论文摘要
高分子本身具有结构多尺度性,且一般带有粘弹性,是一类复杂流体。共混方法制备的高性能高分子复合材料的结构和流动行为更加复杂。因此,到目前为止,宏观与微观尺度上的高分子理论与实验往往还无法贯通,要实现从单分子设计做到材料加工的贯通,其中介观尺度的研究很关键。进行高分子多相复杂流体的多尺度流变学研究,发展本构方程,紧密联系着材料的结构、加工和性能,具有重要的实践和理论意义。本文研究对象包括多相粘弹性高分子溶液、高分子熔体和高分子填充体系等高分子复杂流体。从尺度上来说,主要联系宏观熔体流变性与介观尺度的液滴动力学、介观共混相形态,以及纳米填充结构。因为共混分散的基本理解与液滴的形变、破裂和聚并密切相关,建立了适合于研究介观液滴的形变、破裂和聚并的得力工具—四辊流变仪。本文对这种仪器的发展、结构、原理和应用进行了介绍,并研究了牛顿流体、非牛顿流体相互组合形成的多种体系,在拉伸、剪切和复杂流场中的形变与松弛特征,为发展联系介观与宏观的本构模型提供系统的数据。实验发现牛顿体系液滴的形变由粘度比和毛细管数决定,高分子量组分的加入使液滴的弹性增加、稳态形变减小,松弛过程也分为界面张力和粘弹性分别起主要作用的两个阶段。检验了Yu等提出的结合介观与宏观的本构模型,证实此模型准确地描述了牛顿流体介质中粘弹液滴或牛顿液滴的形变、松弛过程。当介质为非牛顿流体时,液滴为牛顿流体时,实验与理论在小形变时相符很好,在超出小形变范围后,模型出现偏差。两相都为粘弹性非牛顿流体时,模型对长松弛模式的描述还需要更多的努力。在四辊流变仪中通过反复拉伸、松弛,发现了一种介观粘弹液滴的新型聚并过程。一般情况下,牛顿液滴的聚并现象要经过液膜形成、减薄、破裂、融合四个阶段。粘弹液滴不容易破裂,也不容易聚并。由低分子量聚异丁烯（PIB）中含有高分子量聚异丁烯（HPIB）组成的粘弹液滴悬浮在硅油（PDMS）介质中,经过反复拉伸、松弛形成哑铃状的液滴—细丝—液滴结构（BSB）,细丝中的高分子受到拉伸产生的弹性力牵引两端液滴克服介质的阻力向中间靠拢,松弛后的高分子在Laplace力的作用下向两端的液滴流动,保持细丝的直径不变,最终两端的液滴又聚并成为一个液滴。根据界面上的Laplace力、液滴移动时的粘性阻力和细丝的粘弹应力之间的平衡,推导出一个力学模型来描述“BSB”现象,与实验结果相符较好。决定细丝直径变化的因素中既有微观的物料参数,又有宏观的过程参数,宏观与微观因素体现在同一模型中。阐明了BSB现象发生的范围与规律,讨论了与已知的射流或拉伸流变仪中的串滴断裂现象的差别与转化。BSB过程对高分子取向缠结态及其多相体系中非线性液滴动力学研究富有启发。对不同含量聚丙烯（PP）和茂金属催化的乙烯-辛烯共聚物（POE）组成的共混物熔体进行线性和非线性流变性质研究并与形态观察对照。呈海岛结构的共混相形态可用Palierne模型拟合得到分散相的粒径与实验观察结果基本相符。并发现对高分子熔体适用性强的KBKZ模型可描述整个PP/POE组成,界面滑移在测试和加工中可能出现,使共混物弹性减小。聚合物/粘土纳米复合材料熔体类固态现象的出现常作为纳米效应的标志,我们发现类固态现象的出现不一定是熔体内粘土片层逾渗网络建立的标志,在高温下空气中,从纳米复合材料的自由表面开始的扩散氧化引起聚合物分子间交联且硅酸盐片层参与组成的化学交联网络结构也可以使样品的模量升高,并对其机理进行了探讨。该现象值得注意,应在聚合物/粘土纳米复合材料的制备和加工过程中加以避免。