ポリマー溶融物の横熱伝導率に対するせん断流の影響

ポリマー溶融物の熱伝導率に対するせん断流の効果は、反転した非平衡分子ジナミクス（RNEMD）法を使用して調査されます。元のRNEMDメソッドを拡張して、温度と流速の空間勾配を単一方向に生成しました。この方法により、せん断流に横方向の方向における熱伝導率の正確な測定が可能になります。せん断速度とポリマーコンフォメーションの緩和時間で定義されたワイセンバーグ数は、異なる鎖長にわたる熱伝導率のせん断速度依存性の発生を均一に区別できます。応力サーマルルール（STR）（すなわち、応力テンソルの異方性部分と熱伝導性テンソルの間の線形関係）は、せん断流の下でも絡み合ったポリマー溶融物を保持しますが、染色されていないポリマー溶融物ではありません。さらに、ポリマー鎖に絡み合いが形成されると、STRの応力熱係数はポリマー鎖の長さとは無関係のままです。これらの観察結果は、絡み合ったポリマー鎖のネットワーク構造に沿ったエネルギー伝達に焦点を当てたSTRの理論的基礎と整合しています[B.van den Brule、Rheol。Acta 28、257（1989）0035-451110.1007/BF01329335]。ただし、駆動型せん断流では、ストレスサーマル係数は、外力のない準周期状態について文献で測定されたものよりも著しく小さくなります。せん断流のSTRのメカニズムはまだ完全には解明されていませんが、私たちの研究では、せん断流におけるSTRの妥当性が確認されました。これにより、STRをポリマー溶融物の計算熱流体ダイナミクスの構成方程式として使用することができ、幅広いエンジニアリングアプリケーションを備えています。

The effect of shear flows on the thermal conductivity of polymer melts is investigated using a reversed nonequilibrium molecular-dynamics (RNEMD) method. We extended the original RNEMD method to simultaneously produce spatial gradients of temperature and flow velocity in a single direction. This method enables accurate measurement of the thermal conductivity in the direction transverse to shear flow. The Weissenberg number defined with the shear rate and the relaxation time of the polymer conformation can uniformly differentiate the occurrence of shear rate dependence of the thermal conductivity across different chain lengths. The stress-thermal rule (STR) (i.e., the linear relationship between anisotropic parts of the stress tensor and the thermal conductivity tensor) holds for entangled polymer melts even under shear flows but not for unentangled polymer melts. Furthermore, once entanglements form in polymer chains, the stress-thermal coefficient in the STR remains independent of the polymer chain length. These observations align with the theoretical foundation of the STR, which focuses on energy transmission along the network structure of entangled polymer chains [B. van den Brule, Rheol. Acta 28, 257 (1989)0035-451110.1007/BF01329335]. However, under driven shear flows, the stress-thermal coefficient is notably smaller than that measured in the literature for a quasiquiescent state without external forces. Although the mechanism of the STR in shear flows has yet to be fully elucidated, our study confirmed the validity of the STR in shear flows. This allows us to use the STR as a constitutive equation for computational thermofluid dynamics of polymer melts, thus having broad engineering applications.