聚合物体积拉伸流变塑化输运模型化技术研究

发布时间：2020-05-14 22:49

【摘要】：传统的聚合物加工主要依靠基于剪切流场的螺杆设备实现,而螺杆式塑化输运方法普遍存在能耗高、物料适应性差等缺点。相关研究表明,材料在拉伸流场中能够更高效地塑化混合。华南理工大学的瞿金平教授创新设计了基于拉伸流场的偏心转子挤出机,设备能够实现聚合物材料的高效塑化与熔融共混。本课题将拉伸流场理论作为指导,对工业应用的偏心转子挤出机进行模型化设计,研发聚合物塑化输运模型化实验设备。设备的成功研制有利于探究不同材料在拉伸流场中的塑化输运过程,推进偏心转子挤出设备的系列化生产进程。本文论述了偏心转子设备基于拉伸流场加工方法与传统螺杆设备基于剪切流场加工方法的不同;简述了目前应用相对较多的聚合物拉伸流场加工设备;介绍了自行研制的塑化输运模型化实验设备的结构及工作原理;建立了偏心转子轴外形的参数方程;分析了转子受力与结构参数、相邻塑化单元压差的数学联系;利用该设备对低密度聚乙烯(LDPE)进行塑化实验,观察并研究了材料塑化输运的形变过程与混合效果。此外,为了探究多相共混物在塑化输运模型化实验设备中的混合分散效果,本文测试了低密度聚乙烯/聚苯乙烯(LDPE/PS)不相容共混体系经历不同等效塑化单元后的材料性能。实验中利用扫描电镜(SEM)对材料的微观形态变迁过程进行观察;利用差式扫描量热法(DSC)测试材料的结晶性能变化;利用动态旋转流测试(DRM)对材料进行动态力学性能表征,结果表明:(1)经历较短的热历程与少数的体积压缩-释放作用后,LDPE/PS共混物能够实现初步的混合分散。(2)经过15个等效塑化单元后,PS分散相粒径达到临界分散尺寸。在分散过程中,分散相PS先沿挤出方向取向,形成大长径比的纤维形态。随后纤维被逐渐拉长、断裂,最终形成分散的小颗粒。(3)PS达到临界分散尺寸时,材料的弹性模量、损耗模量及复数粘度与直接挤出的样品相比均有所增大。材料达到临界分散尺寸后,等效塑化单元数量的增加无法进一步细化PS,反而使两相界面结合效果劣化。最后,本文结合实验结果分析及以往研究,提出了拉伸流场中不相容共混物因为体积压缩-释放效应而产生的“固体压轧、熔体分散”聚合物塑化输运、熔融混合模型。本文的研究成果对于拉伸流场在聚合加工行业的应用以及偏心转子挤出设备的改善设计与应用推广提供了重要的理论实验依据和设备基础。
【图文】：

示意图,挤出装置,示意图

随后进行冷却，制成相应形状的产品，过程如图 1-1 所示。与挤出类似，注塑成型技术也是以螺杆为主要塑化部件。注塑机是一种模塑设备温度条件下，螺杆搅拌聚合物材料，使其均匀塑化。在螺杆旋转的推力作物料在高压下被注入模具，经过冷却固化后，得到特定形状的高分子制品术主要用于制造各种中空制品。其工作原理是利用高压气体将置于模具中化的材料吹起，使其粘附在模具内壁上，经过冷却后得到相应的成品。吹成本低、适应性强、成型性好等特点[19,20]。以上所述的三种应用最为广泛料加工方法的共同点是材料都必须经过一个塑化过程。在传统设备中，此是通过螺杆完成。作为主要的塑化部件，聚合物加工设备中的螺杆结构不进，新型螺杆相继出现。螺杆的优化和改进在一定程度上满足了市场的需加工设备的设计原理都是基于剪切作用，因此设备能耗高，材料的热历程，所得产品的质量有所不足。

速率分布,拉伸流动,剪切流动,速率分布

即熔体速度梯度与流动方向相同，此时称为拉伸流动，如图1-2（a）；（2）速度分布沿熔体的流动方向的垂直方向发生变化，即速度梯度与流动方向垂直，称为剪切流动，如图 1-2（b）。两种流场在本质上有不同，对共混物的混合效果有着较大的影响。（a）拉伸流场（b）剪切流场图 1-2 拉伸流动和剪切流动的速率分布1.2.1 基于剪切流场的塑化方式通常高分子材料加工过程中的流场不会局限于单种。以螺杆为核心部件的传统加工装备产生的流场是以剪切流场为主导，拉伸流场所占比例较少。究其原因，在螺杆设备的工作过程中，塑化输运主要依靠物料与机筒内壁、螺杆表面产生的摩擦，此时容易产生剪切流场。因此，基于剪切流场的加工方法不免存在一些不足：（1）在塑化过程除了螺杆啮合区能够产生局部的拉伸流场，大部分区域物料的输运仍依靠摩擦产生的剪切流场，摩擦而产生的热量不可控；（2）依靠剪切流场的加工方法，多相材料共混分散效果差；（3）在加工特殊材料，如热敏性、力敏性材料时，，剪切流场容易破坏分子结构，导致材料降解；（4）塑化效率较低，需要较长的热历程，因而能耗高，生产成本居高不下[26]。随着聚合物加工行业的进步
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ315

【参考文献】