聚乙烯及其共混物熔体在挤出和拉伸过程中流变行为和机理的研究

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目前,基于分子论的本构方程还很不完善,并不能准确的预测较宽变形速率下聚合物流体的剪切和拉伸流动。对聚合物流体入口收敛流动的研究,涉及参数较多,实验确定比较困难,不便于工程实践应用。测试拉伸黏度的仪器昂贵,操作复杂,测试范围窄。深入研究聚合物材料的流变行为和机理对优化加工工艺、优化模具设计以及提高制品质量有重要的理论和实践意义。因而,本文运用理论分析、实验研究和有限元模拟等方法对聚乙烯及其共混物熔体的挤出和拉伸流动行为进行较为深入系统的研究。本论文的主要研究内容如下:基于聚合物流体的网络理论和张量分析,分析网络结点的生成和破坏速率,探讨分子运动,推导出聚合物流体的单模态有限伸长本构方程,进一步得到瞬态和稳态的剪切黏度、第一法向应力差系数、第二法向应力差系数和拉伸黏度的表达式。此外,分析网络结点的生成和破坏速率,结合滑移现象推导出聚合物流体的单模态滑移本构方程,进一步得到瞬态和稳态的剪切黏度、第一法向应力差系数和第二法向应力差系数的表达式。通过参数分析、模型对比和实验验证来评价这两个本构方程的合理性。基于最小能和变分原理,推导出参数较少且易于工程应用的聚合物流体的入口压力降、入口自然收敛半角、涡流长度和基于入口压力降的拉伸黏度表达式。通过参数分析、模型对比和实验验证来评价这些方程的合理性。利用毛细管流变仪测试低密度聚乙烯(LDPE)/聚乙二酸丁二醇酯(PBS)和高密度聚乙烯(HDPE)/PBS两种共混物熔体的流变性能。分析加工条件(剪切速率、拉伸应变速率和温度等)及材料配比对LDPE/PBS和HDPE/PBS共混物的流变行为(入口压力降、剪切流动和拉伸流动等)的影响。最后将拉伸主曲线扩展到这两种共混物熔体。探讨拉伸主曲线、BP神经网络、入口压力降和本构方程四种方法对聚合物流体拉伸黏度预测能力。选择合适的方法和参数将单模态滑移本构方程引入有限元模拟对聚合物流体的入口收敛流动进行有限元模拟,讨论网格数目、体积流率、流道过渡圆弧、流道收缩比和流道收敛半角等因素对入口收敛流动的影响。基于单模态滑移本构方程和质量分数5%的聚异丁烯(PIB)/正十四碳烷(C14)溶液的剪切黏度实验数据进行有限元模拟,并将得到的流速、剪切应力和第一法向应力的模拟结果与入口收敛流动的实验结果进行比较。
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