压力流场中聚合物熔体的流变特性及其表征研究

【摘要】摘要：聚合物材料的成型加工过程离不开物料的流动与变形。通过理论分析和实验研究,表征聚合物的流变特性,掌握聚合物熔体的流变行为及其规律,是合理选择成型工艺、优化加工设备、实现加工过程模拟的必要前提与基础。聚合物材料在成型加工过程中的流动形式主要是压力流和拖曳流。然而,聚合物熔体在压力流中的流变性能变化目前并没有获得足够重视,其动态黏弹性往往是在拖曳流测试分析中完成表征,忽略了在聚合物加工过程中起重要作用的压力流对聚合物材料流变性能的影响。另一方面,聚合物熔体稳态流变性能的压力依赖性研究受表征方法过于复杂的限制,没有成为聚合物加工性能分析的常规考察因素。为了研究聚合物熔体在成型加工过程的典型流动形式——压力流中的流变特性,本文开展了如下研究工作：通过理论研究与实验模拟,分析聚合物熔体在压力流场中的流变行为,总结聚合物熔体压力流的表观特性。研究表明,压力流场中聚合物熔体的流变行为是非稳态的,具有显著的时变性；同时,压力流场中聚合物熔体的压力差异显著,在空间上有梯度、在时间上有波动。因而,动态流变特性和压力依赖性是压力流场中聚合物熔体流变行为分析的两个重要内容。完善聚合物熔体在压力流状态下流变性能的表征方法及理论。创新地提出了压力流中聚合物熔体动态流变行为的表征方法,建立了相应动态流变性能的表征模型；同时,改进了压力流场中聚合物熔体稳态流变行为的测试方法,通过比较聚合物熔体在前后两个相同毛细管口模上的压力降差异,在传统毛细管流变仪的基础上实现了聚合物熔体剪切黏度的压力依赖性表征,并建立了压力影响系数的计算模型。为弥补现有聚合物熔体流变性能表征工具的不足,研制了一系列流变测试装置。1)为了提供可控的熔体压力流,基于经典毛细管流变仪的结构形式与设计原理,研制了一个压力流通用实验平台。2)基于毛细管流场的分区特性,提出了一种轴向截分式熔体剪切力测量方法,通过自主研制的熔体剪切力变送器,实现了压力流场中聚合物熔体剪切力的直接测量,解决了压力流中聚合物熔体动态流变性能表征的关键问题。3)构建了一种直线移动式环形狭缝流变测试装置,实现聚合物熔体在压力流状态下的动态流变测试,其振动频率为5～30Hz,振动幅度为0.05-12.5mm,压力流流量可达295ml/min。4)基于经典恒速型毛细管流变仪的设计原理,结合自制的毛细管出口增压模块,提出了一种双毛细管口模法测试聚合物熔体的剪切黏度压力依赖性,建立了压力可调式稳态流变测试装置。5)基于斜面自锁原理设计了一种斜面锁模结构,为注塑实验研究提供了小型模具,构建了柱塞式注塑装置。以聚丙烯(PP)和低密度聚乙烯(LDPE)为试验材料,研究了压力流中聚合物熔体的动态流变行为。借助自制的直线移动式环形狭缝流变测试装置,实验研究了平行叠加压力流对聚合物熔体动态流变性能的影响；通过商用旋转流变仪,分析了平行叠加拖曳流的影响。20Hz、0.1mm的振动条件下,相对于纯振动剪切流,叠加表观剪切速率为3s-1的压力流时PP的复数模量显著增大,损耗角从纯振动剪切流的460降低为22.7。；类似条件下,PP在平行叠加拖曳流时复数模量略有下降,但损耗角略增大。动态流变测试结果表明：在振动剪切流上平行叠加压力流使得聚合物熔体的黏弹性增大且弹性更强,而平行叠加拖曳流则效果相反,即不同的叠加流场形式对聚合物熔体动态流变行为的影响效果截然不同。并且,压力流中LDPE的动态流变表征实验显示,叠加压力流的剪切速率对LDPE动态黏弹性能的变化有一定影响,随着叠加压力流剪切速率的升高,LDPE熔体复数模量上升幅度、损耗角减小幅度增大。以低密度聚乙烯(LDPE)和聚苯乙烯(PS)为实验原料,分析了聚合物熔体剪切黏度的压力依赖性。在测试范围内,LDPE黏度的压力影响系数β约为11.7GPa-1,实验结果与文献中报道的已有数据基本吻合,证实了双毛细管口模法的可行性。PS的压力依赖性实验研究结果显示,相对于LDPE,PS的剪切黏度对压力更敏感。聚合物熔体在不同流动形式下其动态流变行为的显著差异的发现,为聚合物加工性能研究揭示了新的分析方向。同时,本论文提供的一系列表征方法及装置为深入研究加工流场中聚合物的流变性能创造了有利条件。图76幅,表16个,参考文献131篇
