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《浙江大学》 2008年
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挤出过程停留时间分布的实验研究和数值模拟

张先明  
【摘要】: 高性能聚合物材料的制备越来越依赖于聚合物共混和复合,而不是合成新的聚合物。混合效果直接影响共混体系的结构和形态,进而影响所制备材料性能,因此混合设备选择和加工条件优化一直是聚合物加工学界关注的焦点。同向双螺杆挤出机具有可控的轴向、分布和分散混合,在聚合物加工和反应挤出过程中得到广泛应用,但挤出机复杂的几何结构和瞬态流动特征导致了流动和混合理论研究远未成熟。可视化研究只能定性分析挤出机中物料流动状态,停止机器运转取料分析则不能真实反映挤出加工的动态特征,在线测试技术结合数值模拟则为定量表征挤出过程混合行为带来了希望。聚合物挤出过程是多参数耦合过程,对混合过程的在线测试实验研究和数值模拟交叉了聚合物流变学、聚合反应工程、材料科学、仪器和机械科学等多学科,无论理论研究还是实际应用都是目前急需解决、极有挑战性的研究课题。 论文在对挤出过程动态特征及其理论研究现状系统了解和认真把握基础上,以代表挤出机轴向混合能力的停留时间分布(RTD)在线测试作为突破口,多角度研究了挤出机内熔体流动形态和不同螺杆元件的混合能力。从聚合物混合过程两相界面面积伸展入手,基于计算流体动力学(CFD)对不同捏合元件混合过程动态建模,进行了操作条件和几何结构分析。论文取得了以下的创新性研究结果: 1、利用蒽示踪剂的荧光性,开发的一套可以同时检测两个测试点位置的荧光在线检测装置,参考探测器的加入增强了仪器外部和内部抗干扰能力,探头独特设计可以耐高温、高压,同时设计了适合全局和部分RTD检测的挤出口模及螺杆构型。首先从四个方面验证该装置的可靠性,考察了螺杆转速N、喂料量Q和比产率Q/N对全局和部分RTD的影响。延迟时间和平均停留时间随螺杆转速的增加而减小,而RTD曲线的形状变化不大,说明轴向混合强度受螺杆转速影响不明显;延迟时间和平均停留时间随喂料量的增加而减小,而RTD曲线的形状变窄,说明轴向混合强度随喂料量增加而减弱,喂料量对轴向混合的影响要大于螺杆转速。 2、实验获得的全局和部分RTD还不能表征挤出机中间某一区域,比如一个元件或几个元件组合混合与流动状况。推导了用于处理部分RTD进而获得局部RTD的卷积和去卷积的数值算法,利用连续搅拌釜反应器(CSTR)串联、管状层流反应器(TLFR)串联和TLFR与CSTR串联说明算法的合理性和具有的物理意义,求解得到的数值解和基于物料平衡推导的解析解具有很好的一致性。将该算法应用到双螺杆挤出过程,以四组螺杆元件组成的局部区域作为研究对象,对螺杆转速、喂料量和不同混合元件协同作用下局部RTD进行研究,不同捏合元件的延迟时间、平均停留时间和RTD宽度都有如下顺序:30°<45°≤60°<90°<特殊混合元件。 3、调节加工参数来改变混合强度而不改变RTD,或改变RTD而不改变混合强度对优化挤出工艺和指导螺杆设计具有重要意义。引入了停留体积分布(RVD)、停留转数分布(RRD)和无因次RTD理论来理解螺杆输送和混合行为,明确比产率Q/N可以调节RTD和混合强度。对于相同螺杆构型和比产率Q/N,不同的Q和N,全局、部分和局部RTD随螺杆转速和喂料量增加而增加,但具有相同的RVD、RRD和无因次RTD。四种分布之间物理意义各不相同,但存在一定关联性,推导了它们之间的内在关系式,进而说明相同比产率Q/N导致螺杆的平均填充率和完全填充长度相同。 4、通过溶液共聚合成苯乙烯大分子示踪剂(PS-tracer),熔融接枝获得聚丙烯大分子示踪剂(PP-tracer),并将其用来考察机筒温度对RTD的影响。结果显示合成的两种大分子示踪剂性质稳定,实验结果重复性好;温度升高虽然可以减小物料粘度,但对RTD的影响不大。对于全局RTD测量,利用大小示踪剂获得结果无差异;当螺杆混合能力下降和物料熔融时间减少,利用大小示踪剂获得结果差异明显,大分子示踪剂才能真正表征聚合物流动状况。在PS和PP作为挤出流体中,PS-tracer获得的RTD曲线都比较宽,当螺杆混合能力增加,熔融时间得到保证之后,差异逐渐减小。 5、利用三维有限元方法对捏合盘元件进行数值模拟,引入网格叠加技术来解决螺杆旋转带来的运动边界难题,基于速度场求解了粒子从入口到出口的运动轨迹和停留时间,统计得到停留时间分布并与实验结果进行对比,二者相符较好,最小和平均停留时间随着捏合角度增大而增大,RTD变宽。结合动力学理论模拟了粒子运动过程面积伸展率、瞬态混合和时间平均混合效率,考察粒子个数、初始位置和方向对三个参数的影响,比较螺杆捏合角度、捏合块厚度和捏合块之间的间隙对混合性能和混合效率的影响。不同捏合盘面积伸展能力和效率排序为:45°≤60°<90°,捏合盘之间间隙有利于增加分布混合,厚的捏合盘片具有低的分布混合能力,高的分布混合效率。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TQ311

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