痕处分子链的缠结和弛豫能力，使发泡样品的弯曲模量提高了 29.01％。 其次，为提升MIM发泡制品的表面质量，深入探究泡孔结构对力学性能的影响机制，分别采用MIM和MOMIM技术制备了纯PP及PP/聚四氟乙烯（PTFE）发泡样品。结果表明，PTFE在PP基体内原位形成纳米纤维，改善了 PP的结晶行为和流变性能，从而提升了 PP的发泡能力，并且小直径的PTFE纤维网络提升效果更为显著。与MIM发泡样品的球形泡孔结构不同，MOMIM发泡样品在开模方向上呈现出了高度取向的泡孔结构。在拉伸测试中，取向泡孔的变形主要集中在泡孔壁上，通过泡孔壁的扭曲能够有效抵抗拉应力，从而提升材料的模量;在冲击应力作用下，取向泡孔通过沿短轴的纵向折叠或横向膨胀，有效地吸收冲击能量。由于PTFE的增强作用以及取向泡孔的应力响应机制，相比于MIM制备的纯PP发泡样品，MOMIM制备的PP/PTFE（400D）发泡样品的拉伸强度提高了 34.37％,冲击强度提高了 73.08％。此外，由于先填充后发泡的步骤减少了表面泡孔的破裂，MOMIM制备的PP/PTFE（400D）发泡样品的表面质量显著增强。 本文以PP及其复合材料为研究对象，通过MIM与MOMIM技术制备了不同结构与性能的发泡制品，探究了材料体系与微观泡孔结构对发泡制品力学性能、表面质量以及熔接痕的影响规律。研究成果能够为高性能PP复合材料的轻量化制备提供数据与理论支持，同时也为MIM技术以及MOMIM技术的应用和发展提供了有益的探索与启示。
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