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基于数值模拟的无机粒子在挤出过程中的分散性研究

基于数值模拟的无机粒子在挤出过程中的分散性研究

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作者：陈峰峰太原理工大学

学位级别：硕士

螺杆挤出机作为塑料产品加工的常用设备,具有使用范围广、结构简单、可连续化生产等优点,在高分子材料的生产加工中具有举足轻重的地位。螺杆元件作为螺杆挤出机中的主要组成部分,其结构和性能以及不同螺杆元件的排列组合都对螺杆挤出... 详细信息

螺杆挤出机作为塑料产品加工的常用设备,具有使用范围广、结构简单、可连续化生产等优点,在高分子材料的生产加工中具有举足轻重的地位。螺杆元件作为螺杆挤出机中的主要组成部分,其结构和性能以及不同螺杆元件的排列组合都对螺杆挤出机的加工性能和混合效果有着决定性的影响。因此对不同螺杆元件在双螺杆挤出机中的作用进行研究分析,探究螺杆元件的排列组合对螺杆挤出机混合效果的影响在聚合物改性研究中具有重要的意义。基于螺杆几何学原理,采用Solid Works三维建模软件建立螺杆元件和流场的三维模型,用前置处理器Gambit网格划分软件对三维模型进行网格划分,用polyflow粘流体仿真软件对纳米复合材料的挤出过程进行数值模拟分析,用Field View和polystat后置处理器对仿真结果进行处理,得到需要的结果数值。首先,根据聚合物的流变行为特性,选用Bird-Carreau模型表征复合材料的粘度随剪切速率的变化特性,基于螺杆几何学原理建立对应螺杆的三维模型,通过计算机数值模拟的方法研究复合材料在螺杆挤出机中的挤出过程,对仿真结果后处理得到不同性能的评估指标。由反螺纹元件对无机粒子混合效果的影响分析结果可知,反螺纹元件可以产生2.25倍于啮合块等元件的剪切速率,说明在常规的挤出机料筒中反螺纹元件不仅起反流的作用,还是粒子破碎的主要元件,可以有效的改善混合过程中粒子的分散混合,而啮合块元件的作用是改变粒子的流动轨迹,改善分布混合效果。粒子的分布混合效果随着反螺纹数量的减少而提升,但是反螺纹数量过少会影响加工过程中物料的反流,不利于粒子在聚合物中的分布混合;且反螺纹导程只影响反螺纹区域的力场分布,对整体的混合效果影响甚微。因此综合考虑当混合段螺杆中包含两组反螺纹元件,且反螺纹导程为36mm时对无机纳米粒子的综合混合效果最好。其次,针对研究目的建立所需的混合段螺杆三维模型和材料的数学流变模型,基于计算机数值模拟的方法对复合材料的挤出过程进行仿真分析。由啮合块对无机粒子混合效果影响的分析结果可知,啮合块数量的多少对粒子分散混合的影响并不大,主要作用是改善无机粒子在聚合物中的位置分布,无法有效的提升粒子受到的剪切作用力。而且啮合块并不是越多越好,过多的啮合块还会影响粒子的分布效果,降低了生产效率和产品质量,因此两组啮合块元件对混合段螺杆的混合效果最好。最后,基于分子动力学模拟软件建立聚合物和纳米无机离子的粗粒化介观分析模型,通过Meso Dyn介观分析模块计算不同填料含量和不同剪切作用下不同材料间的介观演变过程。由无机纳米粒子在聚合物中混合过程的动力学模拟分析结果可知,无机填料含量的增加会使稳定共混体系中团聚物的尺寸变大,不利于提高共混材料的性能,还增加了混合所需的时间,共混效率降低,但是剪切作用有利于粒子的破碎,提高了无机填料的分散混合效果,而且剪切速率的增加改善了填料在流场中的位置分布,有利于提高共混效率,并且提升了纳米复合材料的整体性能。综上所述,每个混合段螺杆中包含两组啮合块和反螺纹元件,且反螺纹导程为36mm时,挤出机对无机纳米粒子的综合混合效果最好;而且随着无机填料含量的减少和剪切速率的增大,共混体系的混合效果越好,有利于提升复合材料的性能。

关键词：数值模拟反螺纹元件啮合块元件粘流体等温模拟混合效果介观动力学分析无机纳米填料

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