挤出加工流场中聚合物成型机理及其工艺模拟与优化研究

山东大学博士学位论文挤出加工流场中聚合物成型机理及其工艺模拟与优化研究姓名：牟玥申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：赵国群20081204挤出加工流场中聚合物成型机理及其工艺模拟与优化研究作者：牟玥学位授予单位：山东大学相似文献(10条)1.学位论文李利共混聚合物混炼成型机理的研究2008混炼过程和挤出成型过程一直以来都是橡胶等聚合物加工过程中各自独立的重要环节。随着近年来橡塑共混技术的发展，特别是以塑料为基体的橡塑共混物的广泛应用，使得传统技术装备已无法满足工业化生产的要求。本文在国家自然科学基金资助下，重点针对上述问题，提出了一种新型的、具有较强适应性的共混聚合物混炼成型加工一体化设备——混炼成型一体机。该设备兼具有密炼机的优良混炼性能和挤出机的连续挤出成型加工的特点，使混炼和挤出成型两道工序在同一台设备上完成。本文以这种新的加工方法为对象，主要进行以下研究工作：1、经过一系列的方案论证，自主开发设计了新型混炼成型一体机。其转子构型新颖，整机系统驱动方式既可采用液压驱动也可采用特殊的机械驱动，转子及螺杆均可实现无级调速，在保证良好混炼性能的同时，使密炼机的加料与挤出机的出料匹配。它突破了密炼机间歇式生产方式的局限，使混炼与成型在同一台设备上连续进行，开创了高聚物混炼加工的“间歇式生产+连续性生产”的新型的生产模式，实现了用同一台设备高聚物从原料到制品的转换。2、对混炼成型一体机的转子构型、混炼机理及混炼理论进行了详细研究。在结合功能转子的造型及设计要求的基础上，对转子在混炼及排胶两个过程中对胶料的受力及运动方式进行分析，确保转子具有混炼及排胶的双重功能。建立混炼成型一体机混炼理论的数学方程，可作为验证计算机流场模拟结果的依据。3、详细探讨了混炼成型一体机的挤出成型理论，由于从混炼室排出的胶料温度超过100℃，因此在整个挤出过程中胶料为粘性流体，根据现有的粘性流体挤出理论得出本实验机台的挤出生产能力与其他参数间的数学方程。4、根据密炼机和挤出机的生产能力和有关影响因素，建立起挤出机与密炼机协互相调、连续生产的混炼成型连续化数学方程，并指出了影响混炼成型连续化的因素，为相关的实验研究提供了理论支持。5、利用ADINA软件分别对混炼部分和挤出成型部分进行了流场的有限元分析。流场分析的结果验证了胶料的受力分析、物理数学模型和相关数学方程的正确性，并为后续的实验研究指明了方向。6、为了保证混炼成型一体机的混炼性能，设计了三种不同构型的转子，并结合传统的同步二棱和同步四棱共五对转子，进行了500多车次的对比实验研究。对各种转子的最佳工艺条件进行了讨论，找出了影响混炼过程的最佳的混炼工艺参数，为混炼成型一体机的进一步的实验研究，提供工艺参数的选择依据；实验数据分析表明三对新型转子中，功能二棱同步转子的混炼效果最好，其次是销钉式二棱同步转子。同时，转子的对比实验结果也验证了相关理论分析和转子流场分析结果的正确性。7、通过对混炼成型一体机的实验研究，验证并完善了混炼成型连续化的数学模型；混炼成型一体机产品性能测试的结果，说明了本设备加工性能的可靠性，为本设备的推广应用奠定了基础。8、通过二次回归正交方法建立了功能二棱同步转子的工程实用数学模型，并对预测值和实验数据进行了比较，相对误差较小，预测精度较高，能够反映新型混炼成型一体机转子的混炼特性，适合对新型混炼成型一体机的混炼过程进行预测和分析。本文通过理论研究、流场模拟及实验研究表明所研究开发的混炼成型一体机技术是可行的。通过流场模拟和实验验证，表明本文所建立的混炼成型机理及混炼成型连续化理论是正确的，对于开发工业化应用机台具有重要的指导意义。2.期刊论文何亚东开孔型聚合物微发泡材料制备技术-高分子通报2004,(2)微发泡塑料是上世纪80年代以后出现的一种新型材料,其特点是孔径小(一般在10μm以下),分布均匀,泡孔密度非常高(一般大于109个/cm3).