（化工过程机械专业论文）聚合物在模孔中的相变流动与传热研究.pdf

摘要 聚合物在模孔中的相变流动与传热研究 摘要 水下切粒是目前国际上最为先进的聚合物造粒技术，其切粒模板性能的好坏是 决定挤出造粒机组性能的关键因素之一，然而，以往性能优良的先进切粒模板大多 数被少数几个外国公司所垄断，我国大型石油化工中应用的模板长期依赖于进口， 严重制约了乙烯工业的发展。开发拥有自主知识产权的水下切粒大型模板，打破技 术封锁和垄断，具有重要意义。 研究切粒模板中的聚合物流动与传热行为，揭示聚合物在模孔中的流动与传热 规律，为切粒模板的结构设计和优化、性能评估和操作调节奠定坚实的理论基础， 具有较为重要的科学意义和现实意义。 基于上述原因，本论文以水下切粒模板中的聚合物在模孔中的流动与传热过程 为研究对象，开展了如下研究： ( 1 ) 建立聚合物在模孔中的流动与传热数学模型，考虑聚合物的非牛顿流变特 性，在f l u e n t 平台上进行数值求解，获得水下切粒模板工作条件下的速度场、温 度场、压力场和聚合物凝固组分场等流体力学和传热学状态参数； ( 2 ) 研究不同导热油通道形式对聚合物在模孔中的流动与传热过程的影响； ( 3 ) 研究不同聚合物入口流量、入口温度、切粒冷却水温度、导热油流量等操 作条件对聚合物在模孔中的流动与传热过程的影响； ( 4 ) 研究切粒模板切粒层导热系数对聚合物在模孔中的流动与传热过程的影 响； ( 5 ) 研究聚合物流变特性对聚合物在模孔中的流动与传热过程的影响。 通过研究，获得如下主要几点结论： ( 1 ) 聚合物液体体积分数和流动压力损失与模板温度密切相关。聚合物液体 体积分数随着模板的温度升高而增大，聚合物压力损失随着模板温度升高而减少。 ( 2 ) 导热油通道结构、边界条件、切粒面导热系数影响模板温度。导热油流 动截面积越大、聚合物进口温度越高、导热油流量越大、聚合物进口流量越大，都 将导致模板温度越高。切粒面导热系数越高，将导致模板温度越低。 北京化工大学博士学位论文 ( 3 ) 聚合物非牛顿流变特性对模板温度影响有限，但对聚合物凝固相变及其流 动压力损失有显著影响。聚合物流变幂率指数和稠度指数越大，聚合物液体体积分 数越小，从而也将导致聚合物压力损失越大。 通过上述研究，揭示了聚合物在模孔中的流动与传热本质，分析和总结了影响 聚合物流动与传热行为的关键因素，为具有自主知识产权的大型水下切粒模板国产 化工作奠定了一定的理论基础，为切粒模板的结构设计和优化、性能评估和操作调 节等基础理论做了一点有益探索。 关键词：聚合物，模孔，相变，流动，传热 n a b s t ra c t i n v e s t i g a t i o no nf l o wa n dh e a tt r a n s f e r w i t hp h a s ec h a n g eo f r o l y m e r i nad i ec h a n n e l a b s t r a c t n o w a d a y sp e l l e t i n gu n d e rw a t e ri st h eb e s tt e c h n o l o g yo fp o l y m e r p e l l e t i n gi nt h ew o r l d p e r f o r m a n c eo fp e l l e t i n gd i ei so n eo fk e yf a c t o r st o p e r f o r m a n c eo fe x t r u d e r h o w e v e r ，a d v a n c e dd i ew i t hg o o dp e r f o r m a n c ei s m o n o p o l i z e db yf e wf o r e i g i lc o m p a n i e s d i e sa p p l i e di nl a r g ep e t r o c h e m i c a l p l a n t si n o u rc o u n t r yw e r ei m p o r t e da t l o n gt i m e ，w h i c hr e s t r i c t s t h e d e v e l o p m e n to fe t h a n ei n d u s t r y l a r g ed i ew i t hi n d e p e n d e n c ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s h a s i m p o r t a n c es i g n i f i c a n c e f o r b r e a k i n gt e c h n o l o g y m o n o p o l i z a t i o na n db l o c k a g e i n v e s t i g a t i o no fb e h a v i o ro ff l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fp