浸渍涂覆过程中液膜流动特性的实验研究和数值模拟

发布时间：2017-06-27 23:23

  本文关键词：浸渍涂覆过程中液膜流动特性的实验研究和数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：浸渍涂覆过程是将干净的基材浸入到准备好的流体中,然后以一定的速度提拉出来,流体在黏性力、重力、表面张力等的作用下沉积于基材表面,经干燥、固化后形成均匀涂覆膜的过程,该涂覆膜在工业、医药、电子数码等领域有广泛的应用。随着先进膜材料的发展,涂覆膜也从传统的保护、装饰膜逐渐向功能化膜材料发展。本文以浸渍涂覆工艺为研究背景,对不同性质的硅油流体和聚丙烯酸(PAA)凝胶的平板浸渍涂覆液膜流动特性进行实验研究和数值模拟,这对实现优化浸渍涂覆参数化控制,提高涂覆成膜质量具有重要的理论和实际意义。采用旋转流变仪和表面张力仪对流体进行必要的流变和表面张力测试,并选择合适的模型拟合流变曲线,得到拟合参数,为后期的实验和数值模拟奠定基础。流体的流变曲线说明:硅油流体A属于牛顿流体,硅油流体B、C和D的流变行为符合Carreau-Yasuda(CY)模型,而不同质量分数的PAA凝胶是屈服应力流体,其流变曲线符合Herschel-Bulkley(HB)模型。流体的表面张力分析表明:与PAA凝胶相比,硅油流体的表面张力较小,容易润湿基板和成膜。在浸渍涂覆过程中,采用浸渍提拉镀膜机对不同工艺条件下硅油流体和PAA凝胶进行浸渍提拉实验研究,采用电容法测量沉积在基板上的液膜厚度,通过拍照记录流体自由表面形态的变化,目的是详细研究基板表面粗糙度、提拉速度、浸渍时间和流体黏度对液膜厚度和形成的自由面形态的影响,结果表明:当浸渍时间大于3 min时,对膜厚和自由面的影响可以忽略;在特定的条件下,由于涂覆在基板上的流体无法得到补偿,硅油流体自由面上出现凹陷,PAA凝胶自由面上形成隆起,且随着基板粗糙度、提拉速度和流体黏度的增大,液膜厚度增加,凹陷深度和隆起曲率逐渐增大。首先利用前处理软件Gambit建立流体沿基板拖曳流动的物理模型并划分网格,然后利用有限元分析软件Polyflow设置合适的物性参数、边界条件和计算方法,精确模拟不同涂覆参数下两种流体的自由面和流场,最后采用后处理软件Fieldview显示计算得到的液膜厚度、自由面和流场。本文中将两种流体液膜厚度和自由面的模拟结果与实验结果进行对比,两者在一定误差范围内一致,说明这种数值模拟方法可以用于优化设计研究。自由面和流动速度场的模拟结果表明:在基板向上运动过程中,基板上一部分流体沿基板拖曳流动,形成液膜,另一部分流体返回液槽中,并在自由面上形成驻点,在流体内部形成漩涡。在浸渍提拉过程中,表面张力、重力、黏性力等发挥着重要作用,为了更加详细地研究液膜流动特性,对旋转流变仪进行优化改进设计,测量整个浸渍提拉过程中的作用力,并进行受力分析,说明不同阶段的作用力对流动特性和膜厚的影响。同时求得流体的表面张力,并与吊片法测量得到的表面张力进行比较,两者最大相差小于7%,证明采用改进的旋转流变仪的浸渍提拉法测量表面张力是可行的。
【关键词】：液膜厚度 自由面 速度场 浸渍涂覆 液膜流动 数值模拟
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB306
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 浸渍涂覆概述11-13
• 1.1.1 浸渍涂覆的应用11-12
• 1.1.2 液膜流动研究方法12-13
• 1.2 数值模拟分析概述13-15
• 1.2.1 计算流体动力学简介13-14
• 1.2.2 数值计算方法14-15
• 1.3 液膜增厚机理的研究进展15
• 1.4 液膜流动特性的研究进展15-16
• 1.5 论文提出的背景及目的意义16-17
• 1.5.1 论文提出的背景16-17
• 1.5.2 论文提出的目的意义17
• 1.6 论文研究的主要内容及创新点17-19
• 1.6.1 论文研究的主要内容17-18
• 1.6.2 论文特色与创新18-19
• 第二章 非牛顿流体的制备及性能研究19-26
• 2.1 引言19
• 2.2 实验部分19-22
• 2.2.1 实验原料与主要实验设备19-20
• 2.2.2 PAA凝胶的制备20-21
• 2.2.3 流变测试21-22
• 2.2.4 表面张力测试22
• 2.3 实验结果及讨论22-24
• 2.3.1 硅油流体的流变性能22-23
• 2.3.2 PAA凝胶的流变性能23-24
• 2.3.3 表面张力24
• 2.4 本章小结24-26
• 第三章 浸渍提拉过程中液膜厚度及自由面的实验研究26-38
• 3.1 引言26
• 3.2 实验部分26-29
• 3.2.1 实验材料及主要实验设备26-27
• 3.2.2 浸渍提拉过程27-29
• 3.3 结果与讨论29-37
• 3.3.1 液膜厚度的影响因素29-35
• 3.3.1.1 基板表面粗糙度29-31
• 3.3.1.2 浸渍时间31-32
• 3.3.1.3 流体流变性能32-33
• 3.3.1.4 提拉速度33-35
• 3.3.2 自由面形态35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 浸渍提拉过程中液膜流动特性的数值模拟38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 数学模型38-41
• 4.2.1 物理模型38-39
• 4.2.2 边界条件39
• 4.2.3 控制方程39-40
• 4.2.4 数值方法40-41
• 4.3 结果与讨论41-50
• 4.3.1 网格重置技术41-42
• 4.3.2 液膜流动特性模拟42-50
• 4.3.2.1 硅油流体的流动特性42-47
• 4.3.2.2 PAA凝胶的流动特性47-50
• 4.4 本章小结50-52
• 第五章 流体浸渍提拉过程力学分析及应用52-61
• 5.1 引言52
• 5.2 旋转流变仪优化改进设计52-53
• 5.3 表面张力测试53
• 5.4 结果与讨论53-59
• 5.4.1 可靠性验证53-55
• 5.4.2 力学分析55-58
• 5.4.3 表面张力应用58-59
• 5.5 本章小结59-61
• 第六章 结论与展望61-63
• 6.1 主要结论61-62
• 6.2 研究展望62-63
• 参考文献63-70
• 硕士期间主要研究成果70-71
• 致谢71

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本文编号：491686