多相高分子熔体相形态的超声波在线研究

多相高分子熔体的相形态研究是高分子加工成型领域的一个基本问题，发展新的在线表征手段是一项紧迫任务。申请者拟在前期定性研究的基础上，结合超声多重散射理论和高分子熔体粘弹性模型，引入分散相的形状因子，建立适合多相高分子熔体的超声散射理论，定量研究多相高分子熔体中超声速度、衰减系数和分散相浓度、平均尺寸、分散系数和形状比的关系。通过数值模拟多相高分子熔体超声散射理论计算得到分散相的含量、尺寸大小、分散系数和形状比。研究分为两个阶段。在第一个阶段，研制静态超声波检测系统，研究多相高分子熔体在静止状态下温度、压力、分散相形态与超声波参数的定量关系，并验证多相高分子熔体超声散射理论。在第一阶段的理论研究基础上，研制动态超声波检测系统，利用超声波在线研究多相高分子熔体在挤出过程中分散相的形态演变，并研究熔体分子取向和分散相变形对超声信号的影响，建立在线研究相形态演变的新方法。

本项目研制并改进了超声波在线检测设备，利用所检测的超声速度和衰减系数等参数研究了高分子熔体的取向、解取向及其松弛；相形态及其演变；以及橡胶的硫化及其动力学。（1）在线研究了HDPE、HDPE/玻璃微珠、HDPE/滑石粉、HDPE/LDPE、HDPE/PA6等多相高分子体系的取向、解取向及其松弛行为，通过声速的变化可以计算其松弛时间。研究了熔融指数、剪切速率、温度、组成比和相容剂等外在因素对取向度和松弛时间的影响。结果显示外在因素对分子取向过程影响较大，而几乎不影响解取向过程。这是由于解取向是个自发过程。超声检测反映的是整个分子链的运动，所得到的松弛时间比其他方法得到的松弛时间稍大。（2）利用改进的超声波在线检查设备详细研究了HDPE/LDPE、HDPE/PP和HDPE/PA6三种相容、部分相容和不相容多相体系的相形态结构。根据声速和衰减与组成的关系，我们可以定性判断体系的相容性。在此基础上，我们提出了利用衰减来定量计算不相容体系中分散相尺寸的方法。对于HDPE/PA6不相容体系，我们进一步研究了不同温度场和不同力场作用下，粘度比、组成比和相容剂含量对分散相尺寸的影响。超声实验结果与其他方法（流变学和电子显微镜）得到的结果一致。（3）利用超声波检测了EPDM橡胶的硫化过程。根据超声速率随硫化时间的变化规律，建立了数学模型来计算硫化反应的动力学常数。在此基础上研究了硫化剂含量和温度对硫化程度和动力学常数的影响。研究发现EPDM的硫化过程符合一级动力学反应，超声模型能够准确、快速地反映其硫化过程；等温条件下，硫化速度随硫化剂含量增加而降低，硫化程度增加；硫化剂含量不变时，升高温度，硫化速度和硫化程度均增加。本项目建立了一些数学模型来描述高分子材料性质与超声速度和衰减的关系，因此可以通过超声速率和衰减的变化来计算松弛时间、分散相尺寸和动力学常数。超声检测得到的结果与其他方法得到的结果一致，表明超声波在线检测技术是一种可靠、准确的方法。相对于其他高分子材料表征手段，超声波在线检测技术也具有快速、无损、简单等特点，适合于工业化应用。