o l y m e ri n p e l l e t i n gd i ei st or e v e a lt h el a wo f f l o wa n dh e a tt r a n s f e ro f p o l y m e ri nad i e c h a n n e l i th a si m p o r t a n ts c i e n c ea n dr e a ls i g n i f i c a t i o nf o re s t a b l i s h i n g t h e o r yo fs t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ed i e ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n do p e r a t i n ga d j u s t m e n t b a s e do nt h ea b o v er e a s o n s ，i nt h ep r e s e n tw o r kp r o c e s so ff l o wa n d h e a tt r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i ec h a n n e li ss t u d i e d t h er e s e a r c hc o n t e n t s a r ef o l l o w i n g ： i i i 北京化工大学博士学位论文 ( 1 ) m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i e c h a n n e lw a se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gc o n s i d e r a t i o no fn o n - n e w t o nr h e o l o g yo f p o l y m e r m a t h e m a t i c a lm o d e lw a ss o l v e do nt h ep l a t f o r mo ff l u e n t s t a t u sp a r a m e t e r so ff l o wa n dh e a tt r a n s f e rs u c ha sv e l o c i t y , t e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n ds o l i d i f i c a t i o nf r a c t i o no fp o l y m e ru n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n w e r eo b t a i n e d ( 2 ) i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt h e r m a lo i lc h a n n e lo nt h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i ec h a n n e lw a ss t u d i e d ( 3 ) i n f l u e n c e so fd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha si n l e tf l o wr a t e o fp o l y m e r , i n l e tt e m p e r a t u r eo fp o l y m e r , t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r , f l o w r a t eo ft h e r m a lo h o nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i ec h a n n e l ( 4 ) i n f l u e n c eo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp e l l e t i z i n gl a y e ro nt h ef l o w a n dh e a tt r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i ec h a n n e lw a ss t u d i e d ( 5 ) i n f l u e n c eo fn o n - n e w t o nr h e o l o g yo fp o l y m e ro nt h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i ec h a n n e lw a ss t u d i e