单体 乙烯石油提炼中产生的一种气体 -PE片材挤出机,新闻资讯网

杨立丽 张斌斌 李林格

[摘 要]在影响聚合物熔体流变性能的各种因素中，温度和剪切速率一直是研究的重点。关于熔体压力对聚合物黏度影响的研究较少，在聚合物加工过程中，设备内部环境下的压力变化对于聚合物流变性能的影响十分明显。研究发现当压力从常压提高到150MPa时，聚乙烯（PE）的黏度提高了1至2个数量级；在190℃时当剪切速率为7.12s-1时，PE的黏度在测试压力范围内提高4倍；Ito发现PE在压力为125MPa时的黏度是常压下的135倍。研究高密度聚乙烯（HDPE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的黏度的压力敏感性，发现压力从78.2MPa提高到126MPa时PMMA剪切黏度提高了3倍。因此研究压力对熔体流变行为的影响至关重要。

[关键词]压力；低密度聚乙烯；熔体黏度；影响

中图分类号：G141 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）30-0397-01

1 实验部分

1.1 实验原料

LDPE：中海壳牌2420D，熔融指数2.16g/10min，密度0.9225g/cm3。

1.2 实验设备

本文应用了一种多阶分压式毛细管流变测试装置来研究压力对LDPE熔体流变行为的影响。采用出口增压法，在毛细管流变仪出口处增加了第二料筒、第三料筒组件，（1：第一料筒；2：第一温度传感器；3：第一口模；4：第二料筒；5：第三料筒；6：口模托；7：第一压力传感器；8：第二压力传感器；9：第二口模；10：第二溫度传感器；11：第三压力传感器；12：第三口模；13：第三温度传感器；）。通过增加第二料筒、第三料筒组件可大大提高测试压力，最高测试实验压力可达到200MPa；实现了单次测试高聚物熔体在不同压力下的黏度，亦可同时比较不同压力下高聚物熔体的黏度变化情况。

利用polyflow软件模拟计算了一种经典非牛顿聚合物熔体在口模部分流动时流场部分的压力分布情况。以剪切速率为105s-1时为例，可见测试压力显著提高，第一阶入口压力达到203MPa，说明该设备有很好的增压效果。

1.3 实验方法及计算方法

本文研究了压力对LDPE熔体流变行为的影响。实验采用上述三阶毛细管流变仪，第一阶、第二阶和第三阶口模分别采用0.8mm、0.8mm、0.8mm和0.8mm、0.8mm、0.5mm的搭配，长径比16，得到了5组在0.8mm口模条件下不同压力时的黏度。

2 结果与讨论

通过三阶口模装置在试验温度为180℃、190℃、200℃测试LDPE的流变性能。如Fig.3为190℃下在0.8mm、0.8mm、0.5mm口模组合中所测试的第一、二阶口模剪切速率与剪切黏度的关系曲线，可以明显看出，在口模直径和剪切速率相同的情况下第一阶口模剪切黏度明显大于第二阶口模剪切黏度，清晰地显现出LDPE剪切黏度的压力依存性。

在同一剪切速率下剪切黏度随着压力的增大而增大。这可由自由体积理论解释，自由体积受压力的影响，熔体所受压力升高，自由体积空间变小，使分子链段活动能力降低，熔体的流动性下降，导致黏度增大。随着熔体温度的变化，其自由体积的大小也将改变，这反映了温度也对其黏度压力敏感性产生影响，随着温度的升高，黏度的压力敏感性系数升高。剪切速率也会对黏度的压力敏感性产生影响，随着剪切速率的提高，黏度的压力敏感性降低。下文通过恒剪切速率法、恒剪切应力法、叠加法对聚合物黏度压力敏感性系数β进行计算，并对3种方法进行比较。分析不同方法对黏度的压力敏感性系数测试的差异，以190℃时LDPE熔体为例。

2.1 剪切速率对黏度压力敏感性系数的影响

在同一温度下βγ随着剪切速率的提高而降低，190℃时变化趋势如Fig.7所示，在剪切速率为1000～3000s-1时βγ随着剪切速率的增加表现为线性下降，下降速度较快；在剪切速率为3000～8000s-1时剪切速率下降速度变缓。这种现象可能是由于随着剪切速率的增加分子缠结点解开，分子链取向程度增加，导致分子间自由体积减小，分子表现为更难压缩，因此在高剪切速率下压力对黏度的增大效应减小。

2.2 温度对黏度压力敏感性系数的影响

剪切速率为1000s-1、3000s-1、6000s-1条件下βγ随温度的变化情况。由Fig.8可以明显看出，随着温度的升高βγ减小。这可能是因为随着温度的升高，分子链段的活动性提高，也就是说分子链移动更加容易，分子链的移动填补了由于不规则排列产生的空穴，自由体积减小，因此在高温条件下压力的升高将会使分子之间的自由体积减小得更少，分子表现为更难压缩，也就是说在高温条件下LDPE的黏度压力系数更小。

结论

本文分别用3种方法得出了压力敏感性系数：恒剪切速率法βγ、恒剪切应力法βτ、黏度曲线叠加法βθ。由恒剪切速率法得到的压力敏感性系数在较低剪切速率时与Barus方程的拟合程度不是很高，说明在低剪切速率时由恒剪切速率法得到黏度的压力敏感性系数存在一些误差，但是在实际中这一方法仍可使用，因为在低剪切速率时拟合的相关度系数仍可达到0.935。Fig.7所示随着剪切速率的提高LDPE的βγ呈现减小的趋势，因此由恒剪切速率法得到的压力敏感性系数会随着剪切速率的改变而改变，由于这些原因，恒剪切速率法得到的压力敏感性系数在实际使用过程中会带来很多不方便。由恒剪切应力法计算出的压力敏感性系数为一个恒定值，不会由于剪切应力的变化而变化，并且在低剪切下也能很好地表征压力敏感性系数。因此恒剪切应力法对于模型的建立和加工过程中的数值模拟更为方便。由曲线叠加法得到的压力敏感性系数也为一个常数值，不会随着压力的变化而变化，因此在使用过程中会带来很多方便，但是由叠加法计算得出压力敏感性系数的过程比较繁琐，不如恒剪切速率与横剪切应力法直观、简洁。综上所述，恒剪切应力法既能准确地描述压力敏感性系数而且计算方便快捷。

参考文献

[1] 杨佳.聚乙烯及其共混物熔体在挤出和拉伸过程中流变行为和机理的研究[D].华南理工大学，2012.

[2] 刘智峰.线型低密度聚乙烯/纳米粒子复合材料的超临界微孔发泡[D].宁波大学，2015.