微成型加工过程中聚合物流变行为的研究

Significantly different rheological behaviors of visco-elastic polymer melts can be observed between the macroscopic scale flow and microscopic scale flow. Compared with the macroscopic scale flow, the dependence of the surface/volume ratio, melt pressure, interface effect and elasticity on the viscosity will be abruptly changed when the melt flows in a micron channel, which is contributed to the geometrical dependence of viscosity as well as the principle of temperature-pressure dependence. Therefore, rheological properties of melts flowing in micro-channel should be further investigated for understanding and assistanting the micro-processing. In this under-applied project, two tasks are mainly going to be studied. The investigation of mechanism of the geometrical dependence of viscosity (esp. capillary viscosity) is the first part based on the high pressure extrusion or high-speed micro-injection by means of a capillary die or slit die. Then a micro-viscosity model is expected to be established based on the Barus equation and Doolitte equation for considering the influence of pressure and temperature effects affecting the viscosity. Secondly, analysis of seeking a novel way to reduce the pressure drop of melt during flowing in a micro-channel is going to be conducted and geometrical optimization of the flow channel is also considered.

黏弹性聚合物熔体在微尺度流道内流动时的流变行为与宏观尺度下流动时的流变行为相差极大。由于熔体在微尺度流道内流动时具有更高的表体比、流动压力、更强的界面效应以及熔体的弹性对其黏度的影响也更加明显，从而造成了微尺度下聚合物熔体的黏度行为表现出不同的黏度-尺度效应以及明显的黏度温压敏感性特征。为此，有必要研究聚合物熔体微成型过程中的相关流变现象。本项目拟主要研究以下两方面内容：（1）以微尺度特征的毛细管口模或缝隙流道为研究工具，采用高压挤出或微型注塑的方法，针对不同类型的聚合物熔体研究其在不同温度下的黏度-尺度效应机理。基于Barus效应与Doolitte方程，考虑温度、压力对熔体内部自由体积的影响，建立广义的微尺度黏度模型；（2）研究降低微尺度流动过程中压力损耗的新方法，微流道结构的设计优化机理。

本项目着重于聚合物熔体加工时在微尺度流道内流动时的流变行为进行研究，主要考察了纯聚合物熔体及其纳米复合才在毛细管流道中的黏度变化、挤出胀大、壁面滑移行为等。基于这个目标，自主设计了三阶分压式毛细管流变仪原型，并采用该实验装置测试了几种经典聚合物材料；制备了掺杂有不同形貌、不同含量、不同界面特征的聚合物纳米复合材料，并研究其流变特性的差异。本项目拟主要研究以微尺度特征的毛细管口模流道为研究工具，采用高压挤出的方法，比较研究聚合物熔体研究其在不同温度下的黏度-尺度效应机理。并进一步基于Barus效应与Doolitte方程，考虑温度、压力对熔体内部自由体积的影响，建立黏度变化机理的理论体系。研究发现，不同的聚合物材料在微尺度流动状态下黏度行为与材料本身的特性密切相关，主要受分子极性、内部自由体积分数的大小以及内聚能密度等参数；对于纳米复合体系，则纳米颗粒的分散形态、颗粒的含量以及颗粒与聚合物基体之间的界面特性相关。研究发现，在基体粘弹性受限影响方面，二维纳米颗粒表现出更加明显的作用。该研究有助于指导聚合物材料高精密加工过程，完善起加工成型的的理论体系，实现加工过程更加有效的控制。