d b a s e do nt h er e s e a r c h ，s o m ec o n c l u s i o n sc o u l db ed r a w n ： ( 1 ) l i q u i df r a c t i o no fp o l y m e ra n dp r e s s u r el o s so fp o l y m e ra r ec l o s e l y r e l a t i v et ot h et e m p e r a t u r eo ft h ed i e l i q u i df r a c t i o no fp o l y m e ri n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r eo ft h ed i e ，a n dp r e s s u r el o s so f p o l y m e r d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r eo ft h ed i e i v a b s t r a c t ( 2 ) s t r u c t u r eo ft h e r m a lo i lc h a n n e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ft h ep e l l e t i z i n gl a y e ra f f e c tt h et e m p e r a t u r eo ft h ed i e t h e t a m p e r a t u r eo ft h ed i ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ef l o wa r e ao ft h e t h e r m a lo i lc h a n n e l ，i n l e tt e m p e r a t u r eo fp o l y m e r ，f l o wr a t e so fp o l y m e ra n d t h et h e r m a lo i l ，b u ti td e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n g o ft h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ft h ep e l l e t i z i n gl a y e r ( 3 ) n o n - n e w t o nr h e o l o g - yo fp o l y m e rl i g h t l ya f f e c t st h et e m p e r a t u r eo f t h ed i e ，b u tn o t a b l ya f f e c t st h ep h a s ec h a n g eo fs o l i d i f i c a t i o na n dp r e s s u r e l o s so f p o l y m e r l i q u i df r a c t i o no fp o l y m e rd e c r e a s e s 谢t ht h ei n c r e a s e so f p o w e r - l a wi n d e xa n dc o n s i s t e n c yi n d e x ，w h i c hr e s u l t si nt h ei n c r e a s eo ft h e p r e s s u r el o s so fp o l y m e r a c c o r d i n gt ot h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n s ，e s s e n c eo f f l o wa n dh e a tt r a n s f e r o f p o l y m e r i nad i ec h a n n e lw a sr e v e a l e d i n f l u e n c e so fk e yf a c t o r so nf l o w a n dh e a tt r a n s f e ro fp o l y m e ri nad i ec h a n n e lw e r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h ep r e s e n tw o r ks o m e w h a te s t a b l i s h e st h e o r yo fl a r g et w i n - s c r e we x t r u d e r m a d ei nc h i n aa n dp r o v i d e ss o m e w h a ta v a i l a b l es e a r c ho fs t r u c t u