聚合物擠出成型過程計(jì)算機(jī)模擬與流場(chǎng)中大分子鏈形態(tài)流變學(xué)的研究.pdf

1、聚合物擠出成型過程主要包括擠出機(jī)內(nèi)物料輸送、機(jī)頭流道流動(dòng)、口模擠出流動(dòng)以及后續(xù)各種成型工藝等階段，用于生產(chǎn)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(jīng)歷復(fù)雜的熱歷史與流場(chǎng)的作用，材料的流變特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(duì)制品性能的影響、建立材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宏觀性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系是聚合物加工領(lǐng)域的當(dāng)前最重要課題之一。 本文采用先進(jìn)、高效的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，研

2、究了聚合物材料在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)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(dòng)行為。重點(diǎn)分析并總結(jié)了擠出工藝參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過程與制品性能的影響規(guī)律。同時(shí)，為了克服宏觀粘彈本構(gòu)模型無法描述材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的缺點(diǎn)，采用了新的一類模型-構(gòu)象張量模型，對(duì)復(fù)雜加工流場(chǎng)中熔體的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，并計(jì)算了聚合物大分子鏈的取向與拉伸，將模擬研究深入至內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去。主要研究內(nèi)容及結(jié)論簡述如下： (1)利用Ludovic軟件，對(duì)

3、雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)聚合物材料輸送全過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，包括固體輸送、熔融及熔體輸送三個(gè)過程。通過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，評(píng)價(jià)并選擇了適用于聚丙烯、聚苯乙烯的熔融模型。預(yù)測(cè)的壓力分布、溫度分布與停留時(shí)間與實(shí)測(cè)值很好地吻合，證明了模擬方法的有效性。模擬預(yù)測(cè)了擠出機(jī)內(nèi)部許多流場(chǎng)參數(shù)的分布與變化，包括壓力、溫度、停留時(shí)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(zhuǎn)速及料筒溫度對(duì)擠出過程的影響。發(fā)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速與

4、料筒溫度對(duì)擠出機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)影響很大，而喂料速率則影響很小。模擬預(yù)測(cè)雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)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(shù)，如喂料速率、螺桿轉(zhuǎn)速等對(duì)物料的停留時(shí)間分布的影響。發(fā)現(xiàn)：增大螺桿轉(zhuǎn)速，停留時(shí)間減少，但RTD峰峰形基本不變；增大喂料速率，停留時(shí)間減少，RTD峰變尖銳。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，總結(jié)了最小停留時(shí)間、平均停留時(shí)間與螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速率之間的定量關(guān)系式。這些影響規(guī)律的總結(jié)，有助于實(shí)現(xiàn)擠出生產(chǎn)過程的最優(yōu)化。

5、 (2)對(duì)三類拉伸主導(dǎo)的、重要的聚合物制品成型工藝進(jìn)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(duì)稱模型，采用有限元方法對(duì)Doufas提出的適用于高速紡絲過程模擬的兩相微結(jié)構(gòu)流變模型進(jìn)行了求解。計(jì)算結(jié)果克服了Doufas徑向平均化方法的缺點(diǎn)，真實(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了纖維軸向與徑向溫度場(chǎng)的分布。通過對(duì)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，證實(shí)了模型的預(yù)測(cè)能力?；谀M結(jié)果，重點(diǎn)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(shí)，對(duì)異形纖維成型過程中，纖維截面形狀改變的問題進(jìn)行了探討。通過模擬及實(shí)驗(yàn)研究，我們認(rèn)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(jì)算機(jī)模擬方法，采用一類積分型粘彈本構(gòu)模型(KBKZ模型)來描述熔體的流變特性，對(duì)一實(shí)際吹塑制品的注射-拉伸-吹塑過程進(jìn)行了模擬。通過計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，表明模擬能夠較好地預(yù)測(cè)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(shù)對(duì)瓶子厚

