聚丙烯高速挤出螺纹畸变现象及改善措施

论文摘要

本课题为国家自然科学基金资助项目[注],研究的主要内容是通过归纳、总结聚合物熔体（主要为聚烯烃熔体）高速加工挤出时发生的极其复杂的异常流变行为,分析异常流变行为发生的机理,并有的放矢地提出改善流动状态的对策。实验采用恒速型双筒毛细管流变仪等仪器重点研究了无规共聚聚丙烯（PP-R）在高速挤出时的流动规律及挤出畸变特征,通过分析挤出过程中的流动应力集中效应和熔体黏弹性变化确定了发生不稳定流动的扰动源位置和性质;分别通过制备PP-R/TLCP（热致性液晶高分子）原位成纤复合材料以及PP-R/CNTs（碳纳米管）复合材料来达到减轻或抑制不稳定流动的目的,并通过向聚丙烯熔体加入微量含氟弹性体（PPA）进一步验证不稳定流动的扰动源位置。结果表明,聚丙烯熔体的零长口模挤出物发生了特殊的螺纹畸变现象。熔体分子量越大、黏弹性越高、挤出速率越大,熔体在口模入口区发生应力集中效应越明显,入口压力降越大、零长口模挤出物的螺纹畸变现象严重。升高温度对螺纹畸变有明显改善作用。分析认为这种挤出螺纹畸变的扰动源位于口模入口区,是由入口区的流动应力集中效应和次级环流引起的,通过向PP-R熔体添加少量色母粒证实了次级环流的存在。口模入口区的不稳定流动可通过添加几何各向异性填料减轻或消除。实验利用原位成纤原理制备了PP-R/TLCP复合材料,结果表明,少量的TLCP能有效减轻PP-R熔体挤出畸变的程度,TLCP以微纤形态分散在PP-R基体中。TLCP不仅改善了熔体在口模入口区的不稳定流动,减弱入口区的应力集中和入口压力降,同时也能减弱分子链间的相互作用,降低熔体的黏弹性,有利于熔体的挤出加工。实验采用物理改性路线修饰碳纳米管和采用母料技术制备PP-R/CNTs复合材料,工艺路线简单易行。少量CNTs能改善PP-R熔体在口模入口区的流动应力集中和横向环流。使入口区应力集中效应减弱,拉伸应力和入口压力降下降。采用两步法制备了无规共聚聚丙烯（PP-R）—含氟弹性体（PPA）复合体系。结果表明,添加微量PPA改善了PP-R熔体长口模的挤出物表观,添加200 ppm的含氟弹性体就使长口模挤出物发生扭曲畸变的临界剪切速率从353 s-1增大到503 s-1。综合分析认为,PP-R熔体挤出过程中的流动应力集中效应和扰动源主要发生在口模入口区;熔体/管壁间的界面作用对熔体的不稳定流动性也有一定影响,但影响不大。通过对不同聚合物（主要是聚烯烃）熔体高速挤出时的异常流变行为进行归纳和量化描述,初步建立了识别聚合物加工行为的“指纹库”。该指纹库同时指出不稳定流动的扰动源及发生机理,提出相应的改善措施,对实际生产有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 引言
• 1.1 常见挤出畸变现象的简介
• 1.1.1 鲨鱼皮畸变
• 1.1.2 粘-滑转变畸变及挤出压力振荡
• 1.1.3 熔体整体破裂
• 1.1.4 第二光滑现象
• 1.1.5 螺纹畸变现象
• 1.2 影响高聚物熔体挤出畸变行为的因素
• 1.2.1 聚合物本体的结构
• 1.2.2 口模的形状、尺寸及界面
• 1.2.3 挤出工艺条件的影响
• 1.3 原位成纤法制备复合材料
• 1.3.1 原位成纤复合材料
• 1.3.2 原位成纤的机理
• 1.3.3 影响原位成纤的因素
• 1.3.4 原位成纤复合材料的制备方法
• 1.4 PP-R 及TLCP 简介
• 1.5 课题的提出及意义
• 第二章 聚丙烯熔体高速挤出螺纹畸变现象
• 2.1 实验原料及实验条件
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 主要的实验仪器
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 毛细管流变仪实验
• 2.2.2 动态机械分析仪DMA
• 2.3 不同结构聚丙烯的挤出外观
• 2.3.1 零长口模挤出物外观
• 2.3.2 长口模挤出物外观
• 2.3.3 温度对熔体挤出物外观的影响
• 2.4 不同结构聚丙烯的黏弹性对比
• 2.4.1 黏度对比
• 2.4.2 弹性对比
• 2.4.3 聚丙烯样品的DMA 曲线