r ed e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n o ft h e d i e ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n d o p e r a t i n g a d j u s t m e n t k e y w o r d s ：p o l y m e r , d i ec h a n n e l ，p h a s ec h a n g e ，f l o w ，h e a tt r a n s f e r v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：蟹丝二丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： ln 易 汕、。、b 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 乙烯工业是反映个国家石油化工实力与技术水平的重要标志之一。由于聚合 物具有一些特殊的材料性能，已经得到广泛的应用。随着科学技术的进步，基于聚 合物的新材料和新技术不断涌现。目前，乙烯工业已经向规模化发展，单台机组已 向大型化发展，据报道，已有年产6 0 万吨聚丙烯双螺杆挤出机投入生产。 大型双螺杆挤出机是目前较为先进的聚合物加工装置，但是迄今为止，我国大 型双螺杆挤出机及其配套装置仍需进口，一直为国外少数几家公司所垄断，严重阻 碍了我国乙烯工业的发展和壮大。研制和开发具有自主知识产权的大型双螺杆机组 及其配套装置，对于打破国外技术垄断和封锁对建设创新型国家，振兴石化装备制 造业无疑具有重大需求和战略意义。 水下切粒是目前较为先进的造粒技术，具有造粒均匀、效率高等优点。切粒模 板作为该项技术的操作设备，是确保造粒质量和机组良好运行的关键。水下切粒模 板内部结构较为复杂，内部包括复杂的导热油和聚合物通道，加工过程伴随复杂的 流动与传热过程。基于结构和流动与传热机理复杂，我国尚未具备大型水下切粒模 板的自主知识产权。 经过几十年来科学技术与工程人员的努力，我国已经初步掌握了小型聚合物挤 出机及其配套装备的相关计算、设计和制造等基础理论，为大型造粒机组及其相关 配套装备的国产化积累了宝贵的经验。由于我国大型挤出机及造粒机组仍然依赖于 国外进口，大型机组的国产化工作已迫在眉睫。2 0 0 7 年，在国家相关部门的积极倡 导和支持下，年产2 0 万吨聚丙烯双螺杆造粒挤出机组国产化工作正式启动，为开展 聚合物在大型双螺杆和造粒模板中的流动与传热等相关研究提供了契机。 切粒模板内部的流动与传热性能决定切粒质量，研究切粒模板中的聚合物流动 与传热行为，揭示聚合物在模孔中的流动与传热规律，为切粒模板的结构设计和优 化、性能评估和操作调节奠定坚实的理论基础，具有较为重要的科学意义和现实意 义。 北京化i 大掌睥学位论1 1 2 水下切粒工艺简介 图1 - l 为聚合物挤出机示意图，聚合物首先从料斗( h o p p e r ) 进入到机组的喂 科段( f e e ds e g m e n t ) ；其次，螺扦在电机带动下，聚合物进入输送段( t r a n s i t i o n s e g m 蛐t ) ；然后进入到计量段( m e t e r i n gs e g m e n t ) 。聚合物在螺秆挤出过程中， 受机筒( b a r r e l ) 加热器( b a r r e lh e a t e r ) 加热作用，聚合物逐渐融化直至在计量 段完全融化。聚合物经过挤出机混炼改性后，熔融态的聚合物经过滤网( s t r a i n e r ) 后，进入到切粒模扳( d i e ) 的摸孔中进行造型。 h o p w i 嘲1 - 1 挤出机州意拄l f i g u r e1 - 1s k e t c ho f e x i d 盯 田1 - 2 水f 切粒示意图 f i g e r e l - 2s k e t c h o f p e l l e t i z l n g u n d e r w a k 如图1 之所示，熔融状态的聚合物从螺杆挤出机进入到切粒机头，从机头导流 通道分配到模扳的聚合物模孔中进行造型，在刚挤出模扳后，水下旋刀在电机的驱 动下，将聚合物切成具有定形状和太小的聚合物颗粒，聚合物颗粒随着水流进入 到干燥系统进行干燥。 2 第一章绪论 。 ，j _ - _ o 窃粒渤一 田1 3 模板切粒带表面模孔分布 l r 叼l a - e 1 - 3d i 耐h d o f d i e h o l e 蛐t h e 辨l 捌血g 蛐血o f 击e 圈1 - 3 为切粒模板横孔分布示意图，具有一定直径的模孔按照一定的秩序捧列 在模板中间的环向切粒带上，水下旋转切刀紧密贴近切粒带从而将模孔流出的聚 合物切下。 圈1 - 4 摸板内部流动与传热过程 f l ”1 4 f l o wa n d h e a t h a m f c t i n d i e 图l - 4 为切粒模板内部的流动与传热过程示意图温度较高的熔融态聚合物从 聚合物入口进入到模板中，通过具有一定形状的模孔进行造型，井通过水下切刀切 成具有一定长度的颗粒。