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聚合物熔体粘弹参数拟合及注塑件残余应力研究

郝如江

  聚合物熔体既不同于弹性固体,又不同于粘性流体,它是一种典型的粘弹性材料。聚合物熔体的粘弹特性在其受到外界作用时表现出来,不同的外界条件,如作用力的大小与频率、作用时间的长短、外界温度的变化等,材料表现出不同的粘弹特征。掌握材料的粘弹性变化规律,一方面对于聚合物成型加工工艺的优化和模具设计具有重要的指导意义,另一方面对于聚合物流变科学理论的研究提供科学的依据,检验流变本构方程的优劣。本文对聚合物熔体的粘弹性进行了实验和理论上的研究,结合熔体在注塑过程中的粘弹性变化特点,对注塑件残余应力进行了数值分析和实验测试方面的探讨。主要工作如下:1.根据聚合物熔体的特征流变现象,选用不同的粘弹本构模型加以描述,分析不同本构模型方程在揭示材料粘弹性方面的优缺点。采用力学模型可以很容易理解聚合物材料的粘弹性,以及它们的应力—应变的时间依赖性。流变本构方程理论的研究对促进高分子材料科学的发展和解决聚合物加工过程中若干重要问题都具有十分重要的意义。Maxwell模型在研究材料线性粘弹性方面使用最广,推广Maxwell模型的微分形式,可以得到用于描述材料非线性粘弹性的Dewitt模型,根据Bolzmann叠加原理,对所有不同的Maxwell运动单元的叠加,可以得到Maxwell模型的积分形式。从橡胶弹性和统计学出发得到的K-BKZ本构模型和建立在非平衡热力学基础上的Leonov模型在研究材料的非线性粘弹行为中使用最多。2.通过流变实验确定材料的粘弹性变化规律。聚合物材料的粘弹特性通过其受到不同性质的外界作用表现出来,如不同的温度变化,不同的应力或应变作用历史,材料表现出不同的粘弹性。在聚合物材料的理论研究、聚合物材料的成型加工工艺设计以及产品的质量控制方面都需要可靠、准确的粘弹性特征数据,流变测量实验可以通过对材料施加不同的外界作用,直接或间接地得到材料的粘弹性参数。实验选用PE和PP试样,在应变控制的旋转流变仪ARES上分别做稳态、动态和瞬态扫描实验,得到材料的粘弹参数(粘度、储能模量、耗能模量、法向应力差、松弛模量等)随温度、剪切速率、振动频率、松弛时间等因素的变化规律。从不同温度下的稳态速率扫描实验数据,可以看出材料粘度随温度和剪切速率的变化关系,这对于注塑成型中熔体注射速率和注射温度的确定具有直接的指导意义。对于不同温度下的动态频率扫描实验数据,根据时温等效原理可以得出材料在很宽频率郑 州 大 学 硕 士 学 位 论 文或松弛时间范围内的粘弹性变化特征。瞬态实验可以得出材料内部的剪切应力随时间的松弛过程。3.通过动态频率扫描实验得到的储能模量和耗能模量数据,计算材料的离散松弛时间谱。松弛时间谱是描述材料粘弹性对时间或频率依赖性的最一般关系,各种实验测得的材料函数都基于同一松弛时间谱,松弛时间谱是全部粘弹性函数的核心,通过它可以把各种材料函数有机地联系起来。本文以Maxwell模型的积分形式为例,将储能模量和耗能模量与所有不同Maxwell运动单元的松弛时间和松弛强度联系起来,通过线性和非线性最小二乘回归的方法计算松弛时间和松弛强度,得到材料的离散松弛谱,分析Maxwell运动单元数量和松弛时间的选取对松弛谱的影响。通过松弛谱可以计算得到材料的粘弹参数。从分子结构和材料组分的角度分析影响松弛谱的因素。4.根据注射成型的工艺特点,分析注塑制品残余应力的产生原因和影响因素,给出了残余应力的计算方法,同时对残余应力的测试原理、测试方法、测试步骤进行了分析比较。在充模过程中熔体流动产生新的分子取向,这种取向来不及达到平衡状态而被“冻结”在制品中,由此产生了流动残余应力。制品在快速冷却过程中内部温度分布不均匀,冷却层由模腔表面向内部逐渐推进,制品中各点在不同时间从较高温度降到玻璃化转变温度以下,所经历的收缩变形不一样,从而产生热应力,由于聚合物材料的热粘弹性,制品在模腔内以及脱模之后热应力发生部分松弛,未松弛的热应力称为热残余应力。实验表明,热残余应力比流动残余应力大一个数量级,通过计算热残余应力就可推算出制品翘曲变形的程度,在假设无定型聚合物为热流变简单材料的前提下,讨论了热应力的计算公式。典型的测量聚合物制品残余应力的方法有双折射法,钻孔法,剥层法,应力松弛法,流变测量法等。他们具有不同的测试机理及其优缺点,其中双折射法不破坏试样,而剥层法、应力松弛法和钻孔法对试样具有破坏性,在这些方法中,双折射法与剥层法得到了广泛应用。……   
[关键词]:粘弹性;流变测量;松弛时间谱;残余应力
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:郑州大学2002年