目前微发泡塑料制备技术已经比较成熟,也得到了不同类型的商业化制品.聚合物微孔材料是一种功能性材料,相互连通的微观孔洞结构使其具有相当广泛的应用.本文介绍了目前几种微孔材料成型的主要方法,讨论了微发泡成型技术用于制备开孔型微发泡材料的必要性.对几种关于开孔型聚合物微发泡材料制备技术及研究方法进行了探讨,其分别是不相容聚合物共混、泡孔合并模型、熔融挤出发泡、开孔剂法和气体浓度阈(值)等方法.这些方法的微孔成型机理各不相同,所制备的材料微观结构也各有特点.文献分析表明微发泡方法用于开孔型微孔材料的制备是一种非常有前景的技术.3.学位论文曾小梅DMSO法PAN基碳纤维原丝凝固成型机理的研究2004碳纤维的发展，与国民经济和国家安危密切相关，是一种军民通用的重要新材料。要获得高性能的碳纤维，首要的问题是获得高性能的原丝，而具有优异性能的聚丙烯腈(PAN)原丝是其中最好的一种。近年来，我国逐渐意识到二甲基亚砜(DMSO)法PAN原丝的重要地位，已加强生产与技术攻关。国外仅日本的少数公司能生产截面圆形、结构致密的PAN原丝，但却未见如何得到圆形PAN原丝的公开报道，研究论文也是完全空白。目前高性能聚丙烯腈原丝纺制方法还主要是干湿法和湿法两种。湿法纺丝成型理论日趋完善，但干湿法凝固成型机理还没有形成完善的理论体系，有较多问题亟待解决。近年来，PAN纤维研究领域很少涉及湿法凝固成型机理，干湿法尤其是PAN-DMSO-H2O体系的则未见报道，研究方向主要集中于工业生产。然而，我国在PAN原丝生产试验过程中遇到了许多难以解决的问题，这必须也只能重新从纤维凝固成型机理上找答案。可见，研究PAN-DMSO-H2O体系中纤维凝固成型机理，无论从学术角度还是从我国国民经济、国家安全考虑，都具有十分重要意义。本文选定了成分分析法，着重研究了PAN-DMSO-H2O体系湿法、干湿法纺丝的凝固成型机理，在取样方法和成分分析上作了改进，探讨了准确收集初生纤维样品、除去样品表面凝固液的方法，并以一种新方法——紫外分光光度法测定了初生纤维样品中微量溶剂DMSO的含量，考察了初生纤维凝固成型过程中溶剂和非溶剂含量及扩散系数的变化规律，使取样更为合理，测定精度有所提高。研究发现：影响双扩散的因素很多，其中喷丝速度、凝固浴温度、凝固浴中DMSO浓度的增加，会使溶剂和非溶剂的双扩散系数增大；空气层高度和原液中水含量的增加，能使溶剂和非溶剂的双扩散系数减小；并不是所有凝固成型条件下，干湿法的溶剂扩散系数(Ds*)、沉淀剂扩散系数(Dn*)及Ds*/Dn*均要比湿法的小。在高喷丝速度时，干湿法纺丝的D*比湿法的要小，Ds*/Dn*则比湿法的要大。但在低喷丝速度下，结果却相反，这不仅说明喷丝速度对纤维凝固成型的影响比凝固浴温度及浓度都大，而且证明低喷丝速度时，干湿法并不具有明显优势，高喷丝速度更有利于干湿法纺丝，这也是干湿法在实际生产中的重要意义；凝固过程实质上是一个聚合物从原液中分离出来的沉淀过程。这个过程直接决定着纤维的结构，特别是和Dn*有着密切的关系。因此可通过改变纺丝原液中水质量百分比来调节Dn*，以获得理想的原丝；SEM分析表明：随着凝固浴温度升高，原丝的横截面由肾型或者椭圆形向圆形方面发展。但温度越高，纤维内部的孔穴等缺陷体积增大，结构越疏松。因此可得到这样的启示：在生产碳纤维原丝时，应同时考虑截面形态和内部结构，把凝固浴的温度控制在适当范围内，才可能生产出强度较高的碳纤维原丝；从凝固浴温度和浓度对双扩散系数及纤维的截面形态和内部结构的影响来看，扩散系数D*及Ds*/Dn*的大小对纤维的内部结构、截面形态影响很大，Ds*/Dn*越小，凝固越缓慢，越有利于获得圆形截面的初生纤维。根据本文扩散机理结果的指导，我们己成功的制备出截面圆形的PAN初生纤维，但具体成型机理还需进一步深入探讨；本文报道的Ds*与竹田报道的在同一数量级，Dn*与潘鼎报道的也在同一数量级，证明本文的数据及结果可靠，这可为制备高性能碳纤维原丝提供理论基础。