陰離子聚合反應(yīng)擠出工藝過程的數(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)過程，反應(yīng)擠出過程是流動、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)并存且相互影響的復(fù)雜過程。在反應(yīng)擠出過程中，化學(xué)反應(yīng)與伴隨化學(xué)反應(yīng)的流體流動等過程基本上是在封閉狀態(tài)下進行的，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，對于聚合反應(yīng)動力學(xué)與機理、成型加工中流體流動以及螺桿擠出機內(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、對于螺桿擠出機內(nèi)耦合化學(xué)反應(yīng)的聚合物流體流動的數(shù)值模擬相對較少。因此，借助計算機技術(shù)數(shù)值模擬聚合反應(yīng)擠出過程中伴隨化學(xué)反應(yīng)的聚合物流體流動過程，可以定量揭示在復(fù)雜外場條件下聚合反應(yīng)對于高分子材料結(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)計理論、計算流體力學(xué)、機械科學(xué)和軟件工程等學(xué)科知識，研究陰離子均聚體系、共聚體系的反應(yīng)擠出過程，采用有限體積

3、方法和解耦合的半隱式迭代算法，數(shù)值求解動量守恒方程、連續(xù)性方程、單體轉(zhuǎn)化率的數(shù)值計算式、流體平均分子量的數(shù)值計算式、流體粘度的數(shù)值計算式，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程中的流動速度、剪切速率、壓力、反應(yīng)熱強度、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態(tài)演變情況。 具體而言，本文開展了下述工作： 緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難按照真實的螺桿結(jié)構(gòu)數(shù)值

4、模擬其內(nèi)部的復(fù)雜流場。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)雙螺桿擠出機內(nèi)的流變行為的物理模型和本構(gòu)方程，構(gòu)建了流動速度、壓力、剪切速率等物理量的數(shù)值計算式。 復(fù)雜外場情況下聚合反應(yīng)動力學(xué)與機理不同于通常條件下的規(guī)律。本文構(gòu)建了復(fù)雜外場情況下陰離子聚合反應(yīng)的動力學(xué)模型，明確了復(fù)雜外場條件對于反應(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)值計算式；根據(jù)高分子反應(yīng)統(tǒng)計理論，建立了陰離子聚合反應(yīng)過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。本文根據(jù)高分子物理學(xué)，建立了在復(fù)雜外場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)值計算式。 在反應(yīng)加工過程中物料能量的傳遞和

6、平衡與一般單個化工單元明顯不同。本文分析了聚合反應(yīng)擠出過程的化學(xué)熱效應(yīng)現(xiàn)象，推導(dǎo)了反應(yīng)熱的釋放量與反應(yīng)熱強度的數(shù)值計算式，獲得了反應(yīng)熱的釋放量與反應(yīng)熱強度和單體濃度、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)擠出過程的粘性耗散熱現(xiàn)象，推導(dǎo)了粘性耗散熱的計算公式。 在建立緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機的反應(yīng)器模型以及物料的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型、化學(xué)流變模型的基礎(chǔ)上，運用FORTRAN語言，采用有限體積方法和解耦合的半隱式迭代算法，自

7、主開發(fā)了陰離子聚合反應(yīng)擠出過程數(shù)值模擬軟件的核心程序，進而分別數(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)對反應(yīng)擠出過程的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較，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。 在對陰離子均聚反應(yīng)擠出過程進行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進一步開展了陰離子共聚體系的反應(yīng)擠出過程研究。根據(jù)共聚反應(yīng)機