【作者】黄宇刚；
【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，2013，博士
【关键词】压力流；流变特性；聚合物熔体；动态黏弹性；压力依赖性；表征方法；平行叠加；流动方式；

【参考文献】
[1]安辉.面向工业检测的无线多模数据集中器的设计与应用[D].燕山大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[2]陈小龙.教务管理平台报表开发的设计与实现[D].华中师范大学,现代教育技术,2014,硕士.
[3]李军,朱建新,李庆彪,黄际伟,陶熏.高能量密度锂离子电池电极材料研究进展[J].化工新型材料,2015,01:15-16+36.
[4]曲岩.TACE联合索拉非尼治疗中晚期肝细胞癌患者的安全性、有效性及预后因素分析[D].第二军医大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[5]韩琼.土地管理信息化方案与策略研究[D].中国地质大学,2003.
[6]王明.电商金融对中小企业融资支持的研究[D].海南大学,金融学,2014,硕士.
[7]刘红梅,潘世福.西门子高精度电子皮带秤在河南济钢的应用[J].冶金自动化,2013,02:89.
[8]段峰.柴油/甲醇组合燃烧方式在增压柴油机上的应用研究[D].天津大学,动力机械及工程,2004,硕士.
[9]黄考利.军用自动测试系统（ATS）体系结构及智能故障诊断方法研究[D].南京理工大学,2004.
[10]张震.心理训练用于轮椅篮球运动员运动性心理疲劳的实验研究[D].西安体育学院,体育,2013,硕士.
[11]孙常防.双源CT支气管动脉成像技术在咯血诊断中的应用研究[D].泰山医学院,影像医学与核医学,2012,硕士.
[12]王叶芳.泰宁公文流转管理系统的分析与设计[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[13]孙开国.我国禽蛋流通模式评价研究[D].首都经济贸易大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[14]郭巧莲.某数据记录装置的设计与实现[D].中北大学,电路与系统,2014,硕士.
[15]吴建涛.BQ-123对兔急性肺栓塞溶栓后肺缺血—再灌注损伤保护作用的实验研究[D].南方医科大学,心胸外科,2012,硕士.
[16]裴大为.篦齿蒿及其有效活性部位的抑菌抗炎保肝作用研究[D].内蒙古农业大学,基础兽医学,2012,硕士.
[17]张杰.棉铃虫Cry1Ac和Cry2Ab非隐性抗性的适合度代价[D].南京农业大学,农业昆虫与害虫防治,2013,硕士.
[18]景丽,邵克勇,卞永钊,高立群.离散线性开关系统切换的模糊方法[J].控制与决策,2002,06:916-919.
[19]戴茂方,张利,应建平,李传斌,陈进.模块化设计中的组合式编码方法[J].农业机械学报.2006(11)
[20]谭占国,苏伟洪.智能网络计划系统与工程项目优化控制[J].铁路计算机应用.1998(03)
[21]龚一杨.电磁调制单层石墨烯体系中的电子输运性质[D].清华大学,2010.
