自由基反應(yīng)擠出過程的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、反應(yīng)擠出技術(shù)是化學(xué)反應(yīng)與擠出成型相集成的高新技術(shù)。以螺桿擠出機作為反應(yīng)器，反應(yīng)物和完成反應(yīng)所必需的引發(fā)劑、催化劑等在連續(xù)擠出過程中完成預(yù)定的化學(xué)反應(yīng)，合成為期望的聚合物，然后通過在擠出機機頭安裝的口模成型得到相應(yīng)制品。因周期短、生產(chǎn)連續(xù)、能耗低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景。 反應(yīng)擠出過程是物理流動、化學(xué)反應(yīng)、傳熱與傳質(zhì)并存且相互影響的復(fù)雜過程，體系通常處于非等溫、非等壓和高剪切速率的復(fù)雜外場條件

2、下，此外，反應(yīng)擠出本身還存在一些特殊的工藝要求，如較高的反應(yīng)速率、滿足熱傳導(dǎo)條件、較高的轉(zhuǎn)化率等，很難用經(jīng)典反應(yīng)器理論方法對現(xiàn)場工藝進行定量、實時研究與控制。解決上述問題的有效方法之一是開展反應(yīng)擠出過程的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計，定量揭示化學(xué)反應(yīng)對于高分子材料結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能的影響規(guī)律，進而優(yōu)化設(shè)計反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、材料組分和反應(yīng)加工條件，擴大反應(yīng)擠出技術(shù)的應(yīng)用范圍?？梢?，本課題具有重要的科學(xué)意義，并且具有廣闊的工程應(yīng)用前景。 通常的數(shù)值

3、模擬采用一維的沿螺槽軸向展開的反應(yīng)器模型，在模擬過程中一般簡化處理各種因素之間的耦合作用，基本不涉及高分子材料物理化學(xué)性能的動態(tài)演變規(guī)律的分析、材料組分和反應(yīng)加工條件的優(yōu)化設(shè)計等內(nèi)容。本文以自由基聚合及接枝改性體系作為研究對象，綜合應(yīng)用機械科學(xué)、高分子化學(xué)與物理、高分子反應(yīng)統(tǒng)計理論、計算流體力學(xué)、工程優(yōu)化與軟件工程等學(xué)科知識，從宏觀尺度模擬反應(yīng)擠出過程的化學(xué)流變行為，建立材料配方、反應(yīng)加工條件、材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系；采用

4、半隱式、解耦合的數(shù)值逼近方法，解決在復(fù)雜的化學(xué)與物理條件下眾多場變量之間的相互耦合問題；自主開發(fā)數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的核心程序，定量預(yù)測反應(yīng)擠出場量的演變，并輔助選擇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和工藝操作參數(shù)，使反應(yīng)擠出過程實現(xiàn)可控化、最優(yōu)化。 主要工作與結(jié)論如下： 雙螺桿擠出機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體在流道內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致難以按照真實的擠出機結(jié)構(gòu)與工況模擬其內(nèi)部的復(fù)雜流變。本文根據(jù)緊密嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機的幾何結(jié)構(gòu)和運動特點

5、，將每一個順螺槽料流的流道沿螺槽軸向展開，分析得到展開長度、橫截面寬度、深度與橫截面面積等特征參數(shù)的計算式，在此基礎(chǔ)上，忽略物料在兩螺桿間傳遞的非主流運動，同時對模型截面形狀進行簡化處理，建立了等效的軸對稱反應(yīng)器模型。將實際生產(chǎn)過程中的邊界工況，即螺桿轉(zhuǎn)動對流體的拖曳，以及機筒靜止對流體的阻礙，等效處理為流道模型全部周壁通過作軸向移動對流道內(nèi)的流體進行拖曳，同時假定流道模型處于全充滿狀態(tài)，為整個反應(yīng)擠出過程的數(shù)值模擬提供了空間模型。

