聚合物熔體或溶液的廣義黏度的研究及相關(guān)流變儀的開(kāi)發(fā).pdf

1、聚合物熔體或溶液是一種粘彈性流體材料。粘度的物理意義是隨著應(yīng)變速率的增大，流體材料抵抗迅速變形的一種性質(zhì)。一般，聚合物流體對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)可以分為粘性流動(dòng)和彈性流動(dòng)。
　　 長(zhǎng)期以來(lái)，聚合物流變性能的研究一般分為兩個(gè)方面，一是剪切流變的研究，一是拉伸流變的研究。目前，對(duì)于剪切流變的研究已經(jīng)較為完善，這是因?yàn)榻⒓兗羟辛鲌?chǎng)相對(duì)容易。然而，由于聚合物材料本身具有應(yīng)變屈服性，要建立一個(gè)純拉伸流場(chǎng)幾乎是不可能的。所以實(shí)際聚合物材料流動(dòng)很少發(fā)

2、生完全的純拉伸變形，其變形流動(dòng)過(guò)程必然伴隨剪切變形。鑒于此，本課題從流變的本質(zhì)性出發(fā)，針對(duì)廣義牛頓流體，提出了一種涵括了剪切黏度與拉伸黏度的廣義黏度定義和模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；同時(shí)，針對(duì)該廣義黏度模型，開(kāi)發(fā)了能同時(shí)測(cè)量剪切黏度與拉伸黏度的實(shí)驗(yàn)流變儀測(cè)試裝置。
　　 首先，針對(duì)廣義牛頓流體，提出了一種簡(jiǎn)單復(fù)合流場(chǎng)下的黏度定義ηG：廣義牛頓流體的廣義黏度。該黏度定義綜合了剪切黏度與拉伸黏度，認(rèn)為黏度是由材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性決定，

3、是材料的本質(zhì)參數(shù)，且聚合物在一定的條件下的黏度必須滿(mǎn)足黏度的唯一性，即：黏度大小不僅與材料的流動(dòng)形式無(wú)關(guān)，而且與計(jì)算的坐標(biāo)選擇也無(wú)關(guān)；另外，我們還強(qiáng)調(diào)剪切黏度和拉伸黏度只是廣義黏度ηG的兩個(gè)不同方面的表征，是廣義黏度的一部分，并不是聚合物熔體或溶液的兩種獨(dú)立黏度。然后，我們從應(yīng)力和應(yīng)變速率張量的第二不變量Ⅱτ、Ⅱd及應(yīng)變張量第三不變量Ⅲd出發(fā)，提出了廣義黏度模型，并分析了第三不變量Ⅲd對(duì)廣義黏度的影響。該模型既涵括了純剪切流場(chǎng)中的純剪切

4、黏度及純拉伸流場(chǎng)的純拉伸黏度，同時(shí)，也表達(dá)了既存在剪切效應(yīng)也存在拉伸效應(yīng)的復(fù)合流場(chǎng)的廣義黏度。所以，從某種意義上說(shuō)，該黏度模型更適合于表征聚合物流體或溶液在實(shí)際流動(dòng)中的真實(shí)黏度。
　　 其次，本文針對(duì)上述黏度模型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了既能測(cè)試剪切黏度又能測(cè)試?yán)祓ざ鹊膶?shí)驗(yàn)流變儀設(shè)備，該實(shí)驗(yàn)流變儀能夠使流道的中心軸線上產(chǎn)生恒拉伸速率流動(dòng)。根據(jù)廣義黏度模型，采用微單元受力分析，計(jì)算出黏度模型中參數(shù)σ，τ與流率Q、壓力差△p之間的關(guān)系。這里，流率

5、Q由伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，壓力差△p由安裝在流道軸向定間距數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處的傳感器測(cè)量。如果流道內(nèi)部的流場(chǎng)分布已知的話，我們就可以分別測(cè)量極端位置處穩(wěn)定狀態(tài)下的黏度值，即：流道壁面處的純剪切黏度ηSH與流道中心軸線上的純拉伸黏度ηEX。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)，采用了美國(guó)儀器公司(NI)的USB系列采集卡以及LABVIEW虛擬仿真程序，傳感器采用美國(guó)Dynisco專(zhuān)用熔體傳感器。
　　 此外，我們還通過(guò)POLYFLOW對(duì)相同的流道結(jié)構(gòu)

6、進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇剪切相關(guān)的冪律黏度模型，計(jì)算出相應(yīng)壁面處的剪切應(yīng)力τ'與剪切速率與中心軸線上采集點(diǎn)處的速度場(chǎng)(v)(r，z)及采集點(diǎn)間的壓力差△p，然后將這些數(shù)據(jù)綜合計(jì)算，并將得到的流變參數(shù)σ，τ，(ε)，(γ)代入廣義黏度模型ηG中，得到了與相同流率范圍內(nèi)的、相同極端位置處的純剪切黏度ηSH'與純拉伸黏度ηEX'。另外，POLYFLOW也可以直接計(jì)算出壁面位置的剪切黏度ηSH"，但是，無(wú)法直接計(jì)算其中心軸線上的拉伸黏度值。這樣，我們

7、間接地利用了計(jì)算機(jī)模擬得到了廣義黏度模型下的純剪切黏度與純拉伸黏度。
　　 最后，由于復(fù)合流場(chǎng)的應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng)及速度場(chǎng)非常復(fù)雜，無(wú)法直接具體地解析表達(dá)出來(lái)。因此，在本文中將由POLYFLOW間接計(jì)算得到的在新型廣義黏度模型下的純剪切切黏度與純拉伸黏度分別與幾種商業(yè)流變儀測(cè)得的剪切黏度或拉伸黏度相比較，如INSTRON毛細(xì)管流變儀測(cè)得的剪切黏度、ROSAND RH7-D雙料筒毛細(xì)管流變儀測(cè)得的剪切黏度與拉伸黏度以及TA ARES-G2

8、旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)得的拉伸黏度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這幾組純剪切黏度與純拉伸黏度在一定的誤差范圍內(nèi)相互吻合或者具有相同的變化趨勢(shì)，或存在3倍的關(guān)系，這就間接地證明了新型黏度模型的合理性；同時(shí)也說(shuō)明，采用具有恒定中心拉伸速率的收縮流道來(lái)研究材料的拉伸黏度在一定意義上說(shuō)是可行的。
　　 本課題研究的針對(duì)廣義牛頓流體的廣義黏度模型及相應(yīng)流變儀的開(kāi)發(fā)，是一種創(chuàng)新性研究。由于其涵括了對(duì)聚合物熔體或溶液的拉伸流變性能的研究并且更接近于聚合物材料的真實(shí)黏度，