由于模板切粒面与温度较低的水接触，为了避免聚合物在 北京化工大学博士学位论文 挤出过程中凝固，需要在切粒面附近的模板表层通过高温的导热油进行保温，防止 聚合物完全凝固，聚合物堵塞模孔，造成模板内部和机头内部压力过大。 实际生产中，聚合物水下切粒工艺和切粒模板内部结构较为复杂，切粒模板所 处的流动与传热环境也较为恶劣。切粒模板聚合物入口侧的温度和压力较高，而聚 合物出口侧的温度和压力较低，两侧温度和压力差异较大；内部安排有导热油通道 进行保温，导热油温度略高于聚合物入口温度。由于切粒模板内部温度分布存在较 大差异，当模板温度低于聚合物凝固温度时，聚合物将会发生凝固，因此切粒模板 中的流动与传热过程将直接影响到聚合物切粒质量。若切粒模板的温度控制不当， 势必影响到聚合物在模孔中的流动与传热行为，引起聚合物各模孔中的流速、温度、 压力和相变等差异，造成聚合物颗粒长短不一，影响颗粒外观，严重时堵塞聚合物 模孔，因此聚合物在切粒模板中的流动与传热过程决定了切粒模板性能和造粒工艺。 1 3 聚合物流动与传热研究进展 1 3 1 聚合物非牛顿流变特性 熔融态聚合物是一种典型的非牛顿流体，聚合物非牛顿流体的流变特性是研究 聚合物流动与传热的关键物理属性之一。 c h e r t 等【l 】认为微结构中的熔融态流变行为对于微塑造的精确模拟非常重要。他 们建立了一套熔融态聚合物粘度测量系统，该系统可以在熔融温度下工作。研究发 现在测量范围内，不管是毛细流模型或者窄缝模型，该测量粘度明显比从传统毛细 流变仪测得的粘度低大约3 0 至8 0 。随着微通道尺寸的减少，粘度减少的百分比 也增加，这说明微尺度熔融态流变行为与宏观尺度的有着很大不同。而当前的一些 模拟工具包中并没有考虑这种差异，因此不适合微塑造过程的模拟。 r a r m e r t 2 】应用剪切应力实验，建立了基于悬浮理论的凝固流变学的基本粘性模 型。由于没有给出明确的结晶度与剪切速率或总剪切分布的关系，研究结果没有体 现出聚合物的非牛顿流体特性，对流体模型简化过多，所以存在较大的误差。 华坚和刘碧君【3 】研究了p b t ( 聚对苯二甲酸丁二醇酯) p e t ( 聚对苯二甲酸乙 二醇酯) 共聚酯和共混聚合物的流变性质，分析了流变性质和结构的关系。实验结 果表明，与p b t p e t 共混聚合物不同，p b t p e t 共聚酯的非牛顿指数较高，粘流 4 第一章绪论 活化能较低。组份比5 0 5 0 的共聚酯和共混聚合物具有较低的非牛顿指数和粘流活 化能。 v e r b e e t e n 等f 4 】对p o m p o m 的多态扩展模型预测聚乙烯流动的能力进行了研究， 并用有限空间的绕圆柱流和十字交叉流动这两个基准问题进行了校验。把p o m - p o m 扩展模型的数值结果和实验结果、g i e s e k u s 与指数p h a n - t h i e nt a n n e r 模型的预测结 果进行了比较，就流变和流动数据方面来看，p o m - p o m 扩展模型最为满意。 陈大华，雷彩红和黄锐等【5 】分别用动态应力流变仪和注塑机测试了p p 、p s 、p e 、 a b s 、p c 的流变性能，结果表明，动态流变数据能较真实地反映加工中材料粘度随 剪切速率的变化趋势，对材料流变特性的相对比较是比较准确的，将目前所能测到 的动态流变数据用来指导高剪切速率下的实际注塑加工是可行的。 徐鸿升，李忠明和杨鸣波【6 】用动态流变学方法来研究聚合物的粘弹性具有独特 的优点，它是研究多组分体系的形态和结构的一种有效方法。他们介绍了动态流变 学方法测试高聚物的粘弹性的特点和理论，根据动态流变学理论分析了高分子共混 和填充体系动态流变学行为，并分析了相分离、相形态、分子量分布等因素对动态 粘弹性能的影响。 v a c c a r o 和m a r r u c c i 7 通过典型的封闭近似，流变模型用一系列常微分方程进行 描述。在他们的研究中发现，对于稳态剪切流，在中速剪切速率情况下，剪切变稠； 在高速剪切速率情况下，剪切变稀，研究结果与观测到的现象非常吻合。 崔波和罗伟【8 l 采用稳态流变性测定方法，对不同条件下的交联聚合物微球分散 体系的流变性进行了研究。结果表明，随着溶胀时间的增加，交联聚合物微球分散 体系表现出明显的胀流性，溶胀时间较长时，分散体系的胀流性减弱。溶胀温度较 高时，交联聚合物微球分散体系在较短溶胀时间内即表现出较明显的胀流性。微球 浓度增加，分散体系的胀流性先增强后减弱，直至表现出剪切变稀的假塑性流体特 征。随着n a c l 浓度的增加，交联聚合物微球分散体系表现出的胀流性先增强后减 弱。 廖芹，瞿金平和任鸿烈等【9 】借助神经网络模型，研究了聚合物动态挤出流变参 数的非线性组合优化问题；他们把神经网络模型下的梯度计算引入到遗传算法适应 度函数的定义，解决了振动参数及压力影响下聚合物表观粘度的不等高多极值的极 值搜索问题。计算结果表明该方法是可行的，且可推广到一般的应用领域。 5 北京化工大学博士学位论文 彭响方，瞿金平和周南桥等【1 0 l 论述了聚合物材料毛细管动态流变行为的测量原 理，介绍了自行研制成功的用于聚合物熔体挤出的毛细管动态流变仪。