喷动床技术制备热塑性聚氨酯发泡珠粒过程研究
发布时间：2021-12-11 08:15
珠粒发泡是一种同时拥有挤出发泡和注塑发泡优点的发泡工艺,可以制备具有高发泡倍率和复杂外形的产品。喷动床珠粒发泡工艺在保留这些优点的同时,避免了传统珠粒发泡工艺中废水的产生,具有广阔的应用前景。本文采用经验公式确定喷动床所需气速,并以此为初值,通过数值模拟对超临界CO2喷动床的气固特性进行了研究,考察了 CO2流速与静止床层高度对喷动床的影响。研究结果表明,喷动床内部根据气流与颗粒速度、浓度不同,可分为喷射区、喷泉区和环隙区三部分。增大气速会提高喷射区的颗粒速度,增大喷泉区范围,环隙区的颗粒浓度则出现下降。提高静止床层高度会使床层膨胀高度上升,但当静止床层高度过高,阻力过大,床层膨胀高度不会进一步上升。根据模拟结果,设计并搭建了喷动床珠粒发泡实验装置,通过喷动床珠粒发泡实验,制备了一系列热塑性聚氨酯（TPU）发泡珠粒,考察了 CO2流速、饱和温度、饱和压力和泄压速率对珠粒发泡的影响。结果表明,CO2流速越大,珠粒发泡倍率越均匀,当C02流速足够形成稳定喷动床后,珠粒发泡倍率均匀度保持不变。在CO2流速0.012 m/s,饱和温度150℃,饱和压力10 MPa,泄压速率20 MPa/s的情...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１热塑性聚氨酯结构示意图??
成核分为均相成核、异相成核以及混合成核三种方式。??（１）均相成核发生在没有异物或缺陷的聚合物／气体均相体系中，往往由温度或压??力变化诱导所产生。泡核稳定性取决于泡核内外压差与界面张力，考虑上述因素，可以??得出泡核的吉布斯自由能［２７］：??ＡＣ（／？）?＝?－ｊｎＲ３ＡＰ?＋?ＡｎＲ２ｙａｐ?（２－１）??式中Ｒ为泡核半径，ＡＰ为泡核内外压差，ｙａｐ为界面张力。当Ｒ大于临界半径ｒ＊??时，泡核会自发生长为稳定的泡孔，而当泡核半径小于临界半径时，泡核会塌陷消失［２８］。??如图２．１所示??？???????白?ｖ＾！＂?＼?＿??蛊?／?！?自由能皇??化，＾?＼??ｉ—??临界半径??图２．１均相成核的自由能变化??Ｆｉｇ．２．１?Ｆｒｅｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｆ?ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ?ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ??对式２－１进行求导，可以得出临界半径ｒ＊：??ｒ＊?（２－２）??联合式２－１，可以得出泡孔成核所需克服的能垒：??＾Ｈ〇ｍ?＝?（２－３）??均相成核速率则可由式２－４进行描述：??ＮＨ〇ｍ?＝?ｆ〇Ｃ〇ｅｘｐｆ＾）?（２－４）??式中Ｎｈ［）ｍ为均相成核速率，ｆ。为频率因子，代表气体分子参与的程度，与泡核表面??积有关，Ｃｏ为气体浓度；ＫＢ是波尔兹曼常数；Ｔ是成核时温度。??（２）异相成核通常由聚合物内杂质、添加剂或缺陷所引发，其吉布斯自由能表达??
