双螺杆挤出机反应流模拟与聚苯乙烯泡沫挤出研究

### 双螺杆挤出机反应流模拟与聚苯乙烯泡沫挤出研究 #### 一、双螺杆挤出机中聚丙烯过氧化物降解的3D模拟 1. **研究背景与目的** 在双螺杆挤出机中，过氧化物引发的聚丙烯降解反应是一个重要的研究课题。随着计算能力的提升和高效计算流体动力学（CFD）算法的发展，3D模型得以用于描述复杂的流动系统。本研究旨在通过3D模拟方法，分析紧密啮合同向双螺杆挤出机（COITSEs）输送螺杆元件中过氧化物引发的聚丙烯降解反应。模拟针对传统设计和变速挤出机的特殊设计螺杆元件进行，研究不同过氧化物浓度和质量 throughput 对反应系统的影响。 2. **建模考虑与工艺条件** - **反应动力学模型**：采用 Tzoganakis 等人提出并经修改的模型来描述聚丙烯过氧化物引发降解的反应动力学。 - **粘度模型**：系统粘度通过幂律模型描述，其中一致性和幂律指数对温度和 Mw 的依赖关系由 Strutt 等人根据 Tzoganakis 的数据开发的数学函数指定。 - **模拟方法**：为模拟感兴趣的流动几何形状中的反应流，采用考虑相对系统的方法，使流动表现为稳态流。模拟使用基于有限元方法（FEM）的商业 CFD 软件 POLYFLOW 进行。分析了两种类型的螺杆元件：传统设计的 SGSE 和特殊设计的 DGSE。 - **边界条件**：模拟中实施了多种边界条件，包括固体壁面的无滑移条件、螺杆元件入口截面的充分发展速度场、出口的零切向和法向力、恒定的入口和机筒温度、出口截面的零热通量以及螺杆表面的绝热条件。对于反应物种，在流动几何形状的入口定义固定浓度，在机筒壁和流动域的出口截面指定零质量通量。 3. **结果与讨论** - **温度场分析**：从温度场的等高线图可以看出，对于特定的螺杆几何位置，DGSE 的温度较高。这是因为 DGSE 中单螺纹螺杆元件的旋转速度高于双螺纹螺杆元件，导致更高的能量耗散。较高的温度位于单螺纹螺杆元件一侧，与更高旋转速度和剪切速率下预期的更多粘性耗散一致。 - **平均横截面温度分布**：模拟结果表明，对于固定的过氧化物浓度和质量 throughput，DGSE 的温度升高比 SGSE 更高。过氧化物浓度的增加会降低反应温度，这是由于降解反应导致系统粘度降低，从而减少了粘性耗散效应。 - **Mw 和 PDI 分布**：沿螺杆元件轴向距离的平均 Mw 和 PDI 分布显示，预测趋势与质量 throughput 无关，但较低的质量 throughput 会导致最终值更低，这是由于反应停留时间增加。不同流动几何形状对 Mw 和 PDI 的最终预测值没有显著差异。 - **停留时间分布（RTD）分析**：通过 RTD 分析发现，TS 模拟方法能更准确地预测 RTD 曲线。SGSE 和 DGSE 的 RTD 曲线在 MRS 模拟中形状相似，但 TS 模拟显示 DGSE 的 RTD 更宽，这可能意味着 DGSE 中的 Mw 和 PDI 最终值比 SGSE 更低。 | 螺杆元件 | 螺杆外径 (mm) | 螺杆内径 (mm) | 中心线距离 (mm) | 机筒直径 (mm) | 螺杆螺距 (mm) | 螺杆长度 (mm) | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | SGSE | 34.00 | 26.00 | 30.80 | 35.60 | 50 | 150 | | DGSE | 34.00 | 26.00 | 30.80 | 35.60 | 25/50* | 150 | 注：* 两个不同的螺距值分别指单螺纹和双螺纹螺杆元件。 #### 二、双螺杆挤出机中聚苯乙烯与超临界二氧化碳的泡沫挤出 1. **研究背景与目的** 泡沫挤出过程中，气体和聚合物相的增强混合在各个阶段都很重要。大多数泡沫挤出过程中的混合是分布性的，需要能够高速、低能耗地分割和重组熔体的混合器。双螺杆挤出机在螺杆元件设计上具有灵活性，可实现更好的混合。本研究旨在研究五种不同螺杆配置对聚苯乙烯（PS）与超临界二氧化碳（CO₂）在双螺杆挤出机中发泡特性的影响。 2. **实验方法** - **螺杆配置设计**：典型的聚合物泡沫挤出过程涉及多个单元操作，包括聚合物进料、熔融/混炼、动态密封、气体注入、聚合物 - 气体混合、冷却、泵送、最终质量温度均匀化和模头成型。基于这些操作设计了五种不同的螺杆配置，使用了进料（GFF）、输送（GFA）、动态密封（ZS）、反向元件、分布元件（如 GFM 和 M