自由基反應擠出過程的數值模擬與優(yōu)化設計.pdf

1、反應擠出技術是化學反應與擠出成型相集成的高新技術。以螺桿擠出機作為反應器，反應物和完成反應所必需的引發(fā)劑、催化劑等在連續(xù)擠出過程中完成預定的化學反應，合成為期望的聚合物，然后通過在擠出機機頭安裝的口模成型得到相應制品。因周期短、生產連續(xù)、能耗低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點受到國內外的廣泛關注，具有良好的發(fā)展前景。 反應擠出過程是物理流動、化學反應、傳熱與傳質并存且相互影響的復雜過程，體系通常處于非等溫、非等壓和高剪切速率的復雜外場條件

2、下，此外，反應擠出本身還存在一些特殊的工藝要求，如較高的反應速率、滿足熱傳導條件、較高的轉化率等，很難用經典反應器理論方法對現場工藝進行定量、實時研究與控制。解決上述問題的有效方法之一是開展反應擠出過程的數值模擬與優(yōu)化設計，定量揭示化學反應對于高分子材料結構和物理化學性能的影響規(guī)律，進而優(yōu)化設計反應器結構、材料組分和反應加工條件，擴大反應擠出技術的應用范圍?？梢姡菊n題具有重要的科學意義，并且具有廣闊的工程應用前景。 通常的數值

3、模擬采用一維的沿螺槽軸向展開的反應器模型，在模擬過程中一般簡化處理各種因素之間的耦合作用，基本不涉及高分子材料物理化學性能的動態(tài)演變規(guī)律的分析、材料組分和反應加工條件的優(yōu)化設計等內容。本文以自由基聚合及接枝改性體系作為研究對象，綜合應用機械科學、高分子化學與物理、高分子反應統計理論、計算流體力學、工程優(yōu)化與軟件工程等學科知識，從宏觀尺度模擬反應擠出過程的化學流變行為，建立材料配方、反應加工條件、材料微觀結構與宏觀性質之間的函數關系；采用

4、半隱式、解耦合的數值逼近方法，解決在復雜的化學與物理條件下眾多場變量之間的相互耦合問題；自主開發(fā)數值模擬與優(yōu)化設計系統的核心程序，定量預測反應擠出場量的演變，并輔助選擇反應器結構和工藝操作參數，使反應擠出過程實現可控化、最優(yōu)化。 主要工作與結論如下： 雙螺桿擠出機結構復雜，流體在流道內發(fā)生復雜的物理和化學變化，導致難以按照真實的擠出機結構與工況模擬其內部的復雜流變。本文根據緊密嚙合同向旋轉雙螺桿擠出機的幾何結構和運動特點

5、，將每一個順螺槽料流的流道沿螺槽軸向展開，分析得到展開長度、橫截面寬度、深度與橫截面面積等特征參數的計算式，在此基礎上，忽略物料在兩螺桿間傳遞的非主流運動，同時對模型截面形狀進行簡化處理，建立了等效的軸對稱反應器模型。將實際生產過程中的邊界工況，即螺桿轉動對流體的拖曳，以及機筒靜止對流體的阻礙，等效處理為流道模型全部周壁通過作軸向移動對流道內的流體進行拖曳，同時假定流道模型處于全充滿狀態(tài)，為整個反應擠出過程的數值模擬提供了空間模型。

6、 結合上述空間模型，給出了反應擠出過程的化學反應場、材料結構場與化學流變場的基本控制方程：根據自由基反應動力學理論，構建了自由基均聚及接枝反應的動力學模型，得到了反應速率、單體濃度、單體轉化率、引發(fā)劑濃度的計算式；根據高分子反應統計理論，考慮相對分子質量三層意義上的統計平均--瞬時生成的聚合物平均相對分子質量、考慮了歷史累積效應的聚合物平均相對分子質量與同時考慮反應物和產物的整個材料體系的平均相對分子質量--構建了每個層次數均、重均

7、相對分子質量的計算式；給出了黏性不可壓縮流體流動過程的連續(xù)性方程、運動方程和邊界條件；根據高分子物理學，建立了反應體系的零剪切黏度、表觀黏度與工藝條件、材料結構的關系式。 應用控制容積積分法（Control Volume Integration）導出了對流-擴散方程的離散表達式，引入交錯網格技術與SIMPLE算法，實現了耦合的壓力場與速度場的分離式求解，推導得到了流體的流動速度、壓力等物理量的數值計算式；采用向后差分方法和增量方

8、法，實現了化學反應場、材料結構場、化學流變場控制方程的離散，獲得了反應轉化率、聚合物平均相對分子質量、流體黏度等物理量的數值計算式。 采用半隱式、解耦合的數值逼近方法，解決了在復雜的化學與物理條件下眾多場變量之間的相互耦合問題，開發(fā)了自由基聚合反應擠出過程數值模擬的核心程序和自由基接枝反應擠出過程數值模擬的核心程序。在給定的初始條件和邊界條件下，實現了連續(xù)性方程、動量方程、化學反應動力學方程、平均相對分子質量計算式與化學流變本構

9、方程的數值求解。 運行自由基聚合反應擠出過程的數值模擬程序，模擬了甲基丙烯酸正丁酯的反應擠出過程，獲得了單體轉化率、聚合物平均相對分子質量、流體表觀黏度等場變量的演變情況，單體轉化率的模擬結果與實驗結果吻合一致。討論了凝膠效應及流率對反應擠出場量的影響，分析了在聚合反應擠出過程中調控高分子材料結構與流變性質的規(guī)律，為設備參數與工藝操作參數的選擇提供了理論依據。 運行自由基接枝反應擠出過程的數值模擬程序，模擬了乙烯基硅烷、

10、丙烯酸及甲基丙烯酸甲酯接枝聚乙烯的反應擠出過程。獲得了接枝度、均聚物質量分數、平均相對分子質量與材料黏度等場變量的動態(tài)演變情況，模擬結果與實驗結果基本吻合。討論了材料組成與工藝參數對接枝行為的影響規(guī)律，分析了提高接枝度與接枝效率的有效方法。 在數值模擬基礎上，開展了反應擠出過程的優(yōu)化設計研究。以反應擠出過程的有限容積模擬作為目標函數求解方法，以遺傳算法作為搜索尋優(yōu)方法，開發(fā)了反應擠出過程的優(yōu)化設計系統。針對自由基聚合反應擠出過程