7、度分布的影響。我們將計(jì)算機(jī)模擬方法應(yīng)用于我們研制的改性UHMWPE料的吹塑新產(chǎn)品的開發(fā)過程中。通過對(duì)材料的流變性能分析，認(rèn)為這種材料可以用螺桿擠出機(jī)擠出，但需要對(duì)擠出系統(tǒng)進(jìn)行改造，以克服熔體的高粘度及打滑現(xiàn)象；計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)改性UHMWPE料實(shí)現(xiàn)吹塑的最小吹脹壓力為0.8MPa，并作為實(shí)際吹塑加工的操作壓力，生產(chǎn)得到了UHMWPE的吹塑瓶子。此外，對(duì)保壓冷卻過程中溫度的變化也進(jìn)行了模擬分析，用來評(píng)價(jià)模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量。最后，對(duì)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(jìn)行了模擬研究。考慮了薄膜厚度方向上的流動(dòng)，使得流場(chǎng)信息更準(zhǔn)確、全面。計(jì)算機(jī)模擬成功地預(yù)測(cè)了穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)線上縮頸、啞鈴邊這兩種常見的工藝缺陷。重點(diǎn)討論了冷卻作用、拉伸比、流涎距離、自重、粘彈性等因素對(duì)薄膜形狀的影響。發(fā)現(xiàn)：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(duì)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(yán)重。對(duì)于粘彈性材料，薄膜

9、收縮幅度與拉伸比的關(guān)系則依賴于彈性的大小。當(dāng)彈性較小(類似PET)時(shí)，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(dá)到平衡值，繼而反而減少，已在LDPE薄膜流涎生產(chǎn)線上觀察到這種變化趨勢(shì)；當(dāng)材料彈性繼續(xù)增大(類似PP)時(shí)，高拉伸比時(shí)薄膜收縮則呈相反趨勢(shì)，即反而隨著拉伸比的增大繼續(xù)增加，這種預(yù)測(cè)的變化關(guān)系尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。同時(shí)亦發(fā)現(xiàn)：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(jì)算復(fù)雜加工流場(chǎng)中熔體的粘彈流動(dòng)，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(jì)算熔體大分子鏈的結(jié)構(gòu)變化，即取向與拉伸，在此基礎(chǔ)上計(jì)算宏觀粘彈參數(shù)，體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)決定性能”的模擬思想。對(duì)兩類標(biāo)準(zhǔn)問題：收縮流和平面繞流流動(dòng)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，將模擬計(jì)算結(jié)果，包括速度分布、應(yīng)力分布分別與粒子跟蹤速度儀、流動(dòng)雙折射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。比較結(jié)果說明我們建

11、立的模擬方法能夠較好地捕獲復(fù)雜流場(chǎng)中高聚物熔體與溶液的流動(dòng)行為以及熔體內(nèi)部大分子鏈形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，并討論了熔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宏觀流變性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。銜接聚合物大分子鏈形態(tài)介觀模型與流場(chǎng)有限元技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)適用于計(jì)算流場(chǎng)中大分子鏈線團(tuán)形態(tài)變化的數(shù)字計(jì)算平臺(tái)，并命名為DAMPC(DigitalAnalysisofMorphologyofPolymerChainsinFlowFields)，整合了構(gòu)象張量模型的發(fā)展及其在實(shí)際加工過程中的應(yīng)用

12、等研究成果，克服了經(jīng)典力學(xué)模型的缺陷，使得對(duì)聚合物加工過程的計(jì)算機(jī)模型深入到聚合物大分子鏈內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中去。這個(gè)計(jì)算平臺(tái)已應(yīng)用于相分離、反應(yīng)加工與流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶等研究領(lǐng)域。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)歸納如下： 1.擴(kuò)展了Douhs的工作，采用兩相微結(jié)構(gòu)流變模型，首次考慮圓形纖維徑向流動(dòng)，對(duì)纖維高速紡絲過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，解決了徑向流場(chǎng)參數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確的問題。根據(jù)模擬結(jié)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(duì)

13、3D異形纖維的成型過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)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(gòu)象張量代替應(yīng)力張量，組成新的描述復(fù)雜流場(chǎng)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(fù)雜流場(chǎng)中大分子鏈結(jié)構(gòu)的變化，繼而計(jì)算熔體宏觀粘彈性質(zhì)的變化，建立了“結(jié)構(gòu)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(chǎng)有限元技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)適用于計(jì)算流場(chǎng)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(jīng)開展的應(yīng)用研究工作包括在平面收縮流、平面繞流、振動(dòng)流等以及相分離、反應(yīng)加工與流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶理論。在所分析的流場(chǎng)中聚合物熔體的流動(dòng)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，顯示了理論模型與軟件的適用性。 3.基于流場(chǎng)內(nèi)聚合物體系自由能的變化，建立了一個(gè)考慮大分子鏈的取向與拉伸對(duì)于結(jié)晶固化過程影響的動(dòng)力學(xué)理論模型。模