拉伸-剪切可控复杂流场中聚合物熔体流变测量方法与仪器研究

A mixture of shear and extensional flow is ubiquitous in polymer processing. The non-Newtonian viscoelasticity of polymer melt would lead to many special flow behavior in such complex flow. However, there has been no effective method or equipment to precisely control the balance of shear and extensional flow and thus hinders the investigations on the rheological performance of polymer melt in such a complex flow. Our previous study indicated that the strength of extension in a complex flow was influenced directly by the melt viscoelasticity. An idea of regulating the shear/extensioin flow ratio by changing the eccentricity of inner and outer cylinder and development of a new kind rheometer based on such a principle is proposed in present program. We aim to study the relationship between the measurable parameters (i.e. rotating speed, torque on the cylinders, gap between cylinders , radial force and pressure on the walls) and the rheological properties (i.e. strain rate, components of stress tensor) and analyze the effects of the non-Newtonian viscoelasticity on this relationship and establish the rheological measurement model in the complex flow. This will provide effective method and experimental approach to quantitatively investigate the rheological properties in the complex flow and is of great scientific significance for the promoting of rheological theory and technical breakthroughs in rheometer design.

拉伸与剪切两种流动同时存在的复杂流动广泛存于聚合物加工过程中，聚合物熔体的非牛顿黏弹性会使其在复杂流场中表现出许多特殊流动行为。但目前缺少能够对复杂流场精确控制并对流场中聚合物熔体流变特性合理表征的方法和仪器，影响了对复杂流场中熔体流变行为的研究。我们前期研究发现需要对拉伸/剪切流动比例连续调节更有利于研究，据此我们提出改变内、外圆筒偏心率以调节圆筒间流场中拉伸/剪切流动比例的复杂流场控制方法并开发出新型流变仪器，测量表征聚合物熔体流变行为的研究思路。研究圆筒转速、圆筒转矩、筒间径向力、筒壁压力等可测量与流场中聚合物熔体的形变速率、应力张量各分量之间的关系，分析材料非牛顿性和黏弹性对这种关系的影响规律;建立复杂流场中流变测量模型，为复杂流场中聚合物流变特性的定量表征提供有效方法和实验手段，对推进聚合物加工流变学理论发展和突破流变仪核心技术具有重要意义。

聚合物加工成型过程中流体的流动通常是拉伸流动与剪切流动并存的复杂流动，这两种流动的强度及比例会对聚合物流体的微观结构产生显著影响。然而，目前的商用旋转流变仪只能产生精确控制的单一剪切流或拉伸流，缺少产生并精确控制复杂流场的功能。本课题基于偏心圆筒流，研究拉伸-剪切复合流场的测量控制原理及方法，开发出对拉伸-剪切复合流动比例和强度精确可控的的仪器装置，深入分析仪器系统误差对流变测量结果的影响，对仪器功能和性能进行验证和优化。本课题中理论计算和数值模拟结果表明，偏心圆筒几何的偏心比和半径比可以改变流场内任意位置的拉伸剪切比，内筒和外筒的转速和转向可以改变流场中的拉伸或剪切应变速率，调节流场的强度，并且偏心比和转速相对而言更为容易进行调控，从而明确了利用半径比和偏心比调控流场的拉伸-剪切比，利用转速调控流场的强度的流场调控策略，该策略具备定量控制不同性质流场比例的可行性。依据这一策略，课题组先后进行了四代流变仪样机的迭代开发，最终的第四版偏心圆筒流变仪已经能够产生稳定且高精度的拉伸-剪切复合流动。课题系统分析了仪器系统误差对流变测量结果的影响，发现频率误差会使得基于时间扫描实验的测量结果产生不必要的波动，针对这一问题提出了频率误差消除方法，使流变测量精度得到明显的提升。进一步对拉伸-剪切比例可控复合流场测量模型的修正之后发现，在特定的条件下偏心圆筒流可以产生特殊的“等剪切场叠加交变场”流场，进一步明确了准确量化流场特性的流场控制方法。本课题开发出流变仪样机2套，共发表相关高水平论文8篇，授权发明专利1项，实用新型专利1项，共培养博士、硕士研究生11人，完成项目预定目标。本项目可为以拉伸-剪切复合流动为基础的聚合物加工设备设计与工艺参数优化提供理论指导，并可以指导新型旋转流变仪的设计开发，促进我国具有自主知识产权的旋转流变仪等高端流变测量仪器的发展。

内容获取失败，请点击重试