高剪切速率下高分子熔体动态流变行为的表征及应用

摘要

高分子的成型加工大部分在较高剪切速率下完成，例如注射成型的剪切速率范围约为10s-1-104s-1。因此，研究高剪切速率下高分子熔体的动态流变行为对加工流场中材料结构的表征、本构方程的检验等有重要意义，也可以指导高分子成型工艺及设备的优化与改进。但目前该领域的研究很少，主要是因为商业化的流变仪进行高分子熔体动态流变实验所能达到的最高剪切速率一般小于10s-1。
　　本文建立了剪切应力、剪切速率和剪切应变的测试理论，自行搭建了实验平台，实现了高剪切速率下动态流变行为的研究。根据对实验平台的功能分析，确定流动方式为泊肃叶流动，测试模式为平行叠加振荡模式。对平行叠加振荡剪切测试的流场进行分析，构建物理模型和数学模型，建立了相应的流变测试理论，根据柱塞运动速度、熔体压力、口模和料筒尺寸等可以直接控制或测量的物理量，求得剪切应力、剪切速率和剪切应变等可以描述流变行为的量。根据建立的流变测试理论进行计算，确定了毛细管、料筒等一些关键零部件的设计与选型。搭建的实验平台温度控制误差小于±0.4℃，振动频率控制误差不超过0.1Hz、相对误差不超过0.2％，振幅控制相对误差在5％～0.5％的范围内，均满足实验要求。
　　基于自行搭建的实验平台，推导了可以表征高剪切速率下高分子熔体非线性黏弹性的物料函数。实验研究了振动对剪切应力的影响，结果表明:剪切应力可分解为稳态分量和动态分量;剪切速率动态分量的应力响应存在非线性，不能简单沿用线性黏弹性区动态流变测试的物料函数;随振幅增大，叠加振荡流场对稳态流场的影响越来越显著。定义玩为平行叠加振荡流场稳态分量的表观黏度，作为表征平行叠加振荡流场稳态分量流变行为的物料函数。根据傅里叶变换流变学法和应力分解法，分别推导了表征平行叠加振荡流场动态分量流变行为的物料函数。
　　选取综合性能优异、用量大的通用塑料PP及其共混、填充改性体系进行实验研究，结果表明:振动可以显著降低(η)α，减小成型加工过程中流体阻力，从而达到节能降耗的目的;(η)α的降低程度受到振幅和频率的协同作用，对剪切速率没有依赖性。振动力场下(η)α显著降低的现象，可以用高分子蠕动模型和自由体积理论解释。对PP/PS共混体系的流变实验研究表明，振动并未使PP/PS发生明显的可以影响流变行为的相形态变化。对PP/CaCO3填充体系的流变实验研究表明，成型加工过程中，振动力场可以改变无机刚性粒子在聚合物基体中的分散性，降低复合材料熔体的(η)α。
　　根据Wagner方程，推导了高剪切速率下平行叠加振荡剪切流场的物料函数的理论计算结果。选择PP进行研究，将物料函数的计算值与实测值进行对比，结果表明:Wagner本构方程的预测结果可以反映(η)α随振幅的变化趋势，且在振幅较小时，傅里叶流变学法得到的剪切应力基波振幅τ1的理论值与实测值较吻合。但是，随振幅增大，(η)α和τ1的理论值与实测值之间偏差增大，应寻找更为普适的衰减函数，改进Wager本构方程。

目录

声明

摘要

符号表

1 绪论

1．1 前言

1．1．1 流变测试模式及其物料函数

1．1．2 流变测试仪器

1．1．3 本构方程

1．2 高分子材料高剪切速率与动态流变行为的研究现状

1．2．1 高剪切速率流变行为的研究

1．2．2 动态流变行为的研究

1．2．3 高剪切速率下动态流变行为的研究

1．3 聚丙烯(PP)材料及其改性体系流变行为的研究进展

1．3．1 PP及其改性方法

1．3．2 PP的流变行为研究

1．3．3 PP／PS共混体系的流变行为研究

1．3．4 PP／CaCO3填充体系的流变行为研究

1．4 本文的研究目的、内容和意义

2 高剪切速率动态流变测试理论研究

2．1 高剪切速率动态流变测试平台核心结构设计

2．1．1 流动方式的确定

2．1．2 测试模式的确定

2．1．3 核心结构的设计

2．2 剪切应力的计算

2．3 剪切应力计算公式参数的确定

2．3．1 基于“不可压缩”假设的参数确定方法

2．3．2 基于“可压缩”假设的参数确定方法

2．4 剪切速率和剪切应变的计算

2．5 本章小结

3 高剪切速率动态流变测试平台的搭建

3．1 关键零部件的设计与选型

3．1．1 毛细管尺寸的设计

3．1．2 料筒尺寸的设计

3．1．3 动力系统及传动系统的选配

3．1．4 传感器的选型

3．1．5 加热系统的选型

3．2 最终设计方案

3．2．1 硬件部分

3．2．2 软件部分

3．2．3 整体结构

3．3 控制精度分析

3．3．1 实验材料

3．3．2 实验方案

3．3．3 数据处理方法

3．3．4 结果分析

3．4 本章小结

4 高剪切速率动态流变行为的表征理论研究

4．1 剪切应力稳态分量与动态分量的分解

4．1．1 实验研究

4．1．2 分析与讨论

4．2 表征平行叠加振荡流场稳态分量流变行为的物料函数

4．3 表征平行叠加振荡流场动态分量流变行为的物料函数

4．3．1 傅里叶变换流变学法

4．3．2 应力分解法

4．4 实验数据处理

4．4．1 实验研究

4．4．2 剪切应力的计算

4．4．3 基于傅里叶流变学法计算物料函数

4．4．4 基于应力分解法计算物料函数

4．5 本章小结

5 高剪切速率下动态流变行为表征在PP及其改性体系的加工中的应用

5．1 实验原材料

5．2 实验仪器

5．3 复合材料的制备

5．4 实验方案

5．5 实验结果

5．5．1 振幅的影响

5．5．2 频率的影响

5．5．3 剪切速率的影响

5．6 分析和讨论

5．6．1 振动对-ηa影响的讨论

5．6．2 共混改性对-ηa影响的讨论

5．6．3 填充改性对-ηa影响的讨论

5．7 本章小结

6 基于高剪切速率下PP的动态流变行为检验wagner本构方程

6．1 概述

6．2 基于Wagner本构方程推导平行叠加振荡剪切流场的物料函数

6．2．1 Wagner本构方程

6．2．2 记忆函数的确定

6．2．3 衰减函数的确定

6．2．4 平行叠加流场的剪切应力的计算

6．3 PP在高剪切速率下的动态物料函数的计算

6．3．1 实验研究

6．3．2 记忆函数的确定

6．3．3 衰减函数的确定

6．3．4 理论与实测结果对比

6．4 基于PP的动态流变行为检验Wagner本构方程的适用性

6．4．1 实验研究

6．4．2 PP物料函数实测与计算结果的对比

6．4．3 分析与讨论

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间主要的研究成果

致谢