（机械设计及理论专业论文）超临界co2ps微孔塑料在动态剪切流场中的气泡成核研究.pdf

1 一 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r d o c t o r sd e g r e e r e s e a r c ho nt h eb u b b l en u c l e a t i o no f s u p e r c r i t i c a lc 0 2 p s m i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s i nd y n a m i cs h e a r i n gf l o wf i e l d s u p e r v i s o r ： s p e c i a l i t y ： z h uw - e n l i p r o f z h o un a n q i a o a s s o c i a t ep r o f p e n gx i a n g f a n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s c h o o lo fi n d u s t r i a le q u i p m e n ta n dc o n t r o le n g i n e e r i n g s o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , g u a n g z h o u ，5 10 6 4 0 a p r i l ，2 0 0 5 吣2335mm岫-8 1洲y 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：寐爻辛1 1 日期：弘心年6 月酉日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密囹，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 皋爻神 即 日期：如o r 年6 月r 日 日期：肘年月“日 r 摘要 摘要 对塑料基体进行微孔发泡制得的微孔塑料，不仅可以节省原料，材料的物理 和力学性能也得到提高。为了早日实现产业化和广泛应用，微孔塑料的连续挤出 成型成为二十一世纪高分子材料加工领域的研究热点。微孔塑料成型过程中的气 泡成核阶段对最终制品的微观结构和力学性能起着决定性的作用，因此人们对其 进行了非常深入细致的研究，找到了影响挤出发泡过程中气泡成核速率的关键工 艺变量一一流场中的剪切作用，并提出了一些增强剪切流场的方法。然而，这些 改进方法仅仅是针对气泡成核过程的，由于均相体系的质量对气泡成核有很大影 响，因此，为了在挤出发泡过程的成核阶段形成大量均匀细密的气泡核，必须使 发泡剂迅速而又均匀的分散于聚合物熔体中，以形成优质的均相体系。螺杆的剪 切作用能极大地加速均相体系的形成，因此加强均相体系形成过程中的剪切作用 也是非常必要和重要的。本研究基于动态塑化成型的概念，提出了一种新的强化 流场中剪切作用的方法，不仅将机械振动产生的剪切作用引入到气泡成核过程中， 而且也强化了均相体系的剪切流场，从而加速均相体系形成并提高气泡成核速率。 本文首次研究了微孔塑料动态成型方法的气泡成核过程，结合均相体系形成 过程中的影响因素，分析了动态剪切流场中影响气泡成核的工艺参数。研究表明， 流场中的温度、压力、压力释放速率、稳态剪切和动态剪切都对均相体系的形成 和气泡核的密度、大小和形态产生了很大影响，因此必须综合考虑这几个因素的 作用，为制定合理的动态发泡工艺做理论指导。 本文根据剪切能的概念，从能量的角度提出了稳态剪切流场和动态剪切流场 中的气泡成核模型，并通过对模型的数值模拟研究了各工艺变量对剪切能和剪切 应力的贡献，考察了不同方向上的剪切应力对泡孔形态的影响。通过在自制的振 动诱导发泡模拟设备上的大量实验，获得不同工艺条件下的发泡制品，利用制品 微观结构的扫描电镜照片，对比了各工艺变量对泡孔结构和形态的影响。研究发 现，实验结果与数值模拟预测结果具有较好的一致性，从而证明了本文从能量的 角度提出的气泡成核理论的正确性。 实验结果和理论分析都显示，通过稳态剪切和动态剪切产生的能量对流场中 的剪切能具有很大的贡献，尤其是动态剪切对剪切能的贡献作用更加显著，动态 发泡过程中的气泡成核速率也因此得到很大的提高。然而，振动参数的设置应与 转子的转速相匹配，以防止泡孔形态在某一应力方向上发生拉伸取向，影响制品力学 性能和物理性能的各向同性。 华南理工大学博士学位论文 本文提出的振动诱导气泡成核的方法对实现微孔塑料的工业化及微孔塑料的 广泛应用具有重要的实践意义，本文从能量的角度建立的动态剪切流场中的气泡 成核理论对于微孔塑料动态成型技术的开发和合理的动态发泡工艺的制定具有重 要的指导意义。 关键词：微孔塑料；超临界c 0 2 ；动态成型；剪切能；成核机理 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o c e l l u l a rp l a s t i c si sp r e p a r e db yf o a m i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r ec e l li np l a s t i c s t h e m a t e r i a l sc o u l eb es a v e da n dt h ep h y s i c a la n dm e c h n i c a lp e r f o r m a n c e sc o u l db ei m p r o v e d i n o r d e rt or e a l i z et h ei n d u s t r i a l i z a t i o ne a r l i e r l y , t h ec o n t i n u o u se x t r u s i o nm o u l do fm i e r o c e l l u l a r p l a s t i c sw a sb e c o m i n gt h er e s e a r c hh o t s p o ti nm a c r o m o l e c u l em a t e r i a l sm o u l d i n gf i e l do f t w e n t y o n ec e n t u r y t h ep h a s eo fb u b b l en u c l e a t i o ni nt h em o u l d i n gp r o c e s sf o rm i c r o c e l l u l a r p l a s t i c sh a sd e c i s i v ee f f e c t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ff i n a lf o a m p r o d u c t s ，t h e r e f o r e ，d e e pa n dp a i n s t a k i n gr e s e a r c h e sh a db e e nm a d eo ni ta n dt h es h e a re f f e c t i nt h ef l o wf i e l d ，w h i c hi st h ek e yp r o c e s s i n gc o n d i t i o ni n f l u e n c i n gt h eb u b b l en u c l e a t i o n v e l o c i t y , h a db e e nf o u n d s o m eo fm e t h o d sf o re n h a n c i n g t h es h e a r i n gf l o wf i e l dh a db e e np u t f o r w a r d h o w e v e r , t h e s ei m p r o v i n gm e t h o d sj u s th a v ee f f e c t so nt h ep r o c e s so fb u b b l e n u c l e a t i o