簡單剪切流場中聚合物-非球形規(guī)則粒子懸浮體系流變行為的研究.pdf

1、增強(qiáng)塑料是由樹脂基體和增強(qiáng)填料構(gòu)成的多相體系，其性能取決于基體和填料的性能，填料的比表面積和與基體的界面特性，填料的形態(tài)，包括形狀和尺度、取向和分布等。加工過程影響填料的形態(tài)，例如纖維和片狀等非球形粒子會在流場中取向、變形甚至破碎。纖維懸浮體系有高度的非線性力學(xué)性質(zhì)，對其流變性能的實(shí)驗(yàn)測定和理論描述都較困難。尤其是長纖維懸浮體系，長纖維除了象短纖維一樣旋轉(zhuǎn)和取向，還容易發(fā)生變形和破碎。如果能數(shù)值模擬加工過程中纖維的取向、變形與破裂，就能

2、預(yù)測復(fù)合材料及其制品的性能，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)。因此纖維懸浮體系流變性能的研究一直是一個(gè)重要課題。對于纖維懸浮體系流變過程的模擬，常用的數(shù)值方法分為平均場理論和粒子動力學(xué)理論兩大類，前者適用于剛性短纖維懸浮體系，后者適用于長柔性纖維懸浮體系。在本論文中，我們采用粒子動力學(xué)模型模擬了長柔性纖維懸浮體系在簡單剪切流場中的流變行為，并首次全面地討論了長纖維在流場中的變形和斷裂現(xiàn)象。用類似的方法，我們初步研究了片狀粒子在簡單剪切流場中的運(yùn)動規(guī)律，并討

3、論了聚合物/蒙脫土(MMT)納米復(fù)合材料在剪切流場中MMT粒子的剝離機(jī)理。 l、對針狀鏈模型的改進(jìn)。 首先采用粒子動力學(xué)模型考察單根長纖維在簡單剪切流場中的運(yùn)動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)單元越小，準(zhǔn)確性越高，但耗時(shí)越長：單元越大，耗時(shí)越短，但準(zhǔn)確性降低。模擬結(jié)果表明存在一個(gè)最佳單元同時(shí)滿足這兩方面的要求，即在盡可能短的時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確性較高的結(jié)果。最佳單元與相對流場強(qiáng)度、纖維的長度和纖維的方向等有關(guān)，流場越強(qiáng)、纖維越長或者纖維與流動和剪切

4、平面之間的夾角越小，最優(yōu)化單元就應(yīng)該越小。通過擬合得到的一個(gè)確定單元的長度公式如下：其中N是單元的表觀長徑比，r<,c>是彎曲臨界長徑比，r<,e>是纖維長徑比，θ是纖維與流動和剪切平面之間的夾角，C<,r>是擬合系數(shù)。 2、柔性長纖維懸浮體系在簡單剪切流場中的流變行為。 本文首次全面地研究了柔性長纖維懸浮體系在簡單剪切流場中的流變性能以及纖維的形態(tài)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果均表明，柔性長纖維在剪切流場中除了平移和旋轉(zhuǎn)外，

5、當(dāng)纖維處在受壓的角度時(shí)如果受到的壓力超過纖維的強(qiáng)度會使纖維彎曲變形，如果變形造成的曲率半徑超過一個(gè)臨界值就使纖維斷裂；纖維繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到受拉的角度時(shí)將在拉力作用下被拉直；如果纖維有可能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)就會重復(fù)上面的過程。與這種形態(tài)變化過程相對應(yīng)，出現(xiàn)了有規(guī)律的斷裂過程：首先部分纖維發(fā)生斷裂，隨后是一段與長纖維的l/2旋轉(zhuǎn)周期對應(yīng)的很少出現(xiàn)斷裂的平其中N是單元的表觀長徑比，r<,c>是彎曲臨界長徑比，r<,e>是纖維長徑比，θ是纖維與流動和剪切平面之

6、間的夾角，C<,r>是擬合系數(shù)。 臺時(shí)間，最后纖維再次出現(xiàn)大量的斷裂。在一定的時(shí)間內(nèi)，纖維的長度分布呈現(xiàn)“雙峰”形狀。“纖維-流體”之間的相互作用是纖維發(fā)生斷裂的主要原因，纖維的長度、濃度以及相對流場強(qiáng)度都能影響纖維的斷裂情況。流場越強(qiáng)，纖維越容易發(fā)生斷裂。在一定的濃度范圍內(nèi)，相同的流場條件下，較短的纖維懸浮體系中纖維的斷裂可能性隨著濃度的提高而增加，而較長的纖維懸浮體系則相反，纖維斷裂的可能性隨著濃度的提高而下降。3、片狀粒子

7、在簡單剪切流場中的運(yùn)動規(guī)律。 片狀粒子與纖維狀粒子形狀截然相反，但運(yùn)動規(guī)律類似。本文通過考察尼龍1212／MMT納米復(fù)合材料在不同剪切速率下長時(shí)間共混時(shí)MMT粒子的形態(tài)變化，研究片狀粒子在剪切流場中的運(yùn)動規(guī)律。PAl212／MMT納米復(fù)合材料在熔融加工過程中得到插層型和剝離型結(jié)構(gòu)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，流場強(qiáng)度越高，剝離后產(chǎn)生的片層粒子尺寸越小。經(jīng)過受力分析，發(fā)現(xiàn)粒子在簡單剪切流場中平移、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，與纖維類似，存在一個(gè)發(fā)生彎曲的臨界

8、尺寸。據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的TEM照片，我們推測在剪切流場中MMT晶粒首先被插層，而后的剝離經(jīng)歷了一個(gè)由外及內(nèi)，逐漸剝離的過程。下式可用來估算制品中MMT片層的大?。浩渲衕是片層厚度，γ是臨界長徑比，L<,c>是臨界寬厚比。在不同剪切速率下的估算值基本符合由實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。 4、EPDM橡膠密封件擠出過程的模擬 采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Polyflow對一種典型的EPDM膠料的擠出過程進(jìn)行了模擬研究。計(jì)算結(jié)果表明，牽引速率對密封