壓力流場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程離不開物料的流動與變形。通過理論分析和實驗研究，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、實現(xiàn)加工過程模擬的必要前提與基礎(chǔ)。
　　聚合物材料在成型加工過程中的流動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有獲得足夠重視，其動態(tài)黏彈性往往是在拖曳流測試分析中完成表征，忽略了在聚合物加工過程中起重要作用的壓力流對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于復(fù)雜的限制，沒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程的典型流動形式——壓力流中的流變特性，本文開展了如下研究工作:
　　通過理論研究與實驗?zāi)M，分析聚合物熔體在壓力流場中的流變行為，總結(jié)聚合物熔體壓力流的表觀特性。研究表明，壓力流場中聚合物熔體的流變行為是非穩(wěn)態(tài)的，具有顯著的時變性;同時，壓力流場中聚合物熔體的壓力差異顯著，在空間

3、上有梯度、在時間上有波動。因而，動態(tài)流變特性和壓力依賴性是壓力流場中聚合物熔體流變行為分析的兩個重要內(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態(tài)流變行為的表征方法，建立了相應(yīng)動態(tài)流變性能的表征模型;同時，改進(jìn)了壓力流場中聚合物熔體穩(wěn)態(tài)流變行為的測試方法，通過比較聚合物熔體在前后兩個相同毛細(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)計原理，研制了一個壓力流通用實驗平臺。2）基于毛細(xì)管流場的分區(qū)特性，提出了一種軸向截分式熔體剪切力測量方法，通過自主研制的熔體剪切力變送器，實現(xiàn)了壓力流場中聚合物熔體剪切力的直接測量，解決了壓力流中聚合物熔體動態(tài)流變性能表征的關(guān)鍵問題。3）構(gòu)建了一種直線移動式

5、環(huán)形狹縫流變測試裝置，實現(xiàn)聚合物熔體在壓力流狀態(tài)下的動態(tài)流變測試，其振動頻率為5～30Hz，振動幅度為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)流變測試裝置。5）基于斜面自鎖原理設(shè)計了一種斜面鎖模結(jié)構(gòu)，為注塑實驗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)為試驗材料，研究了壓力流中聚合物熔體的動態(tài)流變行為。借助自制的直線移動式環(huán)形狹縫流變測試裝置，實驗研究了平行疊加壓力流對聚合物熔體動態(tài)流變性能的影響;通過商用旋轉(zhuǎn)流變儀，分析了平行疊加拖曳流的影響。20Hz、0.1mm的振動條件下，相對于純振動剪切流，疊加表觀剪切速率為3s-1的壓力流時PP的復(fù)數(shù)模量顯著增大，損耗角從純振動剪切流的46°降低為22.7°;類似條件下，PP在平行疊加拖曳流時復(fù)數(shù)模量略有

7、下降，但損耗角略增大。動態(tài)流變測試結(jié)果表明:在振動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，即不同的疊加流場形式對聚合物熔體動態(tài)流變行為的影響效果截然不同。并且，壓力流中LDPE的動態(tài)流變表征實驗顯示，疊加壓力流的剪切速率對LDPE動態(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)為實驗原料，分析了聚合物熔體剪切黏度的壓力依賴性。在測試范圍內(nèi)，LDPE黏度的壓力影響系數(shù)β約為11.7GPa-1，實驗結(jié)果與文獻(xiàn)中報道的已有數(shù)據(jù)基本吻合，證實了雙毛細(xì)管口模法的可行性。PS的壓力依賴性實驗研究結(jié)果顯示，相對于LDPE，PS的剪切黏度對壓力更敏感。
　　聚合物熔體在不同流動形式下其動態(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，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中聚合