聚合物擠出成型過程計算機模擬與流場中大分子鏈形態(tài)流變學的研究.pdf

1、聚合物擠出成型過程主要包括擠出機內物料輸送、機頭流道流動、口模擠出流動以及后續(xù)各種成型工藝等階段，用于生產許多重要的聚合物材料制品，如片材、型材、纖維、薄膜、容器等。在此過程中，聚合物材料要經歷復雜的熱歷史與流場的作用，材料的流變特性與內部結構發(fā)生了改變，很大程度上影響了材料的最終性能。研究加工條件對制品性能的影響、建立材料內部結構與宏觀性能的對應關系是聚合物加工領域的當前最重要課題之一。 本文采用先進、高效的計算機模擬技術，研

2、究了聚合物材料在雙螺桿擠出機內的輸送過程以及三種重要的成型工藝(紡絲、吹塑、薄膜流涎)中聚合物熔體的流動行為。重點分析并總結了擠出工藝參數對生產過程與制品性能的影響規(guī)律。同時，為了克服宏觀粘彈本構模型無法描述材料內部結構變化的缺點，采用了新的一類模型-構象張量模型，對復雜加工流場中熔體的流動進行了模擬，并計算了聚合物大分子鏈的取向與拉伸，將模擬研究深入至內部結構中去。主要研究內容及結論簡述如下： (1)利用Ludovic軟件，對

3、雙螺桿擠出機內聚合物材料輸送全過程進行了計算機模擬，包括固體輸送、熔融及熔體輸送三個過程。通過模擬結果與實驗的對比，評價并選擇了適用于聚丙烯、聚苯乙烯的熔融模型。預測的壓力分布、溫度分布與停留時間與實測值很好地吻合，證明了模擬方法的有效性。模擬預測了擠出機內部許多流場參數的分布與變化，包括壓力、溫度、停留時間、粘度、剪切速率、填充率等，如同為我們揭開了“黑箱”的神秘面紗。研究了喂料速率、螺桿轉速及料筒溫度對擠出過程的影響。發(fā)現螺桿轉速與

4、料筒溫度對擠出機內部溫度場影響很大，而喂料速率則影響很小。模擬預測雙螺桿擠出機內固體材料粒子熔化過程發(fā)生很快，區(qū)別于單螺桿擠出過程。研究了加工參數，如喂料速率、螺桿轉速等對物料的停留時間分布的影響。發(fā)現：增大螺桿轉速，停留時間減少，但RTD峰峰形基本不變；增大喂料速率，停留時間減少，RTD峰變尖銳。根據計算結果，總結了最小停留時間、平均停留時間與螺桿轉速及喂料速率之間的定量關系式。這些影響規(guī)律的總結，有助于實現擠出生產過程的最優(yōu)化。

5、 (2)對三類拉伸主導的、重要的聚合物制品成型工藝進行了模擬研究，包括纖維紡絲過程、中空吹塑及薄膜流涎工藝。首先，建立了圓形纖維的2D軸對稱模型，采用有限元方法對Doufas提出的適用于高速紡絲過程模擬的兩相微結構流變模型進行了求解。計算結果克服了Doufas徑向平均化方法的缺點，真實、準確地預測了纖維軸向與徑向溫度場的分布。通過對速度場、溫度場的模擬結果與實測值的對比，證實了模型的預測能力?；谀M結果，重點討論了高速紡絲下縮頸形

6、成的原因及大分子鏈被拉伸的程度。同時，對異形纖維成型過程中，纖維截面形狀改變的問題進行了探討。通過模擬及實驗研究，我們認為：表面張力是引起纖維截面變化的主要作用因素。其次，建立了拉伸一吹塑連續(xù)過程的計算機模擬方法，采用一類積分型粘彈本構模型(KBKZ模型)來描述熔體的流變特性，對一實際吹塑制品的注射-拉伸-吹塑過程進行了模擬。通過計算值與實驗值的對比，表明模擬能夠較好地預測成型瓶子的厚度分布，并研究了拉伸速率、吹脹壓力等工藝參數對瓶子厚

7、度分布的影響。我們將計算機模擬方法應用于我們研制的改性UHMWPE料的吹塑新產品的開發(fā)過程中。通過對材料的流變性能分析，認為這種材料可以用螺桿擠出機擠出，但需要對擠出系統(tǒng)進行改造，以克服熔體的高粘度及打滑現象；計算機模擬預測改性UHMWPE料實現吹塑的最小吹脹壓力為0.8MPa，并作為實際吹塑加工的操作壓力，生產得到了UHMWPE的吹塑瓶子。此外，對保壓冷卻過程中溫度的變化也進行了模擬分析，用來評價模具設計的質量。最后，對3D非等溫粘性

