超声波表征聚合物PVT性能及相关理论研究

摘要

聚合物压力-比容-温度(P-V-T)关系直接影响着聚合物的生产、加工以及应用，掌握其基本规律并发展可工程化应用的检测技术十分重要。常规检测方法难以应用于工程实际，发展方便适用的无损在线检测方法前景广阔。本文应用超声波检测方法表征聚合物PVT，基于定量理论推导和实验数据拟合的分析建立了具体表征方法。
　　 本文在稳态条件下同步测量聚合物PVT数据与超声波信号数据，通过分析实验数据，归纳了聚合物比容与超声波声速之间的定量关系;联系聚合物状态方程理论，应用Tait经验方程、Flory-Orwoll-Vrij自由体积模型（FOV方程）、Prigogine方阱胞腔模型（CM方程）、Dee-Walsh修正胞腔模型（MCM方程）、Sanchez-Lacombe格子流体模型（SL方程）和Hartmann-Haque模型（HH方程）等6个状态方程研究了共混组分与填充份数对状态方程参数的影响。
　　 (1)以结晶聚合物高密度聚乙烯( HDPE)为例分析了聚合物PVT曲线与超声波信号曲线之间的关系，结果表明PVT曲线的突变与超声波振幅的极值和超声波声速的突变相对应，同时接近DSC曲线的吸热峰峰值Tm，此外，对比聚合物PVT曲线和超声波声速曲线发现二者相似，因此可由超声波声速来定量描述聚合物比容。同时，其它单组份聚合物(PP、PS)和聚合物共混体系(PP/HDPE)及聚合物填充体系( PP/CaCO3)也具有类似的性质。
　　 (2)对实验数据进行数值拟合，获得了三类材料体系状态方程的参数;分析了聚合物共混体系组成和聚合物填充体系填充份数对其传递超声波信号以及状态方程参数的影响，结果也显示出一定的规律性;超声波信号以及状态方程参数均可以定性描述聚合物共混体系的相容性。
　　 (3)通过对实验数据的分析得到了5组定量描述三类材料体系超声波声速与聚合物比容的关系式。比较5个方程（组）发现方程V=c-1/3·F-7/6很好的适用于各类材料体系，并且F值与填充份数呈现线性变化。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 超声波检测原理

1．1．1 超声波声速与超声波衰减

1．1．2 常用超声波检测方法

1．2 聚合物PVT研究进展

1．2．1 单组份聚合物PVT特性研究

1．2．2 聚合物共混体系PVT特性研究

1．2．3 聚合物填充体系PVT特性研究

1．3 状态方程(EOS)简介

1．3．1 经验方程——Tait方程

1．3．2 胞腔模型

1．3．3 格子-流体模型——Sanchez-Lacombe格子流体理论(SL)

1．3．4 其它方程

1．3．5 状态方程的应用

1．4 聚合物PVT测试技术

1．4．1 常规PVT检测技术

1．4．2 超声波-聚合物PVT关系测试技术

1．5 课题的意义及主要研究内容

1．5．1 课题的意义

1．5．2 论文的主要内容

第二章 实验方法与EOS拟合理论

2．1 实验设备与原料

2．1．1 实验设备

2．1．2 实验原料

2．2 实验方法

2．2．1 聚合物共混体系及填充体系的制备

2．2．2 聚合物PVT与超声波信号的同步采集

2．3 EOS方程拟合推导

2．3．1 FOV方程

2．3．2 CM方程

2．3．3 MCM方程

2．3．4 SL方程

2．3．5 HH方程

第三章 超声波表征单组分聚合物特性研究

3．1 超声波表征高密度聚乙烯

3．1．1 HDPE的PVT关系

3．1．2 状态方程拟合

3．1．3 HDPE超声波信号与温度压力的关系

3．1．4 HDPE的DSC曲线

3．1．5 超声波声速与HDPE比容关系

3．1．6 声速-比容方程的比较

3．1．7 声速-比容方程与Tait方程之间关系

3．2 超声波表征聚丙烯(PP)

3．2．1 PP的PVT关系

3．2．2 状态方程拟合

3．2．3 PP超声波信号与温度压力的关系

3．2．4 PP的DSC曲线

3．2．5 超声波声速与PP比容关系

3．2．6 声速-比容方程的比较

3．2．7 声速-比容方程与Tait方程之间关系

3．3 超声波表征聚苯乙烯(PS)

3．3．1 PS的PVT关系

3．3．2 状态方程拟合

3．3．3 PS超声波信号与温度压力的关系

3．3．4 PS的DSC曲线

3．3．5 超声波声速与PS比容关系

3．3．6 声速-比容方程的比较

3．3．7 声速-比容方程与Tait方程之间关系

3．4 小结

第四章 超声波表征聚合物共混体系特性研究

4．1 PP／HDPE(HDPE质量百分比w=60％)PVT关系

4．2 PP／HDPE共混体系超声波信号与温度压力关系

4．3 PP／HDPE(W=60％)共混体系声速比容关系

4．4 PP／HDPE(W=60％)共混体系DSC曲线

4．5 PP／HDPE共混体系状态方程拟合及共混组分对方程参数的影响

4．5．1 共混组分对Tait方程参数的影响

4．5．2 共混组分对FOV方程参数的影响

4．5．3 共混组分对CM方程参数的影响

4．5．4 共混组分对MCM方程参数的影响

4．5．5 共混组分对SL方程参数的影响

4．5．6 共混组分对HH方程参数的影响

4．6 PP／HDPE共混组分对超声波信号的影响

4．7 PP／HDPE共混体系声速-比容关系

4．8 PP／HDPE共混组分对声速比容方程的影响

4．9 小结

第五章 超声波表征聚合物填充体系特性研究

5．1 PP／CaCO3(质量比100／15)PVT关系

5．2 PP／CaCO3填充体系超声波信号与温度压力关系

5．3 PP／CaCO3填充体系状态方程拟合及填充含量对方程参数的影响

5．3．1 填充份数对Tait方程参数的影响

5．3．2 填充份数对FOV方程参数的影响

5．3．3 填充份数对CM方程参数的影响

5．3．4 填充份数对MCM方程参数的影响

5．3．5 填充份数对SL方程参数的影响

5．3．6 填充份数对HH方程参数的影响

5．4 CaCO3填充对PP超声波信号的影响

5．4．1 CaCO3填充对PP超声波振幅的影响

5．4．2 CaCO3填充对PP超声波声速的影响

5．5 CaCO3填充含量对超声波信号的影响

5．5．1 CaCO3填充对超声波振幅的影响

5．5．2 CaCO3填充对超声波声速的影响

5．5．3 CaCO3填充含量对声速比容方程的影响

5．6 PP／CaCO3填充体系声速-比容关系

5．7 小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录1 聚合物比容-超声检测结果

附录2 PP／HDPE共混体系和PP／CaCO3填充体系声速比容方程

致谢

研究成果及发表的学术论文

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