高压流体黏度测试装置的设计及聚合物熔体黏度压力敏感性实验研究

摘要

黏度参数是研发材料配方和加工工艺条件由此得到成品最优内在质量与外观的极为重要的参数。伴随着聚合物材料加工向着高精度、高性能方向发展，黏度参数受到越来越多的重视。在前人对于聚合物黏度影响因素的研究中，温度和剪切速率一直是研究的重点，关于压力对聚合物熔体黏度影响的研究较少。
　　本文设计了一种高压流体黏度测试装置，测试在不同压力下低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS）三种聚合物熔体的黏度。分析了分子结构、剪切速率、温度对黏度压力敏感性的影响机理。利用恒剪切速率法、恒剪切应力法、叠加法计算三种聚合物的黏度压力敏感性系数，分析了三种方法的差异与联系。使用自行设计的拉伸混合器制备了PP\Nano-CaCO3复合材料，并利用恒剪切速率法、恒剪切应力法计算了PP\Nano-CaCO3的黏度压力敏感性系数。
　　高压流体黏度测试装置具有多阶分压式口模组件，实验发现该口模组件能够达到很好的增压与分压效果。一次测试能够得到三个不同压力下的黏度，能够直观的观察聚合物熔体的黏度压力依存性，并且提高了实验效率。
　　利用三种方法分别计算了LDPE、PP、PS的黏度压力敏感性系数。实验表明三种材料的压力敏感性关系为P S＞PP＞LDPE;分子刚性越强，黏度压力敏感性越高;随着剪切速率和温度的升高黏度压力敏感性系数减小;由恒剪切速率法计算的黏度压力敏感性系数βγ随着剪切速率的升高而降低;利用恒剪切应力法计算得出的黏度压力敏感性系数βσ为恒定值;利用叠加法计算的黏度压力敏感性系数βθ与上述两种方法计算的βγ和βσ存在联系，βθ与βσ较为接近，βθ≈nβγ。
　　利用不同拉伸间隙的拉伸混合器对PP\Nano-CaCO3复合材料进行了拉伸混合。当拉伸间隙h=1000μm时，Nano-CaCO3在PP中分散效果最好。计算了PP\Nano-CaCO3复合材料的黏度压力敏感性系数，实验发现随着Nano-CaCO3质量分数的增加，填充体系的黏度压力敏感性下降。当Nano-CaCO3填充质量分数较低时(5％)填充体系的黏度压力敏感性系数略高于纯PP，当填充质量分数增大时(10％，15％)填充体系的压力敏感性系数低于纯PP。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 流变学简介

1．2 流变测量方法

1．2．1 旋转流变仪

1．2．2 转矩流变仪

1．2．3 毛细管流变仪

1．3 聚合物黏度压力敏感性

1．4 聚合物黏度压力依存性测试设备与方法

1．4．1 出口增压法

1．4．2 双柱塞法

1．4．3 拖曳流法

1．5 本课题研究的意义和内容

第二章 流变仪结构设计与数值模拟分析

2．1．1 传动组成与原理

2．1．2 动力学计算

2．1．3 零件的选型与校核

2．2 多阶分压式口模结构设计

2．3 多阶分压式口模数值模拟分析

2．3．1 建立物理模型

2．3．2 网格划分

2．3．3 本构模型的选择

2．3．4 设定边界条件

2．3．5 模拟结果后处理

2．3．6 结果分析

2．4 多阶分压式口模结构增压、分压效果评价

2．5 本章小结

第三章 低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯熔体黏度压力敏感性实验研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方案与步骤

3．2 熔体黏度压力敏感性计算分析

3．2．1 黏度压力敏感性系数的计算

3．2．2 分子结构对聚合物熔体黏度压力敏感性的影响

3．2．3 剪切速率对聚合物熔体黏度压力敏感性的影响

3．2．4 温度对聚合物熔体黏度压力敏感性的影响

3．2．5 对恒剪切速率法计算压力敏感性系数的评价

3．3 恒剪切应力法、叠加法计算黏度压力敏感性系数

3．3．1 恒剪切应力法

3．3．2 叠加法

3．3．3 三种方法的评价

3．4 本章小结

第四章 静态拉伸混合器的设计

4．1 拉伸混合器的结构设计

4．2 不同拉伸间隙分散效果评价

4．2．1 PP／Nano-CaCO3复合材料的制备

4．2．2 PP／Nano-CaCO3复合材料分散性表征

4．2．3 拉伸强度对PP／Nano-CaCO3力学性能的影响

4．3 小结

第五章 PP／Nano-CaCO3复合材料黏度压力敏感性研究

5．2 PP／Nano-CaCO3复合材料的流动特性

5．3 PP／Nano-CaCO3复合材料的压力敏感性计算

5．3．1 粒子含量对PP／Nano-CaCO3黏度压力敏感性系数的影响

5．3．3 恒剪切应力法计算PP／Nano-CaCO3复合材料压力敏感性系数

5．4 PP／Nano-CaCO3复合材料与纯PP黏度压力敏感性的比较

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 本课题不足之处

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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