聚合物微挤出流变学理论与试验研究

论文摘要

随着科学技术的不断发展,微挤出制品已经越来越多的应用在汽车、医疗、航天等多个领域。微尺度效应下聚合物熔体的流动过程具有明显的尺度效应,许多宏观尺度忽略的影响因素在微挤出过程中可能对熔体挤出过程产生影响,包括聚合物流变特性、壁面滑移等,导致传统的挤出流动理论不能完全适用于微尺度下的挤出成型工艺过程。因此,研究微尺度效应下的熔体微挤出流变学理论对于揭示尺度效应的作用、建立微挤出熔体动力学模型、指导模具设计、提高制品质量具有重要的理论指导意义和应用价值。本文首先利用毛细管流变仪研究了聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）四种聚合物熔体微挤出过程中壁面滑移速度,发现PP和HDPE的滑移速度为正值而PS和PMMA的滑移速度为负值。基于缠结-解缠结理论建立了全新的壁面滑移模型,利用该模型计算得到的PP和HDPE的滑移速度与传统的Mooney方法的计算值十分吻合,而PS和PMMA的滑移速度为正值。其次,利用分子动力学模拟的方法从分子层面解释了四种聚合物滑移机理的不同。研究发现PP和HDPE的分子与壁面之间的结合能较小,而PS和PMMA分子与壁面之间的结合能相对较大。这样在发生壁面滑移时,PP和HDPE壁面处的分子更容易发生相对位移,而PS和PMMA壁面处的聚合物分子容易吸附于金属表面,不发生相对运动。因此PP和HDPE的壁面滑移机理为吸附-解吸附机理,而PS和PMMA的壁面滑移机理为缠结-解缠结机理。再次,基于滑移机理的不同,研究了壁面滑移对聚合物熔体粘度特性的影响,发现毛细管流变仪在测量聚合物粘度时存在着一定的局限性,基于缠结-解缠结机理对剪切速率进行修正,提出了适合PS和PMMA等聚合物的粘度计算模型。利用该模型计算得到的聚合物熔体粘度随着口模直径的减少而减小,该变化趋势与PP和HDPE是一致的。最后,设计并制造了单腔微管挤出模具,利用该模具进行了微管挤出试验并测量了模具流道内的压力值。研究发现当挤出机螺杆转速增加时,模具流道内聚合物熔体的压力值和挤出导管的直径都随之增加,并且利用该模具挤出的单腔医疗导管圆柱度与壁厚均匀性较好。利用POLYFLOW有限元分析软件对单腔微管的挤出过程进行了数值模拟,发现微挤出试验测得的模具流道内压力值与数值模拟结果十分吻合,证明了微挤出流变理论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 聚合物熔体粘度特性
• 1.2.2 聚合物熔体壁面滑移
• 1.3 本文研究内容
• 2 聚合物流变学基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 粘性流体力学的基本方程
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 运动方程
• 2.2.3 能量方程
• 2.2.4 工程假设及控制方程的简化
• 2.3 聚合物熔体的粘度模型
• 2.4 聚合物熔体壁面滑移模型
• 2.5 本章小结
• 3 聚合物熔体流动过程壁面滑移的试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 聚合物熔体壁面滑移机理
• 3.3 毛细管流变仪滑移速度测量原理
• 3.4 基于Mooney方法的壁面滑移试验与分析
• 3.4.1 PP和HDPE壁面滑移试验与分析
• 3.4.2 PS和PMMA壁面滑移试验与分析
• 3.5 基于缠结-解缠结机理的壁面滑移速度计算新方法
• 3.6 基于缠结-解缠结机理的壁面滑移速度计算与分析
• 3.6.1 PP与HDPE滑移速度的计算与分析
• 3.6.2 PS与PMMA滑移速度的计算与分析
• 3.7 本章小结
• 4 聚合物熔体壁面滑移机理的分子动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 分子动力学基本原理
• 4.2.1 分子力场
• 4.2.2 热力学系综
• 4.2.3 分子动力学软件Materials Studio简介
• 4.3 四种聚合物分子与壁面金属原子结合性的分子动力学模拟
• 4.3.1 构建Fe晶胞结构
• 4.3.2 四种聚合物分子的构建
• 4.3.3 聚合物分子与壁面原子界面结构的构建
• 4.3.4 界面结构的分子动力学模拟
• 4.3.5 界面结合能的计算与分析
• 4.4 本章小结
• 5 考虑壁面滑移的聚合物熔体粘度研究
• 5.1 引言
• 5.2 毛细管流变仪粘度测量原理
• 5.2.1 双料桶毛细管流变仪
• 5.2.2 粘度测量原理
• 5.3 基于吸附-解吸附机理的聚合物熔体粘度研究与分析
• 5.3.1 PP和HDPE的粘度试验与分析
• 5.3.2 PS和PMMA的粘度试验与分析
• 5.4 基于缠结-解缠结机理的粘度模型
• 5.5 基于缠结-解缠结机理的聚合物熔体粘度计算与分析
• 5.5.1 PS粘度计算
• 5.5.2 PMMA粘度计算
• 5.6 本章小结
• 6 单腔微管挤出过程的数值模拟与试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 单腔微管挤出过程的数值模拟
• 6.2.1 单腔微管挤出数值模拟软件简介
• 6.2.2 单腔微管挤出模具流道设计
• 6.2.3 单腔微管挤出聚合物熔体模型
• 6.2.4 单腔微管挤出过程数值模拟
• 6.2.5 数值模拟结果与分析
• 6.3 单腔微管挤出模具结构设计
• 6.3.1 单腔微管结构
• 6.3.2 流道模块的设计与制造
• 6.3.3 其他零件的设计与制造
• 6.3.4 单腔微管挤出模具
• 6.4 单腔微管挤出试验
• 6.4.1 试验条件
• 6.4.2 单腔微管挤出试验
• 6.4.3 试验结果分析与误差讨论
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 攻读硕士学位期间申请专利情况
• 致谢