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振动力场下无机刚性粒子填充聚合物体系加工流变特性研究

作　者: 江太君
导　师: 刘跃军；曾广胜
学　校: 湖南工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 无机刚性粒子聚合物振动力场表观剪切粘度挤出胀大比
分类号: TQ325.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

聚合物材料正在以其优良的物理化学性能取代传统金属、玻璃和木材等材料而广泛应用于工民用领域,但传统的通用聚合物材料强度、硬度、耐热性、耐磨性等往往达不到工程设计的要求,于是利用颗粒填充聚合物成为一种不仅可有效降低材料成本、还可赋予材料理想的物理力学性能、热性能、电和磁性能的复合材料改性手段。而无机刚性粒子加入到聚合物中以后迅速与聚合物基体发生力学作用,使聚合物本体的粘弹性就会发生很大的变化,使该类复合材料的成型加工变得困难,进而刺激相应的加工工艺、加工设备和加工条件的发展与完善。将振动力场引入到聚合物复合材料的加工过程中从本质上改变了聚合物本体的粘弹性能、分子的运动形式,大大促进了填充粒子在聚合物基体中的运动和分散,最终优化复合材料的各项性能。因此从理论和实验角度探讨并预测无机刚性粒子填充聚合物复合材料粒子填充量、粒径大小,以及加工过程中温度、螺杆剪切速率、振动力场的振动频率与振幅对无机刚性粒子填充聚合物复合材料加工流变特性的影响对于指导和优化该类复合材料动态成型工艺具有非常重要的意义。本文以湖南工业大学包装新材料与技术中国包装总公司重点实验自制的多功能全电动复合材料流变特性测试仪为原型建立了振动力场作用下无机刚性粒子填充聚合物复合材料动态挤出过程中的流动与变形的物理与数学模型,推导了填充复合材料成型过程中表观剪切粘度、挤出胀大比和第一法向应力差的数学表达式。本文选取CaCO3填充PP复合材料为研究对象利用上述实验设备实验测得了填充复合材料稳态和动态挤出过程中表观剪切粘度和挤出胀大比的数据,进而验证了前述理论推导的正确性和预测的可行性。最后利用扫描电镜研究了振动力场作用下无机刚性粒子在聚合物基体中的分散行为。理论计算结果与实验测试结果符合得很好,证明了理论结果的正确性,并且可以用于预测该类复合材料稳态/动态成型过程中的流变行为。理论与实验结果均表明:将无机刚性粒子加入到聚合物基体中大大提高了其表观剪切粘度,但降低了复合材料的弹性。随着填充粒子粒径的减小,复合材料的表观剪切粘度升高,而挤出胀大比与第一法向应力差均减小。振动力场的引入可以大大降低填充复合材料的表观剪切粘度和弹性效应,改善无机刚性粒子在聚合物基体中的分散性。本文所提出的理论模型与实验结果可以为探索填充复合材料在振动力场作用下的加工成型机理,优化该类填充复合材料动态成型工艺,指导加工成型设备的设计提供重要的指导依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-24
  1.1 填充聚合物复合材料  12-13
  1.2 填充体系流变特性的理论研究  13-16
    1.2.1 粘性行为  13-14
    1.2.2 弹性行为  14-15
    1.2.3 粘弹性行为的温度依赖性  15-16
  1.3 填充体系流变特性的实验研究  16-19
    1.3.1 粘性行为  16-18
    1.3.2 弹性行为  18-19
  1.4 振动力场下填充体系的加工流变特性  19-20
  1.5 填充体系粘弹行为的数值模拟  20-21
  1.6 本课题的研究内容与思路  21-22
  1.7 本课题的研究目的及意义  22-23
  1.8 本课题的创新点  23-24
第二章理论研究  24-38
  2.1 振动力场下毛细管内熔体粘弹行为的物理模型  24-25
  2.2 聚合物熔体表观剪切粘度的数学解析  25-30
    2.2.1 振动力场下纯聚合物熔体的表观剪切粘度  25-29
    2.2.2 振动力场下填充体系的表观剪切粘度  29
    2.2.3 稳态下填充体系的表观剪切粘度  29-30
  2.3 振动力场下填充体系的挤出胀大比  30-33
    2.3.1 聚合物熔体挤出胀大  30-32
    2.3.2 填充聚合物复合材料的挤出胀大  32-33
    2.3.3 填充体系的第一法向应力差  33
  2.4 基于Vogel 模型对温度因素的修正  33-36
  2.6 本章小结  36-38
第三章实验研究  38-44
  3.1 实验材料  38-39
  3.2 实验仪器与设备  39-40
  3.3 复合材料的制备  40-41
  3.4 性能的测试  41-43
    3.4.1 表观剪切粘度的测定  41
    3.4.2 挤出胀大比的测定  41-42
    3.4.3 复合材料微观结构的表征  42
    3.4.4 实验方案的设计  42
    3.4.5 数据的处理  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章理论与实验结果与讨论  44-65
  4.1 无机刚性粒子填充聚合物体系的粘性行为  44-53
    4.1.1 自制测试装置可行性的验证  44-45
    4.1.2 粒子填充量的影响  45-47
    4.1.3 粒径的影响  47-48
    4.1.4 温度的影响  48-50
    4.1.5 振动频率的影响  50-51
    4.1.6 振幅的影响  51-53
  4.2 填充聚合物体系的挤出胀大比  53-58
    4.2.1 粒子填充量的影响  53-55
    4.2.2 粒径的影响  55-56
    4.2.3 温度的影响  56-57
    4.2.4 振动力场的影响  57-58
  4.3 填充聚合物体系的第一法向应力差  58-62
    4.3.1 粒子填充量的影响  58-59
    4.3.2 粒径的影响  59-60
    4.3.3 温度的影响  60-61
    4.3.4 振动力场的影响  61-62
  4.4 振动力场对无机刚性粒子在填充体系中分散性的影响  62-63
  4.5 本章小结  63-65
第五章结论与展望  65-68
  5.1 结论  65
  5.2 展望  65-68
参考文献  68-73
攻读硕士学位期间主要成果  73-75
致谢  75

振动力场下无机刚性粒子填充聚合物体系加工流变特性研究

内容摘要

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