8、流體、3D等溫粘彈性流體的薄膜流涎過程進行了模擬研究?？紤]了薄膜厚度方向上的流動，使得流場信息更準確、全面。計算機模擬成功地預測了穩(wěn)態(tài)生產線上縮頸、啞鈴邊這兩種常見的工藝缺陷。重點討論了冷卻作用、拉伸比、流涎距離、自重、粘彈性等因素對薄膜形狀的影響。發(fā)現：流涎過程中的冷卻作用與重力作用均減少了薄膜收縮程度，也減少了厚度不均勻區(qū)域的面積，使得到的薄膜更均勻。對于牛頓性流體，薄膜收縮隨著拉伸比與流涎距離的增大而更加嚴重。對于粘彈性材料，薄膜

9、收縮幅度與拉伸比的關系則依賴于彈性的大小。當彈性較小(類似PET)時，隨著拉伸比的增大，薄膜收縮幅度先增大，繼而趨向一平衡值；增大彈性(類似PE)，隨著拉伸比的增大，薄膜收縮先增大，然后達到平衡值，繼而反而減少，已在LDPE薄膜流涎生產線上觀察到這種變化趨勢；當材料彈性繼續(xù)增大(類似PP)時，高拉伸比時薄膜收縮則呈相反趨勢，即反而隨著拉伸比的增大繼續(xù)增加，這種預測的變化關系尚未得到實驗證實。同時亦發(fā)現：增大材料彈性，有利于減少廢邊區(qū)域面

10、積。 (3)建立了新的耦合(u，p，C)求解系統(tǒng)和一種新的有限元格式來計算復雜加工流場中熔體的粘彈流動，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的(u，p，σ)體系，代表了一種新的模擬方法，即先計算熔體大分子鏈的結構變化，即取向與拉伸，在此基礎上計算宏觀粘彈參數，體現了“結構決定性能”的模擬思想。對兩類標準問題：收縮流和平面繞流流動進行了有限元分析計算，將模擬計算結果，包括速度分布、應力分布分別與粒子跟蹤速度儀、流動雙折射的實驗數據進行對比。比較結果說明我們建

11、立的模擬方法能夠較好地捕獲復雜流場中高聚物熔體與溶液的流動行為以及熔體內部大分子鏈形態(tài)結構的變化，并討論了熔體內部結構與宏觀流變性能的對應關系。銜接聚合物大分子鏈形態(tài)介觀模型與流場有限元技術，設計開發(fā)了一個適用于計算流場中大分子鏈線團形態(tài)變化的數字計算平臺，并命名為DAMPC(DigitalAnalysisofMorphologyofPolymerChainsinFlowFields)，整合了構象張量模型的發(fā)展及其在實際加工過程中的應用

12、等研究成果，克服了經典力學模型的缺陷，使得對聚合物加工過程的計算機模型深入到聚合物大分子鏈內部微觀結構中去。這個計算平臺已應用于相分離、反應加工與流動誘導結晶等研究領域。 本論文的主要創(chuàng)新點歸納如下： 1.擴展了Douhs的工作，采用兩相微結構流變模型，首次考慮圓形纖維徑向流動，對纖維高速紡絲過程進行了計算機模擬，解決了徑向流場參數計算不準確的問題。根據模擬結果，分析了縮頸形成原因以及紡絲過程中熔體大分子鏈拉伸的情況。對

13、3D異形纖維的成型過程進行了計算機模型，首次指出：表面張力是引起纖維形狀變化的主要原因。 2.用構象張量代替應力張量，組成新的描述復雜流場中聚合物熔體流變行為的控制方程組，并建立了新的有限元格式。通過先求解復雜流場中大分子鏈結構的變化，繼而計算熔體宏觀粘彈性質的變化，建立了“結構決定宏觀性能”的模擬方法。銜接聚合物大分子鏈形態(tài)介觀模型與流場有限元技術，開發(fā)了一個適用于計算流場下聚合物大分子鏈形態(tài)演變及宏觀流變性能的軟件，命名為D

14、AMPC(DigitalAnalysisofMorphologyofPolymer’ChainsinFlowFields)。利用此軟件，已經開展的應用研究工作包括在平面收縮流、平面繞流、振動流等以及相分離、反應加工與流動誘導結晶理論。在所分析的流場中聚合物熔體的流動參數與實驗結果相吻合，顯示了理論模型與軟件的適用性。 3.基于流場內聚合物體系自由能的變化，建立了一個考慮大分子鏈的取向與拉伸對于結晶固化過程影響的動力學理論模型。模