陰離子聚合反應(yīng)擠出工藝過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、聚合反應(yīng)擠出技術(shù)是聚合反應(yīng)與擠出成型相集成的高新技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的聚合反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)擠出過(guò)程是流動(dòng)、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)并存且相互影響的復(fù)雜過(guò)程。在反應(yīng)擠出過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)與伴隨化學(xué)反應(yīng)的流體流動(dòng)等過(guò)程基本上是在封閉狀態(tài)下進(jìn)行的，而且體系通常處于高溫、高壓和高剪切的條件下，常伴隨有粘度在瞬間突變的現(xiàn)象。 在現(xiàn)階段，對(duì)于聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與機(jī)理、成型加工中流體流動(dòng)以及螺桿擠出機(jī)內(nèi)熔體輸送與混合、固體熔融與輸送的理論研究或數(shù)值模擬比較多，而

2、對(duì)于螺桿擠出機(jī)內(nèi)耦合化學(xué)反應(yīng)的聚合物流體流動(dòng)的數(shù)值模擬相對(duì)較少。因此，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)數(shù)值模擬聚合反應(yīng)擠出過(guò)程中伴隨化學(xué)反應(yīng)的聚合物流體流動(dòng)過(guò)程，可以定量揭示在復(fù)雜外場(chǎng)條件下聚合反應(yīng)對(duì)于高分子材料結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)材料組成、反應(yīng)加工工藝參數(shù)以及擠出型反應(yīng)器。 本文綜合應(yīng)用高分子化學(xué)與物理、高分子反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論、計(jì)算流體力學(xué)、機(jī)械科學(xué)和軟件工程等學(xué)科知識(shí)，研究陰離子均聚體系、共聚體系的反應(yīng)擠出過(guò)程，采用有限體積

3、方法和解耦合的半隱式迭代算法，數(shù)值求解動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程、單體轉(zhuǎn)化率的數(shù)值計(jì)算式、流體平均分子量的數(shù)值計(jì)算式、流體粘度的數(shù)值計(jì)算式，在給定的初始條件和邊界條件下定量獲得聚合體系在擠出過(guò)程中的流動(dòng)速度、剪切速率、壓力、反應(yīng)熱強(qiáng)度、反應(yīng)熱的釋放量、聚合速率、單體濃度、單體轉(zhuǎn)化率、平均分子量、材料粘度等物理量的動(dòng)態(tài)演變情況。 具體而言，本文開(kāi)展了下述工作： 緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難按照真實(shí)的螺桿結(jié)構(gòu)數(shù)值

4、模擬其內(nèi)部的復(fù)雜流場(chǎng)。本文根據(jù)緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿的幾何學(xué)，建立了軸對(duì)稱的螺桿反應(yīng)器的等效數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，1,2T聚合體系在緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的流變行為的物理模型和本構(gòu)方程，構(gòu)建了流動(dòng)速度、壓力、剪切速率等物理量的數(shù)值計(jì)算式。 復(fù)雜外場(chǎng)情況下聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與機(jī)理不同于通常條件下的規(guī)律。本文構(gòu)建了復(fù)雜外場(chǎng)情況下陰離子聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，明確了復(fù)雜外場(chǎng)條件對(duì)于反應(yīng)速率的影響規(guī)律，并推導(dǎo)了聚合速率、單體濃度、單體

5、轉(zhuǎn)化率等物理量的數(shù)值計(jì)算式；根據(jù)高分子反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論，建立了陰離子聚合反應(yīng)過(guò)程中高分子的平均分子量與單體濃度、引發(fā)劑濃度的關(guān)系式，構(gòu)建了數(shù)均分子量、重均分子量等物理量的數(shù)值計(jì)算式。 伴隨化學(xué)反應(yīng)的高分子材料的流變性質(zhì)有其自身的規(guī)律和特點(diǎn)。本文根據(jù)高分子物理學(xué)，建立了在復(fù)雜外場(chǎng)情況下伴隨聚合反應(yīng)的材料體系的流變性能與工藝條件、材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系式，構(gòu)建了零剪切粘度、表觀粘度等物理量的數(shù)值計(jì)算式。 在反應(yīng)加工過(guò)程中物料能量的傳遞和

6、平衡與一般單個(gè)化工單元明顯不同。本文分析了聚合反應(yīng)擠出過(guò)程的化學(xué)熱效應(yīng)現(xiàn)象，推導(dǎo)了反應(yīng)熱的釋放量與反應(yīng)熱強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算式，獲得了反應(yīng)熱的釋放量與反應(yīng)熱強(qiáng)度和單體濃度、引發(fā)劑濃度以及體系溫度的函數(shù)關(guān)系。分析了反應(yīng)擠出過(guò)程的粘性耗散熱現(xiàn)象，推導(dǎo)了粘性耗散熱的計(jì)算公式。 在建立緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的反應(yīng)器模型以及物料的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、化學(xué)流變模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FORTRAN語(yǔ)言，采用有限體積方法和解耦合的半隱式迭代算法，自

7、主開(kāi)發(fā)了陰離子聚合反應(yīng)擠出過(guò)程數(shù)值模擬軟件的核心程序，進(jìn)而分別數(shù)值模擬了苯乙烯與尼龍6的陰離子聚合反應(yīng)擠出過(guò)程，獲得了關(guān)鍵物理量的變化規(guī)律，討論了材料與工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)擠出過(guò)程的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了所建立的模型與編寫的程序的可靠性，給出了在聚合反應(yīng)加工過(guò)程中調(diào)控高分子材料結(jié)構(gòu)與流變性質(zhì)的規(guī)律。 在對(duì)陰離子均聚反應(yīng)擠出過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了陰離子共聚體系的反應(yīng)擠出過(guò)程研究。根據(jù)共聚反應(yīng)機(jī)