[22]斯锋.促淤浮帘的水动力特性及其固沙机理的研究[D].上海交通大学,港口、海岸及近海工程,2013,硕士.
[23]陈振宁,吕维松,杨自厚,张宏勋,钟延炯.第五届IFAC采矿、冶金、金属加工自动化会议综述(上)[J].冶金自动化,1987,03:2-6.
[24]徐丽钟.基于Web的远程油田监控系统[J].油气田地面工程,2014,11:88-89.
[25]刘玉生,Gutmann,R.L..一种新的鲁棒自适应控制律[J].自动化学报,1990,04:289-296.
[26]盛禹正.我国省级公共文化服务绩效指标体系构建研究[D].浙江大学,2013.
[27]高丹,刘劲松,朱国华,巩宏平,周欣,王玲,莫卫民,李霂菲.同位素稀释/高分辨气相色谱-质谱联用同时测定空气中二英、多氯联苯、多溴联苯醚和溴代二英[J].分析化学,2013,12:1862-1868.
[28]记者赵平.零售业的IT革命[N].中国经营报,2003-04-28.
[29]朱美强,程玉虎,李明,王雪松,冯涣婷.一类基于谱方法的强化学习混合迁移算法[J].自动化学报,2012,11:1765-1776.
[30]颜景龙.卖场电视广告对消费者购买行为的影响研究[D].西南交通大学,企业管理,2013,硕士.
[31]张莉.HBV相关慢加急性肝衰竭患者肝组织和血清中基质细胞衍生因子-1α的变化及其意义[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[32]金香丹.韩国存款保险制度研究[D].吉林大学,世界经济,2014,硕士.
[33]李文生.兰州城市交通拥堵问题及其对策研究[D].天津大学,高级工商管理,2013,硕士.
[34]樊宏涛.一类求解非Hermitian鞍点问题的广义局部HSS迭代法[D].兰州大学,计算数学,2014,硕士.
[35]刘金鑫,朱云龙,沈喆,孙鹏.回转窑烧成带状态混合智能识别方法[J].自动化学报,2012,07:1153-1161.
[36]肖艳芳.我国备战2012年伦敦奥运会女子标枪运动员训练安排的研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[37]尹晨茹.贯流硅胶在生物色谱中的应用[D].华中科技大学,中药学,2013,硕士.
[38]刘伟.基于G.hn的家庭网络物理层关键技术研究[D].电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[39]闫巍.新型汽车前照灯反射面的研究与设计[D].燕山大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[40]王阿敏.ZL102表面化学复合镀Ni-P-SiC工艺的研究[D].兰州理工大学,材料学,2013,硕士.
[41]田丽娟.三部非裔美国文学作品中的身份认同解读[D].东北师范大学,比较文学与世界文学,2012,硕士.
[42]路振勇.航空发动机高压转子—空心轴裂纹系统动力学特性分析[D].哈尔滨工业大学,一般力学与力学基础,2013,硕士.
[43]黄加铭.铜绿假单胞菌PA1797基因相关功能的研究[D].福建医科大学,临床检验诊断学,2014,硕士.
[44]李洋洋.高中数学教学中算法思想渗透情况的调查与研究[D].首都师范大学,学科教学,2013,硕士.
[45]罗资军.集料特性对改性乳化沥青及微表处混合料技术性能的影响研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2014,硕士.
[46]刘敏.施工单位履行社会责任的制度影响实证研究[D].大连理工大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[47]刘永欣,师峰,姜帅,席亚克,宋宁希,张仑山.智能变电站继电保护状态监测的一种模糊评估算法[J].电力系统保护与控制,2014,03:37-41.
[48]蔡婵.低碳生活及其价值取向：一种日常生活方式的伦理研究[D].湖南科技大学,哲学,2013,硕士.
[49]陈从先.重构思维 激活创新——创新型物理教师的专业成长[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[50]吴金龙.高校实验课程上机管理系统的设计与实现[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.