在该仪器上 对l d p e 进行了实验研究，发现熔体的粘度与振动源的频率、振幅呈非线性关系。 在振动力场作用下l d p e 熔体的粘度减小，随振动频率的变化有一最小值。他们的 研究结果对聚合物动态塑化挤出工艺过程控制具有重要的意义。 刘跃军，李益民和黄伯云【l l 】针对忽略和不忽略惯性力项对熔体粘性行为的影响 两种情况，分别推导出振动场中流经毛细管的聚合物熔体剪切应力、剪切速率和表 观粘度的计算公式。研究结果表明，当不忽略惯性力项的影响时，这三个参数与毛 细管几何尺寸、毛细管体积流量的脉动、毛细管压力降的脉动、应力和应变相位差 以及聚合物材料特性等因素显著有关，使得在相同的振动力场中，熔体剪切应力、 剪切速率的计算结果比忽略惯性力项时的结果小，而熔体表观粘度的计算结果比忽 略惯性力项时的结果大；不忽略惯性力项影响所得到的计算结果更客观地反映了聚 合物的振动剪切流变行为。 周国发，柳和生和何成宏【1 2 1 在共注射成型多相分层流动充模成型机理的基础 上，揭示了芯壳层熔体粘度对共注射成型的分层界面形貌和芯层熔体前沿突破的影 响，并模拟了芯壳层熔体粘度比对共注射成型的影响，建立了芯壳层熔体粘度比与分 层界面和前沿移动界面形貌的关系。 廖华勇和范毓润【1 3 】用平行板流变仪研究了聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 、聚甲基 乙烯基硅氧烷( p m v s ) 、高密度聚乙烯( h d p e ) 及聚丙烯( p p ) 的壁面滑移，考 察了应力应变数据对平行板的间距依赖性。稳态剪切流实验结果表明，相对于 h d p e ，p m v s 的滑移似乎没有临界剪切应力。动态剪切实验结果表明，在不同的 间距下，随着应变增大，剪切应力数据在小振幅和非线性区前期重合，然后在某一 应变处发生分叉，即剪切应力依赖于间距，说明发生了壁面滑移或应变不均匀。按 照c l i o 等提出的应力分解方法，在分叉点将剪切应力分解为弹性应力和粘性应力后， 考察了影响壁面滑移发生的可能因素。发现对于4 种聚合物熔体，当发生壁面滑移 或应变不均匀现象时，存在一个无量纲参数，即最大弹性应力与线性区复数模量的 比值在一定的范围内变化。在此范围内，该参数随角频率的增加而缓慢下降，而且 在较大的温度范围内几乎不依赖于温度。因而弹性应力是导致聚合物熔体壁面滑移 或应变不均匀的关键因素。 6 第一章绪论 李又兵和申开智【1 4 】在熔体的流动过程中叠加脉动的压力振幅，研究了压力振动 场对聚合物熔体的流动性能的影响。表观粘度随着压力振幅、振频的增加而明显下 降，当压力振幅为2 9 7 m p a 时，高密度聚乙烯( h d p e ) 、聚丙烯( p p ) 和丙烯腈 丁二烯苯乙烯共聚物( a b s ) 表观粘度最大的降低幅度分别为9 9 、9 9 和9 4 3 ： 随着振频的增加，粘度迅速下降，当振频大于0 7 0 h z 之后，增加振频对粘度的影响 不大，h d p e 、p p 和a b s 表观粘度随振频增加而降低，幅度分别为4 8 9 、8 2 9 、 6 6 7 ，可见压力振动场能明显地改善聚合物熔体的流动行为。 汪伟英【1 5 1 根据聚合物溶液在孔隙介质中的渗流理论提出了确定其有效粘度的 方法，导出了孔隙介质中包含粘弹性因素的聚合物溶液有效粘度与剪切速率的关系 式。实验证实聚合物溶液有效粘度由弹性粘度和剪切粘度组成，通过研究孔隙介质 性质及聚合物溶液浓度对临界流变流速的影响表明，在油层流速条件下聚合物溶液 很可能出现拉伸流动和胀流型流变特征，因此在聚合物驱及数值模拟中应考虑粘弹 性因素的影响。 戴文利，罗萍和李思平等【1 6 l 介绍了一种改进的点浇口结构( 孪浇口) ，讨论了 聚合物熔体流经该浇口时的流变性能，在浇口的长度、总截面积以及流量一致的条 件下，与常用点浇口相比，孪浇口使熔体温度升高和使熔体粘度降低的程度要大， 但压力降增加的幅度也大。他们以聚丙烯( p p ) 为原料，对比分析了p p 熔体流经 常用点浇口和孪浇口时的剪切速率、压力降、温度和粘度的变化。当p p 熔体温度 为2 4 0 c 时，熔体流经孪浇口和点浇口后，温度的增加值分别为2 5 1 和1 1 3 。 与常用点浇口相比，孪浇口处熔体的剪切速率提高约o 4 1 倍，粘度下降约0 3 倍， 但压力降却增加了2 2 3 倍。 彭响方，兰庆贵和高文龙等旧采用毛细管动态流变仪，选用p e l d 、p p 、p s 和p a 等典型物料，研究了毛细管动态挤出下各聚合物熔体的非线性流变行为。结 果表明，不同物料的流变行为对振动力场的响应特性有较大差异，只有在一定的振 幅和频率下振动力场才能有效降低熔体的粘度。他们通过实验发现，p p 、p s 和p a 存在窄的振动参数区域，在此区域内，熔体的动态表观粘度值大于相应的稳态值， 出现“加振变粘 现象，这表明，并非“只要引入振动就一定有利于聚合物材料的 成型加工 ，在加工中必须考虑不同分子结构的聚合物材料对振动的不同响应规律。 彭响方，赖俊维和林逸全【1 8 】通过采用剖分料简直接观察的方法，使用示踪剂表 征聚合物的流动情况。