CN107696372B - 一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法 - Google Patents

一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于塑料加工成形技术领域，并公开了一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法，包括以下步骤：1)准备材料；2)获取加工条件：利用热重分析法获得光子晶体的分解温度，利用差示扫描量热法获得材料的玻璃化转变温度和粘流转变温度：3)准备模具；4)加入材料；5)升温加热：升温加热使光子晶体进入高弹态，并保温以保证光子晶体完全转化为高弹态；6)保压降温：升压使光子晶体相互结合，然后停止加热并保压，随模冷却至室温，从而得到透明制件。本发明避免材料因剪切流动和收缩所造成的分子链规则排布导致的制品宏观上的取向问题，制品微观下呈现均匀规则的周期性结构，成形质量好。

Description

一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法
技术领域
本发明属于塑料加工成形技术领域，更具体地，涉及一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法。
背景技术
塑料的主要成分是树脂，是单体通过加聚反应或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。大部分的塑料具备抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应，制造成本低，耐用、防水、质轻，容易被制造成不同形状，是良好的绝缘体等优异性能，因此被广泛使用，日常生活中电子产品外壳，家具外壳，餐具以及商品外包装等处处可以看到它们的身影。
塑料的成形方法多种多样，据统计已经有三十多种，包括压塑成形、挤出成形、注射成形、中空成形和压延等，其中注射成形方法和挤出成形方法使用得最多，也是最基本的成形方法。
塑料注射成形技术已经发展比较成熟，使用十分广泛，生产效率也比高，但是仍然存在一些问题，尤其在光学透明制品的取向问题上，由于存在双折射，成像的问题更加突出。高透明制件的加工，大到如战机舱罩，小到如相机镜片，传统加工工艺采用的是板材热压工艺，成形内应力大，后期加工容易产生微裂纹，新型工艺采用整体注射成形，虽然可以免去后续加工，但是由于加工过程中，材料在型腔内流动时会受到极大的剪切力作用，冷却过程还会由于冷却不均留下内应力，这些都将导致高分子材料长链产生规则的取向排布，使制件呈现各向异性。在光学成像仪器中，制件的取向会导致双折射问题以及图像畸变的问题，导致成像质量不佳。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法，方法简单，成形质量好。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备材料：通过原位聚合法获得光子晶体；
2)获取加工条件：获得光子晶体的分解温度、玻璃化转变温度和粘流转变温度；
3)准备模具：模具型腔的表面粗糙度为镜面级；
4)加入材料：取粉末状的光子晶体置于模具型腔内，预压压实以排出气体；
5)升温加热：升温加热使光子晶体进入高弹态，并保温以保证光子晶体完全转化为高弹态；
6)保压降温：升压使光子晶体相互结合，然后停止加热并保压，随模冷却至室温，从而得到透明制件。
优选地，步骤1)中，获取具有百纳米级别的均匀大小的光子晶体材料。
优选地，利用热重分析法获得光子晶体材料的分解温度。
优选地，利用差示扫描量热法获得光子晶体材料的玻璃化转变温度和粘流转变温度。
优选地，步骤5)中，加热达到的加工温度在玻璃化转变温度高与粘流态转变温度之间。
优选地，步骤5)中，加热达到的加工温度比玻璃化转变温度高5～50℃。
优选地，步骤6)中加压使光子晶体粉末材料相互结合组装成透明的光子晶体器件。
优选地，步骤3)中模具型腔的表面粗糙度为Ra0.08。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明主要借鉴金属半固态成形的概念，突破传统粘流态加工的方法，在塑料粉末材料处于高弹态时进行压力加工，可以保持原料的介观结构形态，避免材料因剪切流动和收缩所造成的分子链规则排布导致的制品宏观上的取向问题。其次，制品微观下呈现均匀规则的周期性，具有光子晶体结构；依据光子晶体的原理，可以通过控制原料微球的大小，改变光子晶体结构的周期以改变光子禁带在光谱中的位置，从而达到控制不可透过的光线的波长的效果。
附图说明
图1为本发明所用到的压片模具及压力机的示意图；
图2为本发明所用到的取件模具及压力机的示意图；
图3为采用本发明加工成形的聚甲基丙烯酸甲脂的高透明制件的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，以聚甲基丙烯酸甲酯为例，采用本发明描述的方法，加工成型高质量高透明制件样品。
具体步骤如下，
1)准备材料：通过甲基丙烯酸甲脂聚合反应，生成聚甲基丙烯酸甲酯乳液，冷冻干燥完全之后，得到聚甲基丙烯酸甲酯粉末，该粉末为纳米级别大小的微球结构，通过控制反应条件可以控制球体的大小，本实验以制得的直径为225nm微球为例。反应式如下：
2)获取加工条件：取原位聚合得到的聚甲基丙烯酸甲酯粉末样品，分别做热重分析实验(TG)和差示扫描量热法(DSC)实验，获取材料的分解温度、玻璃化转变温度以及粘流转化温度。以失重达到1％为标准，合成得到的PMMA粉末材料的分解温度为170℃，玻璃化转变温度为110.5℃，粘流转化温度为160℃，加工温度应该在110.5℃～160℃之间。由于玻璃态转化有滞后，故后续进行升温加热的加工温度比临界转变温度高5～50℃，实验证明本材料的加工温度在140℃加工效果较好；
3)准备模具：模具形状可以根据具体制品制作，本实验中采用Φ30的片材模具，光学制品精度要求较高，模具表面需要达到镜面级别，粗糙度为Ra0.08，具体可参考附图，模具的结构比较常规，其具有顶杆1，模具套2，模芯3，模具底座4和顶出盒5，顶出盒5是在后面步骤中需要将光学制品顶出时使用，其中光学晶体6放在模芯3内。
4)加入材料：取1.0g聚甲基丙烯酸甲酯光子晶体粉末材料置于模具型腔内，预压压实，排出气体；
5)升温加热：升温加热至140℃，保温一段时间，保证材料完全转化为高弹态；
6)保压降温：升高压力使光子晶体相互结合，本实验压力设置为20Mpa(压力的大小与材料的特性有关，一般压力达到10Mpa以上即可，但是过大的压力会致使溢料严重)，当压力稳定后关闭加热，随模冷却至室温；
7)取出制品：卸载压力，取出模具，换上顶出底座，使用压力机缓慢将制品压出，得到制品；若制品与模具结合过于紧密，可以用冷冻的方式将其分离，具体方法是，使用密封袋密封模芯，置于冰箱中冷冻15min即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光子晶体高弹态法制备高质量透明制件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备材料：通过原位聚合法获得光子晶体；
2)获取加工条件：获得光子晶体的分解温度、玻璃化转变温度和粘流转变温度；
3)准备模具：模具型腔的表面粗糙度为Ra0.08；
4)加入材料：取粉末状的光子晶体置于模具型腔内，预压压实以排出气体；
5)升温加热：升温加热使光子晶体进入高弹态，并保温以保证光子晶体完全转化为高弹态；其中，加热达到的加工温度在玻璃化转变温度与粘流态转变温度之间；
6)保压降温：升压使光子晶体相互结合，然后停止加热并保压，随模冷却至室温，从而得到透明制件。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤1)中，获取具有百纳米级别的均匀大小的光子晶体材料。
3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，利用热重分析法获得光子晶体的分解温度。
4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，利用差示扫描量热法获得材料的玻璃化转变温度和粘流转变温度。
5.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤6)中加压使光子晶体粉末材料相互结合组装成透明的光子晶体器件。
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