微孔塑料挤出成型过程中口模流动及气泡成核的数值模拟

摘要

微孔塑料是一种泡孔直径小于10μm，泡孔密度大于10<'9>个/cm<'3>的新型泡沫塑料，因其独特的优点越来越引起社会的关注。本文基于聚合物流变学、流体动力学和热力学理论，经合理假设，建立了快速降压口模中二维流动的有限元模型，利用FLUENT(CFD)软件实现了有限元方程的求解，大量的数据处理以及数据可视化则采用TECPLOT后处理软件。 本文采用超临界CO<,2>作为发泡剂，研究PS/CO<,2>发泡体系中工艺条件对成型结果的影响。影响泡孔成型的三个主要因素是CO<,2>浓度、发泡温度(即口模温度)和压力降或压力降率，其中发泡温度的影响最复杂，因为PS/CO<,2>体系的所有物性参数(如粘度、表面张力、气体的溶解度和扩散度等)几乎都是温度的函数，而且在发泡过程中各物性参数又是相互作用和影响的。本文分析了PS/CO<,2>均相熔体在快速降压口模中的流动状态，包括压力场和速度场等，并系统分析了CO<,2>浓度、流率、发泡温度和压力降或压力降率对气泡成核和长大的影响。 研究表明：PS/CO<,2>熔体的粘度随着CO<,2>浓度的增加而下降，并且在高溶度区(2～5wt％)CO<,2>对熔体粘度的影响比低溶度区(0～2wt％)小；在CO<,2>溶解度范围以内，增加CO<,2>浓度和增大流率有利于成核更多的气泡，但不利于小尺寸泡孔的生成；在满足发泡温度条件时，降低口模温度有利高密度小尺寸泡孔的生成；压力降或压力降率越大越有利于微孔成型的目的，即形成数量尽可能多、尺寸尽可能小的泡孔。 本文的研究结论可以用来指导微孔塑料连续挤出成型中工艺条件的优化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2微孔塑料

1.2.1微孔塑料的特点及性能

1.2.2微孔塑料的商业化应用

1.3国内外微孔塑料发展动态

1.3.1国外部分

1.3.2国内部分

1.4微孔塑料成型工艺和设备

1.4.1微孔塑料间歇成型法

1.4.2微孔塑料连续挤出成型法

1.4.3微孔塑料注射成型法

1.4.4微孔塑料的相分离法

1.5微孔塑料成型理论研究进展

1.6 FLUENT(CFD)软件介绍

1.6.1 FLUENT软件简介

1.6.2 FLUENT程序的结构

1.6.3 FLUENT程序可以求解的问题

1.6.4 FLUENT的后处理功能

1.7课题来源、研究意义及内容

1.8本章小结

第2章微孔塑料成型的数学描述

2.1流体动力学基本控制方程

2.1.1质量守恒方程

2.1.2动量守恒方程

2.1.3能量守恒方程

2.1.4组分方程

2.2本构模型

2.3 CO2在聚合物中的溶解行为

2.4气泡成核和长大机理

2.4.1气泡成核

2.4.2气泡长大

2.5毛细管口模中压力降和压力降率

2.6本章小结

第3章快速降压口模中挤出流动的数值模拟

3.1几何模型

3.2有限元网格划分

3.3材料参数、工艺参数

3.4边界条件的确定

3.5有限元求解的方法和过程

3.6模拟结果及分析

3.6.1 CO2浓度变化时压力、速度场分析

3.6.2流量变化时压力、速度场分析

3.6.3温度变化时压力、速度场分析

3.7本章小结

第4章工艺参数对气泡成核的影响

4.1 CO2浓度对气泡成核的影响

4.1.1 CO2浓度对气泡成核率的影响

4.1.2 CO2浓度对气泡成核开始位置的影响

4.2流量对气泡成核的影响

4.3温度对气泡成核的影响

4.3.1温度对成核率的影响

4.3.2温度对成核开始位置的影响

4.4压力降对气泡成核的影响

4.5本章小结

第5章总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录

硕士学位期间的研究成果