【摘要】：傳統(tǒng)的聚合物加工主要依靠基于剪切流場的螺桿設(shè)備實(shí)現(xiàn),而螺桿式塑化輸運(yùn)方法普遍存在能耗高、物料適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。相關(guān)研究表明,材料在拉伸流場中能夠更高效地塑化混合。華南理工大學(xué)的瞿金平教授創(chuàng)新設(shè)計(jì)了基于拉伸流場的偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī),設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物材料的高效塑化與熔融共混。本課題將拉伸流場理論作為指導(dǎo),對工業(yè)應(yīng)用的偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)進(jìn)行模型化設(shè)計(jì),研發(fā)聚合物塑化輸運(yùn)模型化實(shí)驗(yàn)設(shè)備。設(shè)備的成功研制有利于探究不同材料在拉伸流場中的塑化輸運(yùn)過程,推進(jìn)偏心轉(zhuǎn)子擠出設(shè)備的系列化生產(chǎn)進(jìn)程。本文論述了偏心轉(zhuǎn)子設(shè)備基于拉伸流場加工方法與傳統(tǒng)螺桿設(shè)備基于剪切流場加工方法的不同;簡述了目前應(yīng)用相對較多的聚合物拉伸流場加工設(shè)備;介紹了自行研制的塑化輸運(yùn)模型化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理;建立了偏心轉(zhuǎn)子軸外形的參數(shù)方程;分析了轉(zhuǎn)子受力與結(jié)構(gòu)參數(shù)、相鄰塑化單元壓差的數(shù)學(xué)聯(lián)系;利用該設(shè)備對低密度聚乙烯(LDPE)進(jìn)行塑化實(shí)驗(yàn),觀察并研究了材料塑化輸運(yùn)的形變過程與混合效果。此外,為了探究多相共混物在塑化輸運(yùn)模型化實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的混合分散效果,本文測試了低密度聚乙烯/聚苯乙烯(LDPE/PS)不相容共混體系經(jīng)歷不同等效塑化單元后的材料性能。實(shí)驗(yàn)中利用掃描電鏡(SEM)對材料的微觀形態(tài)變遷過程進(jìn)行觀察;利用差式掃描量熱法(DSC)測試材料的結(jié)晶性能變化;利用動態(tài)旋轉(zhuǎn)流測試(DRM)對材料進(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能表征,結(jié)果表明:(1)經(jīng)歷較短的熱歷程與少數(shù)的體積壓縮-釋放作用后,LDPE/PS共混物能夠?qū)崿F(xiàn)初步的混合分散。(2)經(jīng)過15個等效塑化單元后,PS分散相粒徑達(dá)到臨界分散尺寸。在分散過程中,分散相PS先沿?cái)D出方向取向,形成大長徑比的纖維形態(tài)。隨后纖維被逐漸拉長、斷裂,最終形成分散的小顆粒。(3)PS達(dá)到臨界分散尺寸時(shí),材料的彈性模量、損耗模量及復(fù)數(shù)粘度與直接擠出的樣品相比均有所增大。材料達(dá)到臨界分散尺寸后,等效塑化單元數(shù)量的增加無法進(jìn)一步細(xì)化PS,反而使兩相界面結(jié)合效果劣化。最后,本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及以往研究,提出了拉伸流場中不相容共混物因?yàn)轶w積壓縮-釋放效應(yīng)而產(chǎn)生的“固體壓軋、熔體分散”聚合物塑化輸運(yùn)、熔融混合模型。本文的研究成果對于拉伸流場在聚合加工行業(yè)的應(yīng)用以及偏心轉(zhuǎn)子擠出設(shè)備的改善設(shè)計(jì)與應(yīng)用推廣提供了重要的理論實(shí)驗(yàn)依據(jù)和設(shè)備基礎(chǔ)。
【圖文】：

隨后進(jìn)行冷卻，制成相應(yīng)形狀的產(chǎn)品，過程如圖 1-1 所示。與擠出類似，注塑成型技術(shù)也是以螺桿為主要塑化部件。注塑機(jī)是一種模塑設(shè)備溫度條件下，螺桿攪拌聚合物材料，使其均勻塑化。在螺桿旋轉(zhuǎn)的推力作物料在高壓下被注入模具，經(jīng)過冷卻固化后，得到特定形狀的高分子制品術(shù)主要用于制造各種中空制品。其工作原理是利用高壓氣體將置于模具中化的材料吹起，使其粘附在模具內(nèi)壁上，經(jīng)過冷卻后得到相應(yīng)的成品。吹成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、成型性好等特點(diǎn)[19,20]。以上所述的三種應(yīng)用最為廣泛料加工方法的共同點(diǎn)是材料都必須經(jīng)過一個塑化過程。在傳統(tǒng)設(shè)備中，此是通過螺桿完成。作為主要的塑化部件，聚合物加工設(shè)備中的螺桿結(jié)構(gòu)不進(jìn)，新型螺桿相繼出現(xiàn)。螺桿的優(yōu)化和改進(jìn)在一定程度上滿足了市場的需加工設(shè)備的設(shè)計(jì)原理都是基于剪切作用，因此設(shè)備能耗高，材料的熱歷程，所得產(chǎn)品的質(zhì)量有所不足。

即熔體速度梯度與流動方向相同，此時(shí)稱為拉伸流動，如圖1-2（a）；（2）速度分布沿熔體的流動方向的垂直方向發(fā)生變化，即速度梯度與流動方向垂直，稱為剪切流動，如圖 1-2（b）。兩種流場在本質(zhì)上有不同，對共混物的混合效果有著較大的影響。（a） 拉伸流場（b） 剪切流場圖 1-2 拉伸流動和剪切流動的速率分布1.2.1 基于剪切流場的塑化方式通常高分子材料加工過程中的流場不會局限于單種。以螺桿為核心部件的傳統(tǒng)加工裝備產(chǎn)生的流場是以剪切流場為主導(dǎo)，拉伸流場所占比例較少。究其原因，在螺桿設(shè)備的工作過程中，塑化輸運(yùn)主要依靠物料與機(jī)筒內(nèi)壁、螺桿表面產(chǎn)生的摩擦，此時(shí)容易產(chǎn)生剪切流場。因此，基于剪切流場的加工方法不免存在一些不足：（1）在塑化過程除了螺桿嚙合區(qū)能夠產(chǎn)生局部的拉伸流場，大部分區(qū)域物料的輸運(yùn)仍依靠摩擦產(chǎn)生的剪切流場，摩擦而產(chǎn)生的熱量不可控；（2）依靠剪切流場的加工方法，多相材料共混分散效果差；（3）在加工特殊材料，如熱敏性、力敏性材料時(shí)，，剪切流場容易破壞分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料降解；（4）塑化效率較低，需要較長的熱歷程，因而能耗高，生產(chǎn)成本居高不下[26]。隨著聚合物加工行業(yè)的進(jìn)步
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2664053