植物短纤维填充聚合物复合材料拉伸流变性能的表征与分析

论文摘要

近年来以木粉或者其他植物粉为填料制得的木塑复合材料得到了广泛应用，但其强度不高，相比之下，添加具有一定长径比的植物纤维所得到的复合材料的强度较高。在拉伸流场中纤维的形态保持较好，因此研究植物短纤维填充聚合物复合材料在拉伸流场中的流变特性对于制得高性能的木塑复合材料具有现实意义。由于添加植物纤维的复合材料熔体强度较差，在承受单向拉伸作用时容易断裂，使用现有的直接测量法测量复合材料的拉伸流变性能有困难，相比之下入口收敛法更适合植物短纤维填充聚合物复合材料拉伸流变性能的测量和表征。本研究设计了一种串联式的毛细管装置，可以同时测量复合材料的剪切和拉伸流变性能，并且可以将测量后的物料取出，观察物料的流动形式；对实验结果进行处理和分析时，采用了Gibson模型。通过对实验数据进行处理和分析发现：HDPE、猴耳环/HDPE和剑麻/HDPE复合材料的拉伸流变参数满足幂律方程，且非牛顿指数m都小于1，即纯HDPE和复合材料的拉伸黏度都呈现拉伸稀化的特点，拉伸稠度kE与黏度ηE随着纤维含量的增大呈现先减小后增大的趋势。纤维含量在20wt%以下时，纤维形态对流变参数的影响较大，细小纤维（蒸汽爆破的猴耳环纤维）填充HDPE复合材料的kE比（粗大纤维）剑麻/HDPE复合材料的高，m值比剑麻/HDPE复合材料的低，但是在含量达到20wt%时，两种复合材料中的m和kE接近，即在高含量时纤维形态对拉伸参数m和kE的影响较小。随纤维含量增大，猴耳环/HDPE的m变化不大，kE先降低后升高，并且含量在5wt%附近时达到极小值；而随纤维含量增大，剑麻/HDPE的m显著增大，kE先降低后升高，并且含量在10wt%附近时达到极小值。随着入口角度的增大，拉伸速率先增后减。通过截面观察发现入口角小于90°时，纤维的分布比较均匀，当角度过大（大于120°）时入口边角处会出现熔体富集区，和中心收敛区的成分组成上差异，造成挤出的不稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外对于拉伸流变的研究现状
• 1.2.1 滞点测量法
• 1.2.2 Meissner型拉伸流变仪法（RME）
• 1.2.3 长丝牵伸法（FSR）
• 1.2.4 Rheotens熔体强度法
• 1.2.5 Sentmanat拉伸流变仪（SER）
• 1.2.6 入口收敛法
• 1.2.7 其他方法
• 1.3 拉伸流变模型
• 1.3.1 Cogswell模型
• 1.3.2 Binding模型
• 1.3.3 Liang模型
• 1.3.4 Gibson模型
• 1.4 研究内容与意义
• 1.5 本章小结
• 第二章 串联式毛细管
• 2.1 设计依据
• 2.2 串联式毛细管
• 2.3 测量原理
• 2.4 剪切流变参数计算
• 2.5 黏流活化能计算
• 2.6 拉伸流变参数计算
• 2.7 入口流线确定
• 2.8 本章小结
• 第三章 实验内容
• 3.1 实验材料
• 3.2 实验设备和仪器
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 混炼
• 3.3.2 高压流变实验
• 3.3.3 复合材料截面观察
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验结果与分析
• 4.1 HDPE流变性能
• 4.1.1 HDPE剪切流变性能
• 4.1.2 串联式毛细管可行性分析
• 4.1.3 HDPE黏流活化能
• 4.1.4 HDPE拉伸流变性能
• 4.2 5wt%猴耳环/HDPE流变性能
• 4.2.1 剪切流变性能
• 4.2.2 拉伸流变性能
• 4.3 10wt%猴耳环/HDPE流变性能
• 4.3.1 剪切流变性能
• 4.3.2 拉伸流变性能
• 4.4 15wt%猴耳环/HDPE流变性能
• 4.4.1 剪切流变性能
• 4.4.2 拉伸流变性能
• 4.5 20wt%猴耳环/HDPE流变性能
• 4.5.1 剪切流变性能
• 4.5.3 拉伸流变性能
• 4.6 剑麻/HDPE复合材料流变参数
• 4.7 流变参数汇总与分析
• 4.7.1 剪切流变参数汇总
• 4.7.2 拉伸流变参数汇总
• 4.7.3 Tr
• 4.8 流线分析
• 4.9 滑移分析
• 4.10 本章小节
• 结论与不足
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件