ｃｏ２气体（几兆帕至十几兆帕），Ｃ０２渗透??进入聚合物中达到饱和，形成聚合物／（：０２均相体系，这时在聚合物分子的自由空间中，??聚集了较多的Ｃ０２分子；（２）然后通过降低压力或升髙温度减小Ｃ０２在体系中的溶解度，??使气体具有极高的过饱和度，此时气体体积剧烈膨胀，同时在聚合物内部形成大量微小??泡孔，这些微小泡孔不断生长，直到气体体积膨胀所带来的推动力小于泡孔壁的阻力；??（３）最后将泡孔生长完成或是己达到要求的聚合物样品放入冷水中冷却定型，得到聚??合物泡沫［３（）］。其过程如图２．２所示：??＿ｎ?ｎ?ｎ?ｎ?ｎ??——ｉ?ｉ—＾?，—??Ｊ?Ｍｌ??＼?＼?高温油浴?冷水定型??图２．２间歇发泡过程示意图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂａｔｃｈ?ｆｏａｍｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??用于间歇发泡的塑料样品通常是呈圆盘形，矩形或正方形形状的致密材料，厚度一??般在０．５?ｍｍ和３?ｍｍ之间，因为样品厚度决定饱和时间，进而影响生产周期。间歇发??泡操作简单，适合研究聚合物发泡机理，但存在生产周期长，难以大批量生产等缺点，??因此没有大规模工业化应用，主要在实验室研究过程中应用。??２．３．２挤出发泡??挤出发泡是一种连续化生产的发泡工艺，可以实现自动化，生产效率高，因此得到??了广泛应用。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]HDPE/LDPE共混物超临界CO2挤出发泡成核剂的优选[J]. 高峰,万辰,刘涛,赵玲,赵航,蔡涛涛. 高分子材料科学与工程. 2016(12)
[2]聚丙烯发泡珠粒的结晶熔融行为与发泡特性[J]. 熊业志,刘月香,胡圣飞,陈哲,刘清亭,张荣. 高分子材料科学与工程. 2016(09)
[3]聚丙烯/木粉釜压珠粒发泡研究[J]. 熊业志,王学林,张荣,刘清亭,陈华,胡圣飞. 塑料工业. 2016(05)
[4]PR气体状态方程的显式化[J]. 苑伟民. 油气储运. 2017(05)
[5]EPE和EVA发泡缓冲材料吸能特性表征[J]. 叶晨炫,王志伟. 包装工程. 2012(01)
[6]矩形喷动床混合特性的三维数值研究[J]. 朱润孺,朱卫兵,邢力超,孙巧群. 中国电机工程学报. 2010(17)
[7]泡沫塑料发泡剂的现状及展望[J]. 陈浩,赵景左,刘娟,管蓉. 塑料科技. 2009(02)
[8]直流燃烧器一次风通道气固两相流数值模拟[J]. 黄荣国,张红泉. 水动力学研究与进展A辑. 2008(05)
[9]基于颗粒尺度DEM直接数值模拟的喷动流化床颗粒运动特性[J]. 张勇,金保升,钟文琪. 东南大学学报(自然科学版). 2008(01)
[10]加压喷动流化床最小喷动速度的试验研究[J]. 李乾军,章名耀,施爱阳. 热能动力工程. 2008(01)
博士论文
[1]使用高压釜制备聚丙烯发泡珠粒（EPP）的理论及技术[D]. 郭艳婷.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]粉粒喷动床半干法烟气脱硫反应的数值模拟及气固两相流动PIV实验[D]. 牛方婷.西北大学 2017
[2]热塑性聚氨酯与二氧化碳的相互作用关系及其超临界CO2模压发泡研究[D]. 李德鹏.华东理工大学 2017
[3]模压发泡板材成型方法及其理论研究[D]. 吴申康.北京化工大学 2016
[4]加温/加压喷动床气固流动特性研究[D]. 姜小峰.东南大学 2015
[5]热塑性聚氨酯发泡材料的制备及其性能研究[D]. 骆君.华南理工大学 2015
[6]热塑性聚氨酯改性和性能研究[D]. 沈涛.复旦大学 2012
[7]悬浮聚合制备可发性聚苯乙烯的改进研究[D]. 张庆雷.北京化工大学 2010
本文编号：3534325
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１热塑性聚氨酯结构示意图??
成核分为均相成核、异相成核以及混合成核三种方式。??（１）均相成核发生在没有异物或缺陷的聚合物／气体均相体系中，往往由温度或压??力变化诱导所产生。泡核稳定性取决于泡核内外压差与界面张力，考虑上述因素，可以??得出泡核的吉布斯自由能［２７］：??ＡＣ（／？）?＝?－ｊｎＲ３ＡＰ?＋?ＡｎＲ２ｙａｐ?（２－１）??式中Ｒ为泡核半径，ＡＰ为泡核内外压差，ｙａｐ为界面张力。当Ｒ大于临界半径ｒ＊??时，泡核会自发生长为稳定的泡孔，而当泡核半径小于临界半径时，泡核会塌陷消失［２８］。??如图２．１所示??？???????白?ｖ＾！＂?＼?＿??蛊?／?！?自由能皇??化，＾?＼??ｉ—??临界半径??图２．１均相成核的自由能变化??Ｆｉｇ．２．１?Ｆｒｅｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｆ?ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ?ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ??对式２－１进行求导，可以得出临界半径ｒ＊：??ｒ＊?（２－２）??联合式２－１，可以得出泡孔成核所需克服的能垒：??＾Ｈ〇ｍ?＝?（２－３）??均相成核速率则可由式２－４进行描述：??ＮＨ〇ｍ?＝?ｆ〇Ｃ〇ｅｘｐｆ＾）?（２－４）??式中Ｎｈ［）ｍ为均相成核速率，ｆ。为频率因子，代表气体分子参与的程度，与泡核表面??积有关，Ｃｏ为气体浓度；ＫＢ是波尔兹曼常数；Ｔ是成核时温度。??（２）异相成核通常由聚合物内杂质、添加剂或缺陷所引发，其吉布斯自由能表达??
