高分子多相復(fù)雜流體的多尺度流變學(xué)研究.pdf

1、高分子本身具有結(jié)構(gòu)多尺度性，且一般帶有粘彈性，是一類(lèi)復(fù)雜流體。共混方法制備的高性能高分子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)行為更加復(fù)雜。因此，到目前為止，宏觀與微觀尺度上的高分子理論與實(shí)驗(yàn)往往還無(wú)法貫通，要實(shí)現(xiàn)從單分子設(shè)計(jì)做到材料加工的貫通，其中介觀尺度的研究很關(guān)鍵。進(jìn)行高分子多相復(fù)雜流體的多尺度流變學(xué)研究，發(fā)展本構(gòu)方程，緊密聯(lián)系著材料的結(jié)構(gòu)、加工和性能，具有重要的實(shí)踐和理論意義。
　　 本文研究對(duì)象包括多相粘彈性高分子溶液、高分子熔體和高分

2、子填充體系等高分子復(fù)雜流體。從尺度上來(lái)說(shuō)，主要聯(lián)系宏觀熔體流變性與介觀尺度的液滴動(dòng)力學(xué)、介觀共混相形態(tài)，以及納米填充結(jié)構(gòu)。
　　 因?yàn)楣不旆稚⒌幕纠斫馀c液滴的形變、破裂和聚并密切相關(guān)，建立了適合于研究介觀液滴的形變、破裂和聚并的得力工具-四輥流變儀。本文對(duì)這種儀器的發(fā)展、結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并研究了牛頓流體、非牛頓流體相互組合形成的多種體系，在拉伸、剪切和復(fù)雜流場(chǎng)中的形變與松弛特征，為發(fā)展聯(lián)系介觀與宏觀的本構(gòu)模型提供系

3、統(tǒng)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)牛頓體系液滴的形變由粘度比和毛細(xì)管數(shù)決定，高分子量組分的加入使液滴的彈性增加、穩(wěn)態(tài)形變減小，松弛過(guò)程也分為界面張力和粘彈性分別起主要作用的兩個(gè)階段。
　　 檢驗(yàn)了Yu等提出的結(jié)合介觀與宏觀的本構(gòu)模型，證實(shí)此模型準(zhǔn)確地描述了牛頓流體介質(zhì)中粘彈液滴或牛頓液滴的形變、松弛過(guò)程。當(dāng)介質(zhì)為非牛頓流體時(shí)，液滴為牛頓流體時(shí)，實(shí)驗(yàn)與理論在小形變時(shí)相符很好，在超出小形變范圍后，模型出現(xiàn)偏差。兩相都為粘彈性非牛頓流體時(shí)，模型對(duì)長(zhǎng)松

4、弛模式的描述還需要更多的努力。
　　 在四輥流變儀中通過(guò)反復(fù)拉伸、松弛，發(fā)現(xiàn)了一種介觀粘彈液滴的新型聚并過(guò)程。一般情況下，牛頓液滴的聚并現(xiàn)象要經(jīng)過(guò)液膜形成、減薄、破裂、融合四個(gè)階段。粘彈液滴不容易破裂，也不容易聚并。由低分子量聚異丁烯(PIB)中含有高分子量聚異丁烯(HPIB)組成的粘彈液滴懸浮在硅油(PDMS)介質(zhì)中，經(jīng)過(guò)反復(fù)拉伸、松弛形成啞鈴狀的液滴一細(xì)絲一液滴結(jié)構(gòu)(BSB)，細(xì)絲中的高分子受到拉伸產(chǎn)生的彈性力牽引兩端液滴克

5、服介質(zhì)的阻力向中間靠攏，松弛后的高分子在Laplace力的作用下向兩端的液滴流動(dòng)，保持細(xì)絲的直徑不變，最終兩端的液滴又聚并成為一個(gè)液滴。
　　 根據(jù)界面上的Laplace力、液滴移動(dòng)時(shí)的粘性阻力和細(xì)絲的粘彈應(yīng)力之間的平衡，推導(dǎo)出一個(gè)力學(xué)模型來(lái)描述“BSB”現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符較好。決定細(xì)絲直徑變化的因素中既有微觀的物料參數(shù)，又有宏觀的過(guò)程參數(shù)，宏觀與微觀因素體現(xiàn)在同一模型中。闡明了BSB現(xiàn)象發(fā)生的范圍與規(guī)律，討論了與已知的射流或

6、拉伸流變儀中的串滴斷裂現(xiàn)象的差別與轉(zhuǎn)化。BSB過(guò)程對(duì)高分子取向纏結(jié)態(tài)及其多相體系中非線性液滴動(dòng)力學(xué)研究富有啟發(fā)。
　　 對(duì)不同含量聚丙烯(PP)和茂金屬催化的乙烯.辛烯共聚物(POE)組成的共混物熔體進(jìn)行線性和非線性流變性質(zhì)研究并與形態(tài)觀察對(duì)照。呈海島結(jié)構(gòu)的共混相形態(tài)可用Palierne模型擬合得到分散相的粒徑與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果基本相符。并發(fā)現(xiàn)對(duì)高分子熔體適用性強(qiáng)的KBKZ模型可描述整個(gè)PP/POE組成，界面滑移在測(cè)試和加工中可能出