聚合物熔体或溶液的广义黏度的研究及相关流变仪开发

论文摘要

聚合物熔体或溶液是一种粘弹性流体材料。粘度的物理意义是随着应变速率的增大,流体材料抵抗迅速变形的一种性质。一般,聚合物流体对应力的响应可以分为粘性流动和弹性流动。长期以来,聚合物流变性能的研究一般分为两个方面,一是剪切流变的研究,一是拉伸流变的研究。目前,对于剪切流变的研究已经较为完善,这是因为建立纯剪切流场相对容易。然而,由于聚合物材料本身具有应变屈服性,要建立一个纯拉伸流场几乎是不可能的。所以实际聚合物材料流动很少发生完全的纯拉伸变形,其变形流动过程必然伴随剪切变形。鉴于此,本课题从流变的本质性出发,针对广义牛顿流体,提出了一种涵括了剪切黏度与拉伸黏度的广义黏度定义和模型,并通过实验进行了验证；同时,针对该广义黏度模型,开发了能同时测量剪切黏度与拉伸黏度的实验流变仪测试装置。首先,针对广义牛顿流体,提出了一种简单复合流场下的黏度定义ηG：广义牛顿流体的广义黏度。该黏度定义综合了剪切黏度与拉伸黏度,认为黏度是由材料的内部结构特性决定,是材料的本质参数,且聚合物在一定的条件下的黏度必须满足黏度的唯一性,即：黏度大小不仅与材料的流动形式无关,而且与计算的坐标选择也无关；另外,我们还强调剪切黏度和拉伸黏度只是广义黏度ηG的两个不同方面的表征,是广义黏度的一部分,并不是聚合物熔体或溶液的两种独立黏度。然后,我们从应力和应变速率张量的第二不变量Ⅱτ、Ⅱd及应变张量第三不变量Ⅲd出发,提出了广义黏度模型,并分析了第三不变量Ⅲd对广义黏度的影响。该模型既涵括了纯剪切流场中的纯剪切黏度及纯拉伸流场的纯拉伸黏度,同时,也表达了既存在剪切效应也存在拉伸效应的复合流场的广义黏度。所以,从某种意义上说,该黏度模型更适合于表征聚合物流体或溶液在实际流动中的真实黏度。其次,本文针对上述黏度模型开发设计了既能测试剪切黏度又能测试拉伸黏度的实验流变仪设备,该实验流变仪能够使流道的中心轴线上产生恒拉伸速率流动。根据广义黏度模型,采用微单元受力分析,计算出黏度模型中参数σ,τ与流率Q、压力差△p之间的关系。这里,流率Q由伺服电机转速控制,压力差△p由安装在流道轴向定间距数据采集点处的传感器测量。如果流道内部的流场分布已知的话,我们就可以分别测量极端位置处稳定状态下的黏度值,即：流道壁面处的纯剪切黏度ηSH与流道中心轴线上的纯拉伸黏度ηEX。对于数据采集系统（DAQ）,采用了美国仪器公司（NI）的USB系列采集卡以及LABVIEW虚拟仿真程序,传感器采用美国Dynisco专用熔体传感器。此外,我们还通过POLYFLOW对相同的流道结构进行模拟计算,选择剪切相关的幂律黏度模型,计算出相应壁面处的剪切应力Τ,与剪切速率与中心轴线上采集点处的速度场V（r,z）及采集点间的压力差△p,然后将这些数据综合计算,并将得到的流变参数σ,τ,ε,γ代入广义黏度模型ηG中,得到了与相同流率范围内的、相同极端位置处的纯剪切黏度ηSH’与纯拉伸黏度ηEX’。另外,POLYFLOW也可以直接计算出壁面位置的剪切黏度ηSH”,但是,无法直接计算其中心轴线上的拉伸黏度值。这样,我们间接地利用了计算机模拟得到了广义黏度模型下的纯剪切黏度与纯拉伸黏度。最后,由于复合流场的应变应力场及速度场非常复杂,无法直接具体地解析表达出来。因此,在本文中将由POLYFLOW间接计算得到的在新型广义黏度模型下的纯剪切切黏度与纯拉伸黏度分别与几种商业流变仪测得的剪切黏度或拉伸黏度相比较,如INSTRON毛细管流变仪测得的剪切黏度、ROSAND RH7-D双料筒毛细管流变仪测得的剪切黏度与拉伸黏度以及TA ARES-G2旋转流变仪测得的拉伸黏度。