6、 結(jié)合上述空間模型，給出了反應(yīng)擠出過程的化學(xué)反應(yīng)場、材料結(jié)構(gòu)場與化學(xué)流變場的基本控制方程：根據(jù)自由基反應(yīng)動力學(xué)理論，構(gòu)建了自由基均聚及接枝反應(yīng)的動力學(xué)模型，得到了反應(yīng)速率、單體濃度、單體轉(zhuǎn)化率、引發(fā)劑濃度的計算式；根據(jù)高分子反應(yīng)統(tǒng)計理論，考慮相對分子質(zhì)量三層意義上的統(tǒng)計平均--瞬時生成的聚合物平均相對分子質(zhì)量、考慮了歷史累積效應(yīng)的聚合物平均相對分子質(zhì)量與同時考慮反應(yīng)物和產(chǎn)物的整個材料體系的平均相對分子質(zhì)量--構(gòu)建了每個層次數(shù)均、重均

7、相對分子質(zhì)量的計算式；給出了黏性不可壓縮流體流動過程的連續(xù)性方程、運動方程和邊界條件；根據(jù)高分子物理學(xué)，建立了反應(yīng)體系的零剪切黏度、表觀黏度與工藝條件、材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系式。 應(yīng)用控制容積積分法（Control Volume Integration）導(dǎo)出了對流-擴散方程的離散表達式，引入交錯網(wǎng)格技術(shù)與SIMPLE算法，實現(xiàn)了耦合的壓力場與速度場的分離式求解，推導(dǎo)得到了流體的流動速度、壓力等物理量的數(shù)值計算式；采用向后差分方法和增量方

8、法，實現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)場、材料結(jié)構(gòu)場、化學(xué)流變場控制方程的離散，獲得了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、聚合物平均相對分子質(zhì)量、流體黏度等物理量的數(shù)值計算式。 采用半隱式、解耦合的數(shù)值逼近方法，解決了在復(fù)雜的化學(xué)與物理條件下眾多場變量之間的相互耦合問題，開發(fā)了自由基聚合反應(yīng)擠出過程數(shù)值模擬的核心程序和自由基接枝反應(yīng)擠出過程數(shù)值模擬的核心程序。在給定的初始條件和邊界條件下，實現(xiàn)了連續(xù)性方程、動量方程、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程、平均相對分子質(zhì)量計算式與化學(xué)流變本構(gòu)

9、方程的數(shù)值求解。 運行自由基聚合反應(yīng)擠出過程的數(shù)值模擬程序，模擬了甲基丙烯酸正丁酯的反應(yīng)擠出過程，獲得了單體轉(zhuǎn)化率、聚合物平均相對分子質(zhì)量、流體表觀黏度等場變量的演變情況，單體轉(zhuǎn)化率的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合一致。討論了凝膠效應(yīng)及流率對反應(yīng)擠出場量的影響，分析了在聚合反應(yīng)擠出過程中調(diào)控高分子材料結(jié)構(gòu)與流變性質(zhì)的規(guī)律，為設(shè)備參數(shù)與工藝操作參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。 運行自由基接枝反應(yīng)擠出過程的數(shù)值模擬程序，模擬了乙烯基硅烷、

10、丙烯酸及甲基丙烯酸甲酯接枝聚乙烯的反應(yīng)擠出過程。獲得了接枝度、均聚物質(zhì)量分數(shù)、平均相對分子質(zhì)量與材料黏度等場變量的動態(tài)演變情況，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。討論了材料組成與工藝參數(shù)對接枝行為的影響規(guī)律，分析了提高接枝度與接枝效率的有效方法。 在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，開展了反應(yīng)擠出過程的優(yōu)化設(shè)計研究。以反應(yīng)擠出過程的有限容積模擬作為目標函數(shù)求解方法，以遺傳算法作為搜索尋優(yōu)方法，開發(fā)了反應(yīng)擠出過程的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。針對自由基聚合反應(yīng)擠出過程