ｃｏ２气体（几兆帕至十几兆帕），Ｃ０２渗透??进入聚合物中达到饱和，形成聚合物／（：０２均相体系，这时在聚合物分子的自由空间中，??聚集了较多的Ｃ０２分子；（２）然后通过降低压力或升髙温度减小Ｃ０２在体系中的溶解度，??使气体具有极高的过饱和度，此时气体体积剧烈膨胀，同时在聚合物内部形成大量微小??泡孔，这些微小泡孔不断生长，直到气体体积膨胀所带来的推动力小于泡孔壁的阻力；??（３）最后将泡孔生长完成或是己达到要求的聚合物样品放入冷水中冷却定型，得到聚??合物泡沫［３（）］。其过程如图２．２所示：??＿ｎ?ｎ?ｎ?ｎ?ｎ??——ｉ?ｉ—＾?，—??Ｊ?Ｍｌ??＼?＼?高温油浴?冷水定型??图２．２间歇发泡过程示意图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂａｔｃｈ?ｆｏａｍｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??用于间歇发泡的塑料样品通常是呈圆盘形，矩形或正方形形状的致密材料，厚度一??般在０．５?ｍｍ和３?ｍｍ之间，因为样品厚度决定饱和时间，进而影响生产周期。间歇发??泡操作简单，适合研究聚合物发泡机理，但存在生产周期长，难以大批量生产等缺点，??因此没有大规模工业化应用，主要在实验室研究过程中应用。??２．３．２挤出发泡??挤出发泡是一种连续化生产的发泡工艺，可以实现自动化，生产效率高，因此得到??了广泛应用。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]HDPE/LDPE共混物超临界CO2挤出发泡成核剂的优选[J]. 高峰,万辰,刘涛,赵玲,赵航,蔡涛涛. 高分子材料科学与工程. 2016(12)
[2]聚丙烯发泡珠粒的结晶熔融行为与发泡特性[J]. 熊业志,刘月香,胡圣飞,陈哲,刘清亭,张荣. 高分子材料科学与工程. 2016(09)
[3]聚丙烯/木粉釜压珠粒发泡研究[J]. 熊业志,王学林,张荣,刘清亭,陈华,胡圣飞. 塑料工业. 2016(05)
[4]PR气体状态方程的显式化[J]. 苑伟民. 油气储运. 2017(05)
[5]EPE和EVA发泡缓冲材料吸能特性表征[J]. 叶晨炫,王志伟. 包装工程. 2012(01)
[6]矩形喷动床混合特性的三维数值研究[J]. 朱润孺,朱卫兵,邢力超,孙巧群. 中国电机工程学报. 2010(17)
[7]泡沫塑料发泡剂的现状及展望[J]. 陈浩,赵景左,刘娟,管蓉. 塑料科技. 2009(02)
[8]直流燃烧器一次风通道气固两相流数值模拟[J]. 黄荣国,张红泉. 水动力学研究与进展A辑. 2008(05)
[9]基于颗粒尺度DEM直接数值模拟的喷动流化床颗粒运动特性[J]. 张勇,金保升,钟文琪. 东南大学学报(自然科学版). 2008(01)
[10]加压喷动流化床最小喷动速度的试验研究[J]. 李乾军,章名耀,施爱阳. 热能动力工程. 2008(01)
博士论文
[1]使用高压釜制备聚丙烯发泡珠粒（EPP）的理论及技术[D]. 郭艳婷.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]粉粒喷动床半干法烟气脱硫反应的数值模拟及气固两相流动PIV实验[D]. 牛方婷.西北大学 2017
[2]热塑性聚氨酯与二氧化碳的相互作用关系及其超临界CO2模压发泡研究[D]. 李德鹏.华东理工大学 2017
[3]模压发泡板材成型方法及其理论研究[D]. 吴申康.北京化工大学 2016
[4]加温/加压喷动床气固流动特性研究[D]. 姜小峰.东南大学 2015
[5]热塑性聚氨酯发泡材料的制备及其性能研究[D]. 骆君.华南理工大学 2015
[6]热塑性聚氨酯改性和性能研究[D]. 沈涛.复旦大学 2012
[7]悬浮聚合制备可发性聚苯乙烯的改进研究[D]. 张庆雷.北京化工大学 2010
本文编号：3534325
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