基于懸浮液理論的聚合物流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶數(shù)值模擬.pdf

1、結(jié)晶聚合物產(chǎn)品的最終性能在很大程度上取決于其在加工成型過程中所形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，因流動(dòng)梯度產(chǎn)生的粘彈性剪切應(yīng)力，會(huì)加速成核和結(jié)晶過程，并導(dǎo)致形成不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。而結(jié)晶聚合物的大分子鏈結(jié)構(gòu)，造成其結(jié)晶往往不完善、只能部分結(jié)晶、結(jié)晶過程也較復(fù)雜。聚合物加工成型過程中的很多現(xiàn)象都與流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶相關(guān)，如注射成型制品的收縮現(xiàn)象。因此研究流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶現(xiàn)象，建立材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系一直是聚合物成型加工領(lǐng)域的重要課題。本文主要工作如下

2、:
　　(1)采用基于懸浮液的兩相流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶模型，研究了剪切流場(chǎng)作用下iPP的等溫流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶過程，討論了不同剪切速率對(duì)iPP結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)晶聚合物的懸浮液理論用FENE啞鈴模擬無定型相，用剛性啞鈴模擬晶相，根據(jù)晶核成核速率與第一法向應(yīng)力差的關(guān)系，通過Avrami方程計(jì)算結(jié)晶度，模擬了剪切對(duì)聚合物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響。采用了譜方法求解分布函數(shù)的擴(kuò)散方程，計(jì)算構(gòu)象張量和取向張量，進(jìn)而計(jì)算法向應(yīng)力差和結(jié)晶度。計(jì)算結(jié)果顯示穩(wěn)態(tài)剪切流

3、場(chǎng)可以顯著增大iPP的結(jié)晶速率，而且高剪切速率可以顯著的加速結(jié)晶加速。但這種加速作用不是無限的，即剪切流動(dòng)對(duì)iPP結(jié)晶的促進(jìn)作用存在飽和性，加速幅度將隨剪切速率提高逐漸減小。
　　(2)對(duì)聚合物分子取向的預(yù)測(cè)是目前加工成型模擬最具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。本文采用啞鈴模型，通過懸浮液理論來描述分子取向演化。根據(jù)熔體流場(chǎng)信息、結(jié)晶度和晶相松弛時(shí)間，結(jié)合晶體取向數(shù)學(xué)模型，利用譜方法求解取向張量的分布函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算Hermans取向因子，分析了穩(wěn)態(tài)

4、簡(jiǎn)單剪切流場(chǎng)下聚合物的取向行為。
　　(3)結(jié)晶聚合物成型過程中，流場(chǎng)對(duì)其結(jié)晶行為有較大影響，并導(dǎo)致熔體粘度發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化。掌握粘度與結(jié)晶度之間的關(guān)系對(duì)控制結(jié)晶形態(tài)和制品尺寸有很大幫助。因此本文在基于懸浮液理論的流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶模型的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)晶聚合物的粘度與結(jié)晶度之間的關(guān)系進(jìn)行了探索，對(duì)不同剪切條件下聚合物體系粘度變化進(jìn)行了模擬，對(duì)不同剪切條件下結(jié)晶誘導(dǎo)時(shí)間的變化做了比較。實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果表明，聚合物熔體的黏度在結(jié)晶誘導(dǎo)期變化不

5、大，體系的結(jié)晶度也幾乎沒有變化，但在結(jié)晶誘導(dǎo)期之后，熔體的黏度會(huì)因?yàn)榻Y(jié)晶度的微小變化而急劇上升。
　　(4)聚合物的機(jī)械和物理性能主要取決于其內(nèi)部的微觀的結(jié)構(gòu)和特性，如糾纏、結(jié)晶和分子取向。在聚合物加工成有用的制品的過程中，這些微結(jié)構(gòu)以復(fù)雜的方式的進(jìn)行變化。目前可提供的計(jì)算能力的限制了直接從微觀尺度的計(jì)算來確定宏觀尺度的性能。因此，需要高效的計(jì)算工具和方法以在長(zhǎng)度和時(shí)間尺度上架起微觀模型和宏觀模型之間的橋梁。本文將宏觀流場(chǎng)的守恒方