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聚合物材料以其特有的物理化学性能而广泛地应用于电子、机械、印刷、玩具、通讯、航天航空以及我们的日常生活当中。然而,任何材料都必须经过成型加工才能体现其各种优良特性,才能被人们所利用。因此,聚合物材料的广泛应用直接刺激了其相应加工方法、加工手段、加工设备的发展和完善,而反过来,加工方法、手段和设备的发展同样扩大了聚合物材料的应用范围。
将振动诱导引入聚合物材料熔融塑化成型的全过程是一个关于聚合物成型加工的新领域,该成型方法和理论是由华南理工大学瞿金平教授首先提出来的,现已产生了良好的社会效益和经济效益。振动诱导的引入深刻地影响了聚合物塑化挤出过程,使得聚合物的加工应用和理论都发生了巨大的变化。这一独特的加工方法必将使聚合物的粘弹性能、分子运动状态、熔融塑化过程发生本质的改变,因此从理论和实验上深刻地揭示这种改变对聚合物产生的影响就具有重要的科学意义和现实意义。
自然界的物质都是由微小的分子或原子组成的,分子(原子)的结构形式、运动方式和组成决定了该物质的宏观表征。因此,要研究物质的宏观表征必须首先从其微观根源入手。同时,熔融塑化能力是决定聚合物材料成型加工性能的关键因素,而聚合物材料熔融塑化能力是与其粘弹性能、分子运动状态和形式密切相关的。所以,本文首先从振动作用下聚合物的微观形态着手,研究振动参数(振幅和振动频率)对聚合物材料粘弹性能、聚合物分子运动状态以及由此引起的耗散角正切、松弛时间和动态表观粘度的影响,然后再从宏观上研究振动作用下聚合物材料的熔融塑化性能,着重研究振动参数与熔融速率、熔融段长度、固体床分布、熔融段能耗之间的关系。
本论文建立了表征振动作用下聚合物材料粘弹性能的橡皮筋模型、参考RBZ模型建立了振动作用下聚合物分子运动模型、参考Tadmor模型建立了振动作用聚合物单螺杆挤出熔融模型和纯振动场作用下聚合物熔融模型,并分别求出其近似解析解。
本论文利用华南理工大学聚合物国家工程中心自行开发设计的动态流变仪、振动诱导剖分料简单螺杆挤出实验装备和多维振动实验台进行实验,验证理论计算的正确性。
理论和实验结果表明:如果将聚合物材料看成为一粘性+弹性的复合体,那么振动的影响主要是作用在弹性上,即振动的引入可以减少聚合物材料的弹性损耗,从而提高了耗散角正切降低表观粘度,增加熔体流动性;振动诱导的引入能够促进聚合物高分子解缠结、促进分子取向、降低熔融温度(加工温度)、提高熔融速率和降低能耗。
实验数据与理论结果符合得很好,证明了本文理论推导的正确性。本文所提出来的多个理论模型,以及理论计算与可视化实验技术相结合的研究方法,为掌握振动诱导对聚合物分子运动、粘弹性能及熔融过程的影响规律,指导聚合物振动诱导挤出设备的设计以及生产实践提供重要的指导依据。