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阴离子聚合反应挤出工艺过程的数值模拟

吴莉莉  
【摘要】: 聚合反应挤出技术是聚合反应与挤出成型相集成的高新技术。不同于传统的聚合反应过程,反应挤出过程是流动、热传递和化学反应并存且相互影响的复杂过程。在反应挤出过程中,化学反应与伴随化学反应的流体流动等过程基本上是在封闭状态下进行的,而且体系通常处于高温、高压和高剪切的条件下,常伴随有粘度在瞬间突变的现象。 在现阶段,对于聚合反应动力学与机理、成型加工中流体流动以及螺杆挤出机内熔体输送与混合、固体熔融与输送的理论研究或数值模拟比较多,而对于螺杆挤出机内耦合化学反应的聚合物流体流动的数值模拟相对较少。因此,借助计算机技术数值模拟聚合反应挤出过程中伴随化学反应的聚合物流体流动过程,可以定量揭示在复杂外场条件下聚合反应对于高分子材料结构和物理化学性能的影响规律,从而优化设计材料组成、反应加工工艺参数以及挤出型反应器。 本文综合应用高分子化学与物理、高分子反应统计理论、计算流体力学、机械科学和软件工程等学科知识,研究阴离子均聚体系、共聚体系的反应挤出过程,采用有限体积方法和解耦合的半隐式迭代算法,数值求解动量守恒方程、连续性方程、单体转化率的数值计算式、流体平均分子量的数值计算式、流体粘度的数值计算式,在给定的初始条件和边界条件下定量获得聚合体系在挤出过程中的流动速度、剪切速率、压力、反应热强度、反应热的释放量、聚合速率、单体浓度、单体转化率、平均分子量、材料粘度等物理量的动态演变情况。 具体而言,本文开展了下述工作: 紧密啮合同向旋转双螺杆挤出机结构复杂,很难按照真实的螺杆结构数值模拟其内部的复杂流场。本文根据紧密啮合同向旋转双螺杆的几何学,建立了轴对称的螺杆反应器的等效数学模型。在此基础上,建立了聚合体系在紧密啮合同向旋转双螺杆挤出机内的流变行为的物理模型和本构方程,构建了流动速度、压力、剪切速率等物理量的数值计算式。 复杂外场情况下聚合反应动力学与机理不同于通常条件下的规律。本文构建了复杂外场情况下阴离子聚合反应的动力学模型,明确了复杂外场条件对于反应速率的影响规律,并推导了聚合速率、单体浓度、单体转化率等物理量的数值计算式;根据高分子反应统计理论,建立了阴离子聚合反应过程中高分子的平均分子量与单体浓度、引发剂浓度的关系式,构建了数均分子量、重均分子量等物理量的数值计算式。 伴随化学反应的高分子材料的流变性质有其自身的规律和特点。本文根据高分子物理学,建立了在复杂外场情况下伴随聚合反应的材料体系的流变性能与工艺条件、材料结构的关系式,构建了零剪切粘度、表观粘度等物理量的数值计算式。 在反应加工过程中物料能量的传递和平衡与一般单个化工单元明显不同。本文分析了聚合反应挤出过程的化学热效应现象,推导了反应热的释放量与反应热强度的数值计算式,获得了反应热的释放量与反应热强度和单体浓度、引发剂浓度以及体系温度的函数关系。分析了反应挤出过程的粘性耗散热现象,推导了粘性耗散热的计算公式。 在建立紧密啮合同向旋转双螺杆挤出机的反应器模型以及物料的化学反应动力学模型、化学流变模型的基础上,运用FORTRAN语言,采用有限体积方法和解耦合的半隐式迭代算法,自主开发了阴离子聚合反应挤出过程数值模拟软件的核心程序,进而分别数值模拟了苯乙烯与尼龙6的阴离子聚合反应挤出过程,获得了关键物理量的变化规律,讨论了材料与工艺参数对反应挤出过程的影响,并将数值模拟结果与实验结果进行了比较,证明了所建立的模型与编写的程序的可靠性,给出了在聚合反应加工过程中调控高分子材料结构与流变性质的规律。 在对阴离子均聚反应挤出过程进行数值模拟的基础上,进一步开展了阴离子共聚体系的反应挤出过程研究。根据共聚反应机理与反应挤出的特点,建立了丁二烯/苯乙烯混合单体的转化率、反应物的平均分子量与粘度的数学模型。在此基础上,数值模拟了整个丁苯共聚反应挤出过程,获得了关键物理量的变化规律,并讨论了材料与工艺参数对反应挤出过程的影响,最后比较了数值模拟结果与实验结果,进一步验证了程序的可靠性与适用性。


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