壓力流場(chǎng)中聚合物熔體的流變特性及其表征研究.pdf

1、聚合物材料的成型加工過(guò)程離不開(kāi)物料的流動(dòng)與變形。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，表征聚合物的流變特性，掌握聚合物熔體的流變行為及其規(guī)律，是合理選擇成型工藝、優(yōu)化加工設(shè)備、實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程模擬的必要前提與基礎(chǔ)。
　　聚合物材料在成型加工過(guò)程中的流動(dòng)形式主要是壓力流和拖曳流。然而，聚合物熔體在壓力流中的流變性能變化目前并沒(méi)有獲得足夠重視，其動(dòng)態(tài)黏彈性往往是在拖曳流測(cè)試分析中完成表征，忽略了在聚合物加工過(guò)程中起重要作用的壓力流對(duì)聚合物材料流變性能的

2、影響。另一方面，聚合物熔體穩(wěn)態(tài)流變性能的壓力依賴性研究受表征方法過(guò)于復(fù)雜的限制，沒(méi)有成為聚合物加工性能分析的常規(guī)考察因素。為了研究聚合物熔體在成型加工過(guò)程的典型流動(dòng)形式——壓力流中的流變特性，本文開(kāi)展了如下研究工作:
　　通過(guò)理論研究與實(shí)驗(yàn)?zāi)M，分析聚合物熔體在壓力流場(chǎng)中的流變行為，總結(jié)聚合物熔體壓力流的表觀特性。研究表明，壓力流場(chǎng)中聚合物熔體的流變行為是非穩(wěn)態(tài)的，具有顯著的時(shí)變性;同時(shí)，壓力流場(chǎng)中聚合物熔體的壓力差異顯著，在空間

3、上有梯度、在時(shí)間上有波動(dòng)。因而，動(dòng)態(tài)流變特性和壓力依賴性是壓力流場(chǎng)中聚合物熔體流變行為分析的兩個(gè)重要內(nèi)容。
　　完善聚合物熔體在壓力流狀態(tài)下流變性能的表征方法及理論。創(chuàng)新地提出了壓力流中聚合物熔體動(dòng)態(tài)流變行為的表征方法，建立了相應(yīng)動(dòng)態(tài)流變性能的表征模型;同時(shí)，改進(jìn)了壓力流場(chǎng)中聚合物熔體穩(wěn)態(tài)流變行為的測(cè)試方法，通過(guò)比較聚合物熔體在前后兩個(gè)相同毛細(xì)管口模上的壓力降差異，在傳統(tǒng)毛細(xì)管流變儀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了聚合物熔體剪切黏度的壓力依賴性表征

4、，并建立了壓力影響系數(shù)的計(jì)算模型。
　　為彌補(bǔ)現(xiàn)有聚合物熔體流變性能表征工具的不足，研制了一系列流變測(cè)試裝置。1）為了提供可控的熔體壓力流，基于經(jīng)典毛細(xì)管流變儀的結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)原理，研制了一個(gè)壓力流通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2）基于毛細(xì)管流場(chǎng)的分區(qū)特性，提出了一種軸向截分式熔體剪切力測(cè)量方法，通過(guò)自主研制的熔體剪切力變送器，實(shí)現(xiàn)了壓力流場(chǎng)中聚合物熔體剪切力的直接測(cè)量，解決了壓力流中聚合物熔體動(dòng)態(tài)流變性能表征的關(guān)鍵問(wèn)題。3）構(gòu)建了一種直線移動(dòng)式

5、環(huán)形狹縫流變測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)聚合物熔體在壓力流狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)流變測(cè)試，其振動(dòng)頻率為5～30Hz，振動(dòng)幅度為0.05～12.5mm，壓力流流量可達(dá)295ml/min。4）基于經(jīng)典恒速型毛細(xì)管流變儀的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合自制的毛細(xì)管出口增壓模塊，提出了一種雙毛細(xì)管口模法測(cè)試聚合物熔體的剪切黏度壓力依賴性，建立了壓力可調(diào)式穩(wěn)態(tài)流變測(cè)試裝置。5）基于斜面自鎖原理設(shè)計(jì)了一種斜面鎖模結(jié)構(gòu)，為注塑實(shí)驗(yàn)研究提供了小型模具，構(gòu)建了柱塞式注塑裝置。
　　以聚丙

6、烯(PP)和低密度聚乙烯(LDPE)為試驗(yàn)材料，研究了壓力流中聚合物熔體的動(dòng)態(tài)流變行為。借助自制的直線移動(dòng)式環(huán)形狹縫流變測(cè)試裝置，實(shí)驗(yàn)研究了平行疊加壓力流對(duì)聚合物熔體動(dòng)態(tài)流變性能的影響;通過(guò)商用旋轉(zhuǎn)流變儀，分析了平行疊加拖曳流的影響。20Hz、0.1mm的振動(dòng)條件下，相對(duì)于純振動(dòng)剪切流，疊加表觀剪切速率為3s-1的壓力流時(shí)PP的復(fù)數(shù)模量顯著增大，損耗角從純振動(dòng)剪切流的46°降低為22.7°;類似條件下，PP在平行疊加拖曳流時(shí)復(fù)數(shù)模量略有

7、下降，但損耗角略增大。動(dòng)態(tài)流變測(cè)試結(jié)果表明:在振動(dòng)剪切流上平行疊加壓力流使得聚合物熔體的黏彈性增大且彈性更強(qiáng)，而平行疊加拖曳流則效果相反，即不同的疊加流場(chǎng)形式對(duì)聚合物熔體動(dòng)態(tài)流變行為的影響效果截然不同。并且，壓力流中LDPE的動(dòng)態(tài)流變表征實(shí)驗(yàn)顯示，疊加壓力流的剪切速率對(duì)LDPE動(dòng)態(tài)黏彈性能的變化有一定影響，隨著疊加壓力流剪切速率的升高，LDPE熔體復(fù)數(shù)模量上升幅度、損耗角減小幅度增大。
　　以低密度聚乙烯(LDPE)和聚苯乙烯(P

8、S)為實(shí)驗(yàn)原料，分析了聚合物熔體剪切黏度的壓力依賴性。在測(cè)試范圍內(nèi)，LDPE黏度的壓力影響系數(shù)β約為11.7GPa-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道的已有數(shù)據(jù)基本吻合，證實(shí)了雙毛細(xì)管口模法的可行性。PS的壓力依賴性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，相對(duì)于LDPE，PS的剪切黏度對(duì)壓力更敏感。
　　聚合物熔體在不同流動(dòng)形式下其動(dòng)態(tài)流變行為的顯著差異的發(fā)現(xiàn)，為聚合物加工性能研究揭示了新的分析方向。同時(shí)，本論文提供的一系列表征方法及裝置為深入研究加工流場(chǎng)中聚合