他们采用改进后的毛细管动态流变可视化装置，通过对低密 7 北京化工大学博士学位论文 度聚乙烯( l d p e ) 进行大量而系统的动态和稳态挤出实验，系统地探讨了振动力场 对l d p e 熔体流动行为的影响。 周国发和周文彦【1 9 】认为在共挤成型中，聚合物粘弹特性与过程参数波动的耦合 作用会产生波动的挤出胀大，这将使得根据共挤制品的形状设计相应的共挤定型口 模在工程上仍是一项技术挑战，基于这一技术问题，他们建立了全三维稳态等温粘 弹性共挤成型的理论模型，并通过稳态有限元技术，建立了与该模型相适应的快速 收敛的稳态有限元数值算法，通过有限元数值模拟，系统地研究了粘弹性流变性能 参数对共挤成型离模膨胀的影响规律，通过理论分析，揭示了离模膨胀机理。他们 的研究表明，共挤口模芯壳层熔体离模膨胀是由口模出口处的二次流动引起，口模 出口处的芯壳层熔体的第一、第二法向应力差随着芯壳层熔体松弛时间增加而增加， 其口模出口处的二次流动增强，从而导致共挤口模芯壳层熔体离模膨胀随着芯壳层 熔体松弛时间的增加而增加。 g r i l l e t 等【2 0 】对熔融态聚合物的两种典型本构方程，即p h a n - t h i e n - t a n n e r ( p t t ) 模型和g i e s e k u s 模型在平板剪切流中的稳定性进行了研究。对于p t t 方程，运用非 稳态有限元计算预测到了平面c o u e t t e 流和p o i s e u i l l e 流的不稳定性，基于大多数不 稳定流动模型的能量分析，他们提出了相应的造成不稳定的机理。他们还运用谱方 法探究了g i e s e k u s 模型的平板c o u e t t e 流动的稳定性问题，并发现在一定的参数范 围内流动是稳定的。然而，在受迫流动中，在超过当地临界w e i s s e n b e r g 数时， g i e s d m s 模型是不稳定的。 崔波【2 l 】研究并比较了交联聚合物微球分散体系、交联聚合物溶液( l p s ) 和部 分水解聚丙烯酰胺( h p a m ) 的流变性质，采用稳态流变性测定方法对交联聚合物 微球分散体系、l p s 和h p a m 的流型以及体系流变行为的时间效应进行了研究。结 果表明，交联聚合物微球分散体系和l p s 表现为高于临界剪切速率的胀流性和负触 变性，h p a m 表现为假塑性和非依时性。 庄俭，王敏杰和于同敏等【冽在构建表征微尺度下熔体流变特性的粘度模型基础 上，通过分析熔体在不同注射温度、不同截面尺寸微流道中的压力分布，对微注射 成型过程中聚合物熔体粘度变化对填充过程的影响规律进行了研究。数值模拟结果 表明，在微流道中熔体的微尺度粘度小于传统粘度，且随微流道截面特征尺寸的减 小而成比例减小，熔体速度分布随微流道截面特征尺寸减小而趋于均匀。 第一章绪论 刘跃军，瞿金平和徐百平 2 3 1 在自行设计的恒速型毛细管动态流变装置上，对聚 合物熔体进行了动态挤出实验。借助已建立的振动力场下聚合物熔体流变行为的表 征公式，分别计算了振动力场下聚合物熔体在毛细管壁处的剪切应力、剪切速率和 表观粘度。与稳态挤出时相比，引入振动力场后，他们发现毛细管压力降、表观粘 度均显著降低，且随着振动频率和振幅的改变呈非线性变化趋势。 1 3 2 聚合物流动与传热 c r u z ，p i n h o 和o l i v e i r a 2 4 1 给出了两种含有牛顿流体溶剂的粘弹性流体充分发展 的管道流动的解析解，其中聚合物采用p h a n 。t h i e n t a n n e r ( p t t ) 或f e n e p 模型。 针对p 1 t 流体，他们详细推导了管内流动的解，并给出了其余三个算例的最终结果。 h u ，f a n 和y o u n g _ 1 2 5 】采用了无网格模拟方程法( m a e m ) 解决熔融聚合物的流 动问题，m a e m 法最大的优点是相对于有限元法，占用更少的内存和时间。他们把 熔融聚合物的流动简化为牛顿粘性流问题，用派生径向基函数( r b f s ) 线性组合的 方式表达数值解，一共考虑了两种不同的聚合物熔体模型：粘度与温度无关的幂律 流体模型和粘度与温度有关的幂律流体模型。结果表明：初始条件相同下，与温度 无关的幂律流体的温度要高于与温度有关的幂律流体的温度。他们的结果与解析解 和用其他有限元法求出的结果相吻合。 h e r m r a - v e l a r d e ，z e n i t 和m e n a 2 6 1 对由于粘度耗散引起的管内振荡流动的温度 增加进行了实验研究，以低密度聚乙烯作为实验流体。循环振荡管作为挤出机模板 放置在聚合物挤出过程的末端，由于振荡，测得流体温度上升。结果表明，强加的 振荡运动正比于轴向流动。振荡部分的出口流体温度随着振荡频率和幅度的增加而 增加。他们对两种简化的非牛顿流体，即线性粘弹性流体和幂率流体进行了理论分 析，获得了速度和温度场的解析表达式。他们发现运用线性粘弹性模型预测到的温 度增加在低速振荡速度条件下与实验结果吻合更好。对于较大的振荡速度情况，基 于幂率模型的预测结果比粘弹性模型的要好。 w u 2 7 1 对n y l o n 6 在一具有均匀温度的方管中的三维非等温蠕动流动进行了数值 研究。