双螺杆构型时HDPE/EG复合材料阻燃性能影响的研究

摘要

高密度聚乙烯(HDPE)作为一种通用塑料被广泛用于城市给水、排水管、电线电缆包覆材料和燃气输送管道等领域，然而由于HDPE容易燃烧，所以使用前必须对其进行阻燃改性。本课题选用新型无卤膨胀阻燃剂可膨胀石墨(EG)作为HDPE基体的阻燃剂，以啮合同向双螺杆挤出机作为改性设备，通过数值模拟方法在理论上分析了不同螺杆构型的混合性能;通过实验方法研究了配方和双螺杆构型对HDPE/EG复合体系力学性能及阻燃性能的影响，进而建立了双螺杆构型与阻燃复合材料阻燃性能之间的关系。
　　理论分析方面，本文通过POLYFLOW软件对常规螺纹元件(SE)、捏合盘元件(KB)、齿形盘元件（TME）、S型元件(S)、TME+KB、TME+FTX（六棱柱元件）、TME+KB+TME+KB和TME+FTX+TME八种螺杆构型对应的三维等温非牛顿流场分别进行了数值模拟计算，并比较分析了不同螺杆构型下的压力场、剪切应力场、回流量、累积停留时间分布以及混合指数，结果表明:SE元件（小导程）和S元件对应的螺杆构型具有较好的分散混合性能，但分布混合性能较差;螺杆构型KB的分散混合能力和分布混合能力均较好，螺杆构型TME和TME+KB+TME+KB的分布混合性能较好。
　　配方实验研究了EG表面改性、EG的含量以及粒径对HDPE/EG复合体系性能的影响，结果表明:EG经偶联剂表面改性后，HDPE/EG复合体系的力学性能及阻燃性能均有所提高，本文选用的两种偶联剂中硅烷偶联剂(KH-550)效果优于钛酸酯偶联剂(NDZ-201);随EG占比的增大，复合体系力学性能降低，阻燃性能提高，当EG添加量为25wt％时，复合体系阻燃效果最佳，同时其力学性能亦能满足使用要求;随EG粒径的增大，HDPE/EG复合体系力学性能下降，阻燃性能提高，当EG粒径为50目时，复合体系阻燃性能最优，同时其力学性能也可以满足使用要求。
　　螺杆构型实验研究了熔体输送段八种不同螺杆构型(SE、KB、TME、S、TME+KB、TME+FTX、TME+KB+TME+KB、TME+FTX+TME)对HDPE/EG复合体系综合力学性能、阻燃性能和微观形貌的影响，并对比分析了数值模拟结果与实验结果，结果表明:(1)KB元件分布混合和分散混合性能均较好;TME元件的分布混合性能较好，分散混合性能较差;SE元件和S元件的分散混合性能较好，分布混合性能较差。(2)物料经历分布元件与分散元件组合的历程相比经历分布元件与分布元件组合的历程更有利于其综合力学性能的提高。(3)TME元件以及其与KB交错布置的螺杆构比较适于制备HDPE/EG复合阻燃体系。(4)混合元件交错布置的方式较其集中布置更有利于复合体系综合力学性能及阻燃性能的提高。(5)分散混合性能和分布混合性能均比较优异的螺杆构型制得的复合体系综合力学性能最优;对物料分布混合作用较强，分散混合作用较弱的螺杆构型比较适于制备HDPE/EG复合阻燃体系，剪切作用及拉伸作用较强的螺杆构型不适于制备HDPE/EG复合阻燃体系。(6)实验结果与数值模拟结果基本吻合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高密度聚乙烯(HDPE)的应用现状

1．2 HDPE阻燃改性研究现状

1．2．1 金属氢氯化物

1．2．2 磷系阻燃剂

1．2．3 复合阻燃体系

1．2．4 膨胀型阻燃剂

1．3 EG的阻燃机理与研究现状

1．3．1 EG的阻燃机理

1．3．2 EG阻燃聚烯烃的研究现状

1．4 啮合同向双螺杆挤出机在聚合物阻燃改性中的应用

1．5 本课题的目的、意义及研究内容

1．5．1 课题的目的和意义

1．5．2 课题的研究内容

第二章 配方对HDPE／EG复合体系性能影响的实验研究

2．1 EG表面改性对HDPE／EG复合体系性能影响的实验研究

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验设备

2．1．3 实验方案

2．1．4 性能测试

2．1．5 实验结果与讨论

2．2 EG的含量对复合体系性能影响的实验研究

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 实验方案

2．2．4 性能测试

2．2．5 实验结果与讨论

2．3 EG粒径对HDPE/EG复合体系性能影响的实验研究

2．3．1 实验原料

2．3．2 实验设备

2．3．3 实验方案

2．3．4 性能测试

2．3．5 实验结果与讨论

2．4 小结

第三章 双螺杆构型混合性能的理论研究

3．1 螺杆元件简介

3．1．2 KB元件

3．1．3 TME元件

3．1．5 FTX元件

3．2．1 螺杆元件参数

3．2．2 螺杆构型

3．3 流道数学模型、物理模型及有限元模型的建立

3．3．1 数学模型

3．3．2 几何模型

3．3．3 有限元模型

3．3．4 边界条件

3．4 模拟结果与讨论

3．4．1 压力场

3．4．2 剪切应力场

3．4．3 回流量

3．4．4 累积停留时间分布

3．4．5 混合指数

3．5 小结

第四章 螺杆构型对HDPE／EG复合体系性能影响的实验研究

4．1 实验原料

4．2 实验设备

4．3．2 螺杆构型

4．3．3 挤出、注射实验

4．4 性能测试

4．5．1 力学性能

4．5．2 阻燃性能

4．5．3 形貌分析

4．6 实验结果与理论分析的比较

4．7 小结

第五章 结论

5．1 课题研究的主要结论

5．2 课题的创新点及主要贡献

5．3 课题有待于进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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