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】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ηa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ηa,减小成型加工过程中流体阻力,从而达到节能降耗的目的；ηa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。振动力场下玩显著降低的现象,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ηa。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瓦随振幅的变化趋势,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,瓦和τ,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。
【作者】李祥刚；
【导师】李笃信；刘跃军；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2014，博士
【关键词】高剪切速率；非线性黏弹性；动态流变行为；物料函数；本构方程；

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