采用高分子量聚合物制备的高浓度纺丝液有利于获得高致密性优质原丝，但这会引起纺丝原液粘度的升高，导致一系列的问题产生，如：原液制备和处理困难、可纺性降低等。因此研究纺丝流体的流变性质及其从喷丝孔内的挤出过程具有重要意义。本文在纯DMSO中加入少量的水，研究了水的比例及工艺条件对纺丝原液流变性能的影响。同时，使用毛细管流变仪对PAN-DMSO溶液的挤出胀大进行了研究，发现加强过滤不但可以有效去除纺丝原液中的机械杂质，还有加强溶液剪切、使溶液均匀稳定流出的作用，这对实际生产具有非常重要的意义。关键词：碳纤维，PAN原丝，凝固机理，扩散系数，孔口胀大，流变性4.期刊论文肖兵聚合物气辅共挤成型理论研究进展-科技信息2010,(21)气体辅助共挤成型技术(简称气辅共挤成型)是一种新型的聚合物挤出成型技术,其实质是将气辅挤出技术应用于共挤成型技术,发挥气辅挤出和共挤成型的优点.文章综述了气体辅助挤出成型技术机理和研究现状、聚合物共挤出成型机理和研究现状以及气辅共挤成型机理和研究现状.5.期刊论文冼广铭.任熊烈光测力学在表征聚合物应力场中的应用-塑料2003,32(2)简介了光测力学的应用和基本原理,对光散射技术原理及其应用进行了说明,详细阐述了光测力学在聚合物流场应力表征中的应用,尤其是对光测力学表征挤出机口模的狭缝流场的方法和光测力学在聚合物电磁塑化挤出流场中的应用进行了详细说明,介绍了光测图象处理技术,如图像增强、模式识别等,并且展望光测力学在新型聚合物电磁动态成型机理方面作出贡献.6.学位论文江青松微孔发泡注射成型充模流动及工艺研究2007本文针对一种全新的聚合物注射成型工艺一微孔发泡注射成型技术进行了研究，这种技术有着传统工艺不具备的优点，它能够大幅度减少制品重量、提高尺寸稳定性、减小产品变形等，此外它对注塑机所需的注射压力和锁模力吨位的要求也更小，甚至不需要保压阶段。目前国内外对微孔发泡注射成型机理研究的可见报道还极为少见，因而对该技术的成型机理进行研究显得很有必要。本文主要对以下工作进行了研究：1．以注射矩形薄板制品的聚合物熔体充模流动过程和泡孔长大为研究对象，把微观两相流看成宏观单相流，采用泡孔单元模型并根据流体力学基本方程建立了泡孔长大的数学模型，使用有限元软件MPI对微孔发泡注射成型工艺进行了数值模拟；2．分析了微孔发泡注射成型工艺与传统工艺的差异，主要包括：注射时间、速度场、温度场、熔体压力场；研究了微孔发泡注射成型工艺泡孔内压力、泡孔半径及分布的变化趋势及规律；比较了N,2和CO,2作为发泡剂对熔体流动性和最终泡孔大小及分布的影响。分析了研究结果产生的理论本质；3．采用单因素试验法研究了微孔发泡注射成型工艺制品的最终泡孔尺寸与影响因素之间的关系，得到了主要影响因素对最终泡孔尺寸的影响规律，从机理层面分析了其产生的原因。7.会议论文周国发.柳和生.何成宏.孙懋聚合物流变性能对共注射成型的影响2005在共注射成型多相分层流动充模成型机理的基础上，揭示了芯壳层熔体牯度对共注射成型的分层界面形貌和芯层熔体前沿突破的影响，并模拟了芯壳层熔体粘度比对共注射成型的影响，建立了芯壳层熔体粘度比与分层界面和前沿移动界面形貌的关系。本文的模拟研究结果与一些文献的实验结果相吻合。8.期刊论文冼广铭.任鸿烈.XianGuangming.RenHonglie光测力学在表征聚合物狭缝口模应力场中应用-现代塑料加工应用2003,15(4)简介了光测力学的应用和基本原理,详细阐述了光测力学在聚合物狭缝口模流场应力表征中的应用,尤其对光测力学在聚合物电磁动态塑化挤出的狭缝流场中的应用进行了详细说明,介绍了光测图像的处理技术,并且展望光测力学在新型聚合物电磁动态成型机理方面作出贡献.9.学位论文王玥聚丙烯腈基碳纤维原丝在干湿法纺丝中的凝固成型机理的研究2007聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀的优良性能，广泛应用于化工、机械、航空等方面。我国的聚丙烯腈基碳纤维质量与国外相比差距巨大，原丝品质是其瓶颈。由于原丝、碳纤维等核心技术形成