• 2.5 流动曲线
• 2.6 聚丙烯挤出螺纹畸变的扰动源及机理分析
• 2.6.1 聚丙烯挤出螺纹畸变的扰动源分析
• 2.6.2 聚丙烯挤出螺纹畸变的机理分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 PP-R/TLCP 原位成纤改善 PP-R 熔体挤出螺纹畸变现象
• 3.1 实验原料及原位成纤复合材料的制备
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 原位成纤复合材料的制备过程
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 恒速型双筒毛细管流变仪测试
• 3.2.2 偏光显微镜观察
• 3.3 TLCP 微纤含量对复合材料熔体黏弹性的影响
• 3.3.1 TLCP 微纤含量对复合材料熔体黏度的影响
• 3.3.2 TLCP 微纤含量对复合材料熔体弹性的影响
• 3.4 TLCP 微纤的形态对熔体黏弹性的影响
• 3.4.1 TLCP 微纤的形态对熔体黏度的影响
• 3.4.2 TLCP 微纤的形态对熔体弹性的影响
• 3.5 温度对复合材料黏弹性的影响
• 3.6 TLCP 微纤对熔体流动曲线的影响
• 3.7 复合材料挤出物的外观
• 3.7.1 复合材料零长口模的挤出物外观
• 3.7.2 复合材料长口模的挤出物外观
• 3.7.3 温度对复合材料表观的影响
• 3.8 TLCP 微纤对应力集中效应的影响
• 3.9 本章小结
• 第四章 碳纳米管对 PP-R 熔体挤出螺纹畸变的影响
• 4.1 实验原料及实验内容
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 碳纳米管复合材料的制备
• 4.1.3 流变实验条件
• 4.2 碳纳米管对复合材料挤出外观的影响
• 4.2.1 不同碳纳米管含量对挤出物外观的影响
• 4.2.2 温度对挤出物外观的影响
• 4.3 碳纳米管对复合材料熔体黏弹性的影响
• 4.3.1 碳纳米管对复合材料剪切黏度的影响
• 4.3.2 碳纳米管对弹性的影响
• 4.4 碳纳米管对挤出压力及流动曲线的影响
• 4.4.1 对挤出压力的影响
• 4.4.2 碳纳米管对复合材料流动曲线的影响
• 4.5 碳纳米管对应力集中效应的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 含氟加工助剂对 PP-R 熔体挤出流变性的影响
• 5.1 实验原料及实验内容
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 实验内容
• 5.2 含氟弹性体对熔体黏弹性的影响
• 5.2.1 对熔体黏性的影响
• 5.2.2 对熔体弹性的影响
• 5.3 含氟弹性体对管壁上剪切应力的影响
• 5.4 含氟弹性体对应力集中效应的影响
• 5.5 含氟弹性体对熔体挤出外观的影响
• 5.5 1 PPA 含量对PP-R 熔体零长口模挤出物外观的影响
• 5.5.2 PPA 含量对PP-R 熔体长口模挤出物外观的影响
• 5.5.3 涂覆时间对熔体挤出物外观的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 聚烯烃材料加工行为的“指纹”库
• 6.1 第1 维：畸变现象的“指纹”辨析
• 6.1.1 第1 主纹路：挤出物外观表象
• 6.1.2 第2 主纹路：流动曲线特征
• 6.1.3 第3 主纹路：挤出压力的稳定性
• 6.2 第2 维：畸变扰动源分析（病理分析）
• 6.2.1 第1 方面分析：扰动源位置分析
• 6.2.2 第2 方面分析：扰动程度和性质分析
• 6.2.3 第3 方面分析：扰动机理分析及模型
• 6.3 第3 维：辩证对策
• 6.3.1 改善熔体/管壁界面处的不稳定流动
• 6.3.2 改善口模入口区的不稳定流动
• 6.3.3 改善口模出口区的不稳定流动
• 6.4 心得和展望
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文