近年來，聚合物共混物在石油、半導(dǎo)體、纖維、納米過濾、印刷等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。通過對(duì)兩種或兩種以上聚合物共混改性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物的性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、改善某一性能或引入特殊性能。在聚合物的組成確定后，聚合物共混物的性能，不僅取決于每種聚合物組分的性能，還取決于其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、加工條件和相容性，而界面張力則是決定組分間相容性的一個(gè)代表性參數(shù)。因此，準(zhǔn)確測(cè)量聚合物之間的界面張力對(duì)于預(yù)測(cè)和控制聚合物共混物的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能具有重要意義。然而，盡管非牛頓流體的界面張力測(cè)量應(yīng)用較為普遍，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于聚合物在高溫狀態(tài)下具有黏彈性，在實(shí)驗(yàn)過程中，需要消除黏彈性對(duì)界面張力測(cè)量的影響。因此，通過實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確測(cè)量聚合物間的界面張力值仍具有挑戰(zhàn)性。

迄今為止，實(shí)驗(yàn)測(cè)量聚合物共混物的方法主要分為三大類：靜態(tài)方法、動(dòng)力學(xué)方法和流變學(xué)方法。靜態(tài)方法包括懸垂液法、固著液滴法等。靜態(tài)方法利用平衡的原理，它需要準(zhǔn)確測(cè)量兩種材料的密度差，難以保證測(cè)量準(zhǔn)確。并且靜態(tài)方法一般適用于系統(tǒng)黏度較低的情況，對(duì)于黏度較大的聚合物系統(tǒng)，達(dá)到平衡的時(shí)間相當(dāng)長，因此還面臨著熱降解的風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)力學(xué)方法包括斷裂絲線法、嵌入纖維回縮法、變形液滴回縮法以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法。在受到流場(chǎng)作用時(shí)，共混熔融體的分散相小液滴會(huì)逐漸變?yōu)闄E球形，最后變成球形。這一變形過程很大程度上決定了共混物的流變學(xué)性能。通過對(duì)液滴從橢球形縮回成球形這一過程進(jìn)行分析計(jì)算，可以預(yù)測(cè)組分之間的界面張力。動(dòng)力學(xué)方法利用了界面力與熱擾動(dòng)等其他因素之間的平衡，該方法能克服靜態(tài)方法的不足。然而，現(xiàn)有動(dòng)態(tài)學(xué)方法的基本理論只對(duì)純黏性流體有效，若應(yīng)用于聚合物，動(dòng)態(tài)方法將產(chǎn)生難以預(yù)估的誤差。流變學(xué)方法運(yùn)用較少。上述測(cè)定界面張力的方法中，橢球回縮法被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的，這是因?yàn)橐旱卧诔跏夹⌒巫儠r(shí)的形狀嚴(yán)格符合動(dòng)力學(xué)模型。在以往的研究中，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)黏彈體系液滴形變和界面張力的測(cè)量有了一定的實(shí)驗(yàn)和理論研究，但是由于實(shí)驗(yàn)條件、數(shù)據(jù)處理等方面的限制，這些探索還有一些局限性。為了更好地支持現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)理論和分析，完善實(shí)驗(yàn)方法，采用數(shù)值模擬技術(shù)，有針對(duì)性地對(duì)液滴變形行為以及界面張力的測(cè)量進(jìn)行研究，與實(shí)驗(yàn)理論互相補(bǔ)充與驗(yàn)證。

前期研究過程中，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)及流體相關(guān)理論，對(duì)聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系進(jìn)行了定性分析。同時(shí)通過改進(jìn)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，采用橢球液滴回縮法測(cè)量了茂金屬催化的乙烯-辛烯共聚物（metallocene catalyzed polymers of ethylene and octene，POE）/聚苯乙烯（polystyrene，PS）體系的界面張力，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)液滴形變模型進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證，對(duì)液滴在流場(chǎng)中的行為和形變規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步探索。上述研究整體上完善了對(duì)液滴變形行為的描述方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型的可靠性。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料及設(shè)備

主要材料：POE（牌號(hào)Engage8150，辛烯含量為25%，Du Pont Elastomer公司）；PS［牌號(hào)MC3100，雪佛龍化工（張家港）有限公司］。材料零剪切黏度（η0）及黏度比（p）見表1。

表1不同溫度下POE和PS的零剪切黏度和黏度比

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：數(shù)碼攝像機(jī)，大恒MER-132-30GC，幀率為30幀/s；光學(xué)鏡頭，DH110-04F28X，放大倍數(shù)，4X；圖像采集軟件，Daheng Galaxy Viewer；加熱臺(tái)；移相觸發(fā)溫控臺(tái)，溫度范圍20~450℃；干燥箱，蘇泊儀器有限公司電熱恒溫干燥箱，溫度10~300℃；紅外測(cè)溫儀，得力DL333600，-40~600℃；探針式溫度計(jì)，邦弗JR-9919工業(yè)溫度計(jì)；光學(xué)平臺(tái)，卓立漢光SRP10-08。上述設(shè)備按圖1放置、安裝。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將玻璃器皿放置在加熱臺(tái)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行熔化、退火、加熱等操作。用數(shù)碼攝像機(jī)搭載光學(xué)鏡頭拍攝全過程，用圖像收集軟件Daheng Galaxy Viewer收集所得圖像。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

PS由3D打印機(jī)制成直徑為1~2 mm，長度為5 mm的細(xì)絲。POE在50℃干燥機(jī)中干燥24 h，直至開始實(shí)驗(yàn)。稱量27 g POE顆粒，平鋪于直徑為70 mm的玻璃器皿中，加熱臺(tái)溫度設(shè)置為120℃，熔融POE直至顆粒完全熔化，基質(zhì)POE厚度約為8 mm。將PS細(xì)絲放入POE基質(zhì)中，停留10 min，退火處理，使PS細(xì)絲與POE基質(zhì)充分接觸，消除氣泡及殘余應(yīng)力。退火結(jié)束后，將溫度升至實(shí)驗(yàn)溫度230℃，通過工業(yè)相機(jī)觀察實(shí)驗(yàn)過程。從退火完成開始計(jì)時(shí)，直至液滴形態(tài)呈現(xiàn)出球形時(shí)結(jié)束。

定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——實(shí)驗(yàn)

定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——數(shù)值模擬

定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——數(shù)值仿真結(jié)果、結(jié)論