基于CAE的力化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及聚合物共混相容性模擬.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)高分子材料性能的要求也不斷提高，具有單一性能的塑料產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的需要，于是高分子合金材料得到了發(fā)展，即聚合物通過共混或接枝改性來(lái)制備綜合性能優(yōu)良的聚合物產(chǎn)品。由于大部分聚合物與其它聚合物和無(wú)機(jī)材料進(jìn)行共混改性時(shí)相容性不太好，所以限制了高分子合金材料的制備。本文以聚乙烯(PE)為例，為了提高聚乙烯與其它聚合物和無(wú)機(jī)材料的相容性，拓寬聚乙烯的適用范圍，通常在聚乙烯鏈上接枝極性基團(tuán)MAH，

2、以此來(lái)彌補(bǔ)聚乙烯與其它材料相容性不佳的缺點(diǎn)。當(dāng)前聚合物接枝馬來(lái)酸酐主要方法是加入氧化劑（例如DCP）,使用溶液法或者機(jī)械熔融的方法在非極性的聚乙烯鏈上接枝極性基團(tuán)，從而改善它與其它聚合物的相容性。而力化學(xué)反應(yīng)接枝法由于其具有接枝率高，不需要引發(fā)劑，不會(huì)引入雜質(zhì)等眾多優(yōu)勢(shì)受到廣泛的青睞。
　　本研究對(duì)單螺桿強(qiáng)剪切力化學(xué)反應(yīng)裝置的螺桿和機(jī)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用Polyflow計(jì)算機(jī)模擬軟件，通過統(tǒng)計(jì)分析的方法，分別以力化學(xué)反應(yīng)器機(jī)

3、筒槽深、機(jī)筒與螺棱間隙、螺棱高度和寬度以及螺桿頭數(shù)為變量，根據(jù)Polyflow仿真結(jié)果，以平均停留時(shí)間、累積停留時(shí)間、最大剪切速率、最大剪切應(yīng)力和最大混合指數(shù)為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取力化學(xué)反應(yīng)器強(qiáng)剪切段螺桿與料筒的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為：機(jī)筒槽深為1mm，機(jī)筒與螺棱間隙為0.5mm，螺棱高度和寬度均為3mm，螺桿頭數(shù)為10頭。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的螺桿與機(jī)筒結(jié)構(gòu)，并將其安裝于單螺桿強(qiáng)剪切力化學(xué)反應(yīng)裝置實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上。為了驗(yàn)證該設(shè)備對(duì)共混熔融物料的共混效果，我們將該樣機(jī)

4、首先用于無(wú)機(jī)材料填充改性聚合物的實(shí)驗(yàn)，制備無(wú)機(jī)復(fù)合材料。我們將聚合物HDPE與滑石粉和nano-CaCO3無(wú)機(jī)材料熔融共混來(lái)制備高分子復(fù)合材料，并與使用雙螺桿擠出機(jī)制備的高分子復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)的螺桿與機(jī)筒結(jié)構(gòu)對(duì)物料的共混效果達(dá)到甚至超越了雙螺桿擠出機(jī)。為了研究聚合物與其它聚合物的混合，首先通過計(jì)算機(jī)模擬的方法，對(duì)聚合物共混時(shí)有可能出現(xiàn)的相容性問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，并為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析提供理論分析的基礎(chǔ)。

5、使用Materials Studio(MS)7.0軟件對(duì)純PS、純PE和PS/PE共混物不同共混比進(jìn)行MD和DPD模擬，分別研究它們MD模擬中的Flory-Huggins參數(shù)、玻璃化溫度、徑向分布函數(shù)和均方末端距以及 DPD模擬中的等密度圖和聚合物的末端距，可以獲得下述結(jié)論：當(dāng)PS/PE共混比為70/30、50/50，30/70和10/90時(shí)，相容效果不好；當(dāng)PS/PE共混比為90/10時(shí)，與其它比例的共混物相比，相容性提高。為了判定聚

6、乙烯鏈接枝馬來(lái)酸酐后是否提高其與其它聚合物的相容性，我們同樣使用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)后續(xù)的聚合物共混改性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。首先假設(shè)聚乙烯經(jīng)力化學(xué)反應(yīng)法得到接枝物PE-g-MAH，然后同樣使用Materials Studio(MS)7.0軟件對(duì)PS、PE-g-MAH、PS/PE-g-MAH、PS/PE/PE-g-MAH共混物不同共混比進(jìn)行MD和DPD模擬，分別研究它們MD模擬中的溶解度參數(shù)、玻璃化溫度、徑向分布函數(shù)和均方末端距,以及DPD模擬