超声辅助聚合物粉体烧结成型及机理研究

Sintering processing provides a feasible route to fabricate polymer products from polymer powder, particularly, which is difficult to be processed using conventional processing technologies. However, the poor interfacial interdiffusion of polymer molecule chains during sintering and the long processing time limit the development of sintering processing. In this project, we propose a creative strategy to introduce the ultrasonic vibration into sintering processing. The effect of ultrasonic vibration on sintering processing will be investigated; meanwhile the microstructure (e.g. degree of chains interdiffusion, recrystallization, and dispersion of nanofiller) will be controlled by tuning ultrasonic vibration during the ultrasonic-assisted sintering of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) powder. Based on the impact fracture behaviors and mechanical property, the relationship of microstructure and properties will be illustrated. A theory framework of ultrasonic-assisted sintering processing will be set up on the basis of the complete understanding mechanism of ultrasonic vibration in the sintering processing via simulating the process of sintering. And then, the application of ultrasonic-assisted sintering processing will be expanded in stereocomplex-type polylactide powder. The completion of this project is expected to not only provide a promising way to fabricate high-performance polymer and its composite materials but also promote the development of the processing of polymer powder.

烧结成型是聚合物粉体（尤其是难以采用传统熔融加工成型的聚合物）加工成型的重要途径。针对聚合物及其复合粉末烧结成型中分子链在界面区扩散程困难、成型效率低等问题，本项目提出在烧结成型过程中引入超声振动技术的策略来促进界面区分子链扩散，提高成型效率。以超高分子量聚乙烯及其复合粉末为研究对象，系统研究超声工艺条件对聚合物烧结成型的影响规律，深入分析超声振动对聚合物分子链的扩散、再结晶及纳米填料分散、分布等微观结构的调控作用，并结合制品性能测试，揭示结构与性能的关系；通过可视化窗口模拟超声辅助成型过程并利用计算机建立相关模型，将理论模型与实验结果进行对比，阐明超声辅助成型的作用机理，建立超声辅助烧结成型方法学；探索超声辅助烧结成型在立构复合型聚乳酸体系中的应用。本项目的开展不仅有望为高性能聚合物及其复合材料的制备提供一种新的思路和方法，还可以为聚合物粉体加工成型技术的多元化发展提供启迪和借鉴。

针对聚合物及其复合粉末烧结成型中分子链在界面区扩散程困难、成型效率低等问题，本项目提出超声辅助烧结成型技术提高烧结成型过程粉末颗粒的运动能力，促进聚合物分子链的扩散、再结晶，缩短成型时间。主要工作内容如下：（1）系统研究了超声功率、频率、时间等工艺参数对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粉末成型时界面区微观结构及界面间粘接强度的影响规律，并通过优化工艺条件实现了界面区微观结构的有效调控。（2）通过探究不同分子量UHMWPE粉末对超声辅助烧结成型过程中生坯和最终制品的结构与性能的关系，揭示了烧结过程中UHMWPE分子链的扩散、再结晶的程度的重要性，明确了UHMWPE粉末超声辅助烧结成型的作用机理，并通过引入高密度聚乙烯（HDPE）粉末进一步优化烧结制品的性能。（3）相比于传统烧结成型制备UHMWPE/碳纳米管（CNT）复合材料，超声辅助烧结成型，一方面可以促进CNT在界面处的分散，减少烧结后制品缺陷的产生；另一方面可以促进UHMWPE分子链的运动，减小CNT在界面处的阻碍作用。制备的复合材料同时具有优异的导电性和力学性能，复合材料的导电逾渗值φ_c为0.19 wt%。（4）成功验证了立构复合型聚乳酸（SC-PLA）超声辅助烧结成型的可行性，在超声波作用下可以促进左旋聚乳酸（PLLA）和右旋聚乳酸（PDLA）分子链的扩散以及配对结晶形成SC晶体，烧结时间缩短了50%。通过本项目的研究，为聚合物粉末成型提供了坚实的理论基础和一种新的思路，具有重要的学术意义。