基于CAE的力化学反应器结构优化设计及聚合物共混相容性模拟

发布时间：2017-12-24 04:10

本文关键词：基于CAE的力化学反应器结构优化设计及聚合物共混相容性模拟　出处：《太原理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着现代科学技术的不断发展,人们对高分子材料性能的要求也不断提高,具有单一性能的塑料产品已经不能满足人们日常生产生活的需要,于是高分子合金材料得到了发展,即聚合物通过共混或接枝改性来制备综合性能优良的聚合物产品。由于大部分聚合物与其它聚合物和无机材料进行共混改性时相容性不太好,所以限制了高分子合金材料的制备。本文以聚乙烯(PE)为例,为了提高聚乙烯与其它聚合物和无机材料的相容性,拓宽聚乙烯的适用范围,通常在聚乙烯链上接枝极性基团MAH,以此来弥补聚乙烯与其它材料相容性不佳的缺点。当前聚合物接枝马来酸酐主要方法是加入氧化剂(例如DCP),使用溶液法或者机械熔融的方法在非极性的聚乙烯链上接枝极性基团,从而改善它与其它聚合物的相容性。而力化学反应接枝法由于其具有接枝率高,不需要引发剂,不会引入杂质等众多优势受到广泛的青睐。为了获得对物料优越的剪切和混炼作用,本文对单螺杆强剪切力化学反应装置的螺杆和机筒结构进行了优化设计。运用Polyflow计算机模拟软件,通过统计分析的方法,分别以力化学反应器机筒槽深、机筒与螺棱间隙、螺棱高度和宽度以及螺杆头数为变量,根据Polyflow仿真结果,以平均停留时间、累积停留时间、最大剪切速率、最大剪切应力和最大混合指数为评估标准来选取力化学反应器强剪切段螺杆与料筒的最优结构为:机筒槽深为1mm,机筒与螺棱间隙为0.5mm,螺棱高度和宽度均为3mm,螺杆头数为10头。根据优化设计的螺杆与机筒结构,并将其安装于单螺杆强剪切力化学反应装置实验样机上。为了验证该设备对共混熔融物料的共混效果,我们将该样机首先用于无机材料填充改性聚合物的实验,制备无机复合材料。我们将聚合物HDPE与滑石粉和nano-Ca CO3无机材料熔融共混来制备高分子复合材料,并与使用双螺杆挤出机制备的高分子复合材料的力学性能进行比较,发现,在实际生产中,本课题组优化设计的螺杆与机筒结构对物料的共混效果达到甚至超越了双螺杆挤出机。为了研究聚合物与其它聚合物的混合,本文首先通过计算机模拟的方法,对聚合物共混时有可能出现的相容性问题进行预测,并为后续的实验结果分析提供理论分析的基础。本文使用Materials Studio(MS)7.0软件对纯PS、纯PE和PS/PE共混物不同共混比进行MD和DPD模拟,分别研究它们MD模拟中的Flory-Huggins参数、玻璃化温度、径向分布函数和均方末端距以及DPD模拟中的等密度图和聚合物的末端距,可以获得下述结论:当PS/PE共混比为70/30、50/50,30/70和10/90时,相容效果不好;当PS/PE共混比为90/10时,与其它比例的共混物相比,相容性提高。为了判定聚乙烯链接枝马来酸酐后是否提高其与其它聚合物的相容性,我们同样使用计算机模拟的方法对后续的聚合物共混改性实验进行了预测。首先假设聚乙烯经力化学反应法得到接枝物PE-g-MAH,然后同样使用Materials Studio(MS)7.0软件对PS、PE-g-MAH、PS/PE-g-MAH、PS/PE/PEg-MAH共混物不同共混比进行MD和DPD模拟,分别研究它们MD模拟中的溶解度参数、玻璃化温度、径向分布函数和均方末端距,以及DPD模拟中的等密度图和聚合物的末端距,获得下述结论:PS/PE-g-MAH共混比为90/10、70/30、50/50、30/70和10/90时,PS/PE-g-MAH共混物与PS/PE共混物相比,相容性提高;当PE-g-MAH作为相溶剂加入到PS/PE共混体系时,PS/PE共混物的相容性得到改善。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ052;O631

【参考文献】