混炼机横截面熔体液滴分散过程的研究

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聚合物共混是聚合物高性能化的重要方法之一,熔融共混由于其简单易行,成为目前广泛采用的共混方法。共混物中分散相的形貌结构和相畴尺寸是决定共混物性能的重要因素。液滴代表了单个分散相,为了了解分散相形貌结构的发展演变过程和机理,本文对单个液滴的分散过程进行研究。  本文通过Fluent软件模拟了混炼流场中聚丙烯(Polypropylene,PP)液滴在聚合物基体中的变形、破碎、二次团聚过程,并对混炼机流场特性进行了数值模拟,对不同位置处流场特性参数(压力差、速度、剪切速率、混合指数等)进行了表征;通过自主研发的可视化实验平台对聚合物液滴的动态分散过程进行了可视化观察,研究了液滴随时间发生的变形、运动情况,并对模拟结果进行了验证;最后,通过改变转子构型、转子转速以及初始相位角,研究了不同转子轮廓与工艺参数对液滴分散过程的影响,并应用Fluent软件对不同参数下的流场特性进行了表征。取得的主要研究结果如下:  (1)聚合物液滴在混炼过程中经历了变形、破碎、聚并过程。由于两相黏弹性以及混炼流场的复杂性,聚合物液滴在混炼腔C形区发生了双尾流变形、自转行为,在相互作用窗混沌流场下发生了拉伸、交叉行为。聚合物液滴的破碎行为包括毛细不稳破碎、末端夹断以及在螺棱背风面的松弛破碎。  (2)通过“母粒稀释法”进行共混时,由于两相相容性大大提高,液滴的分散效果更好。界面张力的减小使得液滴极易发生大的变形,成为纤维状。纤维状液滴经过多次折叠、缠绕、破碎,最终均匀地分散在基体中。  (3)不同的转子构型、转子转速、初始相位角的分散效果是不同的。三种转子构型中,转子构型1形成的流场中剪切速率最大,分散效果最好。随着转速的提高,流场中的剪切速率随之增大。当两转子初始相位角为90°时,混炼相互作用窗内物料交换作用最强,流场中剪切速率最大。
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