他们把聚合物流体的非牛顿流体特征用不同类型的非等温w h i t e - m e t z n e r 模 型来描述，采用流线迎风格式，通过粘弹性分离有限元方法获得了计算结果。他们 还对流量和几何结构效应进行了研究，预测了包括流场中的温度分布流动的本质特 征，同时获得了沿管壁的平均n u 数。 o 北京化工大学博士学位论文 柳和生，涂志刚和熊洪槐【2 8 】利用罚函数有限元法，采用幂律本构模型，对聚合 物熔体在l 型异型材挤出口模内的三维等温流动进行了数值模拟，分析了口模内熔 体流动的速度场和应力场。分析表明：l 型异型材挤出口模截面不能简单视作两矩 形截面的几何组合，因为其上有三个特征流动区；过渡区对熔体在口模内的流动有 非常大的影响，它不但影响成型区熔体的流动，而且对稳流区熔体的流动产生一定 的影响；此外，因为在过渡区产生了熔体拉伸取向，需要一定的成型区长度使高分 子链段充分松弛。研究结果表明，流速在成型区内并在其入口附近达到其在口模内 的最大值，剪切应力在成型区内并在其入口附近明显持续上升，达到其在口模内的 最大值后迅速回落，第一法向应力差在过渡区内并在其出口附近达到其在口模内的 最大值，此后在过渡区和成型区的结合面两端近距离内急剧下降，因此成型区和过 渡区接合处是熔体流动不稳定的发源地；口模内最大剪切应力和最大第一法向应力 差均随挤出址的增加而近似呈线性上升，而不会急剧增加。 z d a n s k i 和v a z 2 9 】对突然膨胀的三维、非等温、聚合物熔体流动进行了数值研究， 主要研究了流场的普遍特征。他们的研究中数学模型采用层流、不可压缩n s 方程， 控制方程的离散用二阶有限差分格式，非牛顿流体行为通过c r o s s 本构关联式进行 模拟，并考虑了温度效应。模拟结果表明，尽管聚合物熔体表现出高粘性，在接近 膨胀部分，三维流动结构具有螺旋运动的特征。结果也说明粘度耗散导致有限的温 度上升效应和粘度变化，而且粘度变化主要受剪切速率的影响。 z d a n s k i 和v a z e 3 0 】对聚合物熔体流动的现象进行了更为详细的研究，特别是运用 详细的数学和数值公式对其流动的水力发展和热边界层进行分析。运用基于二阶空 间精度的有限差分格式对物理方程进行离散，并给出了针对商用聚合物p o l y a c e t a l p o m - m 9 0 - 4 4 的结果，结果表明水力边界层比它的热边界层成长要迅速的多。 y u n g 等【3 l 】对往复挤出机中的三个阶段，即融化阶段、注射阶段和停止阶段的 瞬态融化过程进行了研究。基于这些瞬态模型，发现了影响融化速度的各种因素， 这些因素包括螺杆转速、螺杆转动时间、停止阶段的时间( 包装时间和模具打开时 间) 、注射时间、螺杆轴向移动速度、机筒厚度、机筒热容量、加热器和聚合物温 度等。 贾毅和石楠【3 2 】介绍了吹塑机头结构设计以及通过计算机编程展示了机头内部 结构，对中空吹塑机头结构和强度进行仿真设计，并利用编程语言模拟了聚合物熔 体在机头内部中的流动情况，从而进一步认清了熔体的流动规律。 1 0 第一章绪论 彭响方，瞿金平和文生平【3 3 】的研究表明，与稳态挤出相比，在振动力场作用下 毛细管动态挤出聚合物熔体时，发生不稳定流动的临界流率得到提高。他们的研究 结果表明，振动条件下挤出聚合物能有效地改善挤出时的不稳定流动现象，从而提 高挤出时的产量和质量，为聚合物的成型加工带来巨大的益处。 秦升学和赵国群等【蚓以聚合物挤出过程有限元模型为基础，采用自主开发的有 限元分析软件对幂律型流体在钢塑共挤模具分流段的流动过程进行了非等温模拟， 获得了聚合物熔体在模具分流段内的速度场和温度场分布；分析了导入角变化对聚 合物熔体流动行为影响的一般规律。结果表明：仅考虑导入角变化对流动行为的影 响时，速度场和温度场的分布趋势基本不变；在垂直于流动方向的截面上的速度分 布和在流动区域内的最大温升会略有改变。他们给出的如何合理选择导入角度的建 议，对模具设计与优化具有一定的指导意义。 w c i 和l u o 3 5 】给出了常温环境下聚合物熔体管内流动传热问题有限元分析结 果。他们通过依赖温度的幂率模型对熔体的流变行为进行了描述，获得了不同管长 和不同入口温度条件下的温度分布，并将所得结果与相关文献中类似结果进行了比 较。 尹华涛和江波【3 6 】采用h d c - - s h a w 模型对共挤出机头流道内的聚合物熔体流动 进行了数值模拟分析，计算得到了衣架型机头出口处各层料流分界面的位置，并讨 论了物料特性、进口处流率比对机头出口处分界面位置的影响。 杨其，李光宪和姜苏俊等 3 7 1 从热力学理论、实验方法以及影响因素等三个主要 方面，综述了自2 0 世纪8 0 年代以来开展的剪切流动对聚合物共混物相行为影响的 研究情况；阐述了应用较为广泛的热力学理论；着重介绍了各种先进的在线检测方 法的原理、优缺点及其应用；较为详细地总结了聚合物共混物相行为对剪切速率、 剪切应力、温度以及组成的依赖关系；指出了存在的一些问题并展望了该领域发展 的趋势和方向。 柳和生，涂志刚和熊洪槐 3 8 】利用罚函数有限元法，采用幂律本构模型，对聚合 物熔体在矩形收敛口模内的三维等温