结果发现,这几组纯剪切黏度与纯拉伸黏度在一定的误差范围内相互吻合或者具有相同的变化趋势,或存在3倍的关系,这就间接地证明了新型黏度模型的合理性；同时也说明,采用具有恒定中心拉伸速率的收缩流道来研究材料的拉伸黏度在一定意义上说是可行的。本课题研究的针对广义牛顿流体的广义黏度模型及相应流变仪的开发,是一种创新性研究。由于其涵括了对聚合物熔体或溶液的拉伸流变性能的研究并且更接近于聚合物材料的真实黏度,因此具有一定的理论意义和实际意义,在拉伸混合、精密产品的成型加工等方面也有较广泛的发展前景。同时,本课题发明设计的具有独立知识产权的、能同时测量剪切黏度和拉伸黏度的实验流变仪设备,对于打破目前由国外流变仪垄断国内市场的局面,具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 黏度与广义黏度介绍
• 1.2.1 黏度的物理意义
• 1.2.2 广义黏度的意义
• 1.3 聚合物流体的流动形式与描述
• 1.3.1 流体流动与连续介质
• 1.3.2 聚合物加工中的基本流动
• 1.3.3 流体运动的分类
• 1.3.4 张量的基本不变量
• 1.4 通用的聚合物流体本构方程
• 1.4.1 牛顿流体的本构方程
• 1.4.2 粘性流体的本构方程
• 1.5 流变仪
• 1.5.1 旋转锥板流变仪
• 1.5.2 毛细管流变仪
• 1.5.3 同轴圆筒旋转流变仪
• 1.5.4 转子黏度计
• 1.5.5 落球式黏度计
• 1.5.6 转矩流变仪
• 1.5.7 TA ARES-G2旋转流变仪
• 1.5.8 ROSAND RH系列双筒流变仪
• 1.6 黏度测量方法的比较
• 第二章 拉伸黏度的研究状况
• 2.1 拉伸黏度及拉伸流变的研究背景
• 2.1.1 国内外研究现状
• 2.2 比较各种拉伸流变的测量方法
• 2.2.1 收缩流动
• 2.2.2 敦粗压缩流动
• 2.2.3 轴向垂直拉伸流动
• 2.2.4 相向喷嘴拉伸流动
• 2.3 拉伸黏度的应用
• 第三章 广义黏度模型及广义黏度
• 3.1 引入宋维宁广义黏度模型
• 3.1.1 广义黏度的定义
• 3.1.2 广义黏度的应用举例
• 3.2 第三不变量对黏度的影响
• 3.3 广义黏度模型的创新性
• 第四章 实验研究与计算机软件模拟
• 4.1 本课题研究思路
• 4.2 理论分析
• 4.2.1 剪切应力的计算
• 4.2.2 拉伸应力的计算
• 4.2.3 拉伸速率的计算
• 4.2.4 剪切速率的计算
• 4.3 实验
• 4.3.1 实验仪器及实验材料
• 4.3.2 恒拉伸速率流道结构合理性的证明
• 4.3.3 商业流变仪测量剪切黏度或拉伸黏度
• 4.3.4 实验结果比较
• 4.4 小结
• 第五章 总结与结论
• 5.1 本课题的主要结论
• 5.2 本课题有待进一步研究的问题
• 5.2.1 将黏度模型引入Polyflow改进计算程序
• 5.2.2 完善流道结构及数据采集系统,并采用PIV系统测试中心拉伸运动
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者与导师简介
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书