n b e c a u s et h eq u a l i t yo fs i n g l ep h a s es y s t e mh a si n s i g n i f i c a n te f f e c t so nt h eb u b b l e n u c l e a t i o n , i no r d e rt of o r m i n gag r e a td e a lo fs m a l ln u c l e u sd u r i n gt h ee x t r u s i o np r o c e s s ，t h e f o a m i n ga g e n tw a sn e e d e dt od i f f u s e i n t ot h ep o l y m e rm e l tp r o m p t l ya n de v e n l y t h e d i f f u s i o no fg a si n t op o l y m e rw a si m p r o v e dg r e a t l yb yt h es h e a re f f e c t so fs c r e w i ti sv e r y i m p o r t a n tt oe l e v a t et h es h e a re f f e c t sd u r i n gt h es i n g l es o l u t i o np h a s e an o v e lm e t h o df o r e n h a n c i n gt h es h e a re f f e c t si n t h ef l o wf i e l dw a sp u tf o r w a r di nt h i si n v e s t i g a t i o nb a s e do nt h e c o n c e p to fe l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i cp l a s t i c a t i n gm o u l d i n g i tc a nb en o to n l yi m p o s e dt h e s h e a re f f e c t sy i e l d e db ym e c h a n i c a lv i b r a t i o ni n t ot h eb u b b l en u c l e a t i o np r o c e s s ，b u ta l s o e n h a n c e dt h es h e a r i n gf l o wf i e l do fs i n g l ep h a s es o l u t i o nw h e nt h ee x t r u s i o nt i m ew a sn o t c h a n g e d t h ed y n a m i cf o a m i n gc a nb ef o r mt h es i n g l es o l u t i o nr a p i d l ya n di m p r o v et h e b u b b l en u c l e a t i o n t h eb u b b l en u c l e a t i o np r o c e s so fd y n a m i cm o u l d i n gm e t h o df o rm i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s a n dt h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nb u b b l en u c l e a t i o ni nd y n a m i cs h e a r i n gf l o ww a s a n a l y s e da tf i r s tt i m ei nt h i sp a p e r i tw a ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，p r e s s u r e r e l e a s er a t e ，s t e a d ys h e a ra n dd y n a m i cs h e a ri nt h ef l o wf i e l da l lh a v es i g n i f i c a n te f f e c t s + o n t h eq u a l i t yo fs i n g l ep h a s es o l u t i o na n db u b b l en u c l e a t i o n t h e r e f o r e ，t h ei n t e g r a t e di n f l u e n c e f o rt h e s ef a c t o r sw a sn e e d e dt ob et h o u g h to v e rt oi n s t r u c ta b s t r a c t l yt h em a k i n go fr e a s o n a b l e d y n a m i cf o a m i n gp r o c e s s i n g b a s e do nt h ec o n c e p to fs h e a re n e r g y , i nt h i sp a p e r , b u b b l en u c e a l t i o nm o d e li ns t e a d y s h e a r i n gf l o wf i l e da n dd y n a i m i cs h e a r i n gf l o wf i l e dw a ss e tu pf r o mt h ev i e w p o i n to fe n e r g y , a n dt h ec o n t r i b u t i o no fe a c hp r o c e s s i n gc o n d i t i o nt os h e a re n e r g yw a ss t u d i e dt h o u g ht h e i i i 华南理工大学博士学位论文 n u m e r i cs i m u l a t i o n ，a n dt h ee f f e c to fs h e a rs t r e s si nd i f f e r e n ta s p e c to nt h ec e l lm o r p h o l o g y w a si n v e s t i g a t e d t h ef o a mp r o d u c t su n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o nw e r ep r e p a r e d0 1 1 t h es e l f - m a d ev i b r a t i o ni n d u c e df o a m i n gs i m u l a t o r t h r o u g ht h es c a ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e p h o t o sf o rm i c r o s t r u c t u r eo ff o a mp r o d u c t s ，t h ee f f e c t so fe a c hp r o c e s s i n gc o n d i t i o no nt h e c e l ls t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yw e r ec o n t r a s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dn u m e r i c s i m u l a t i o nr e s u l t sw e l la g r e e do n i tp r o v e dt h a tt h ec o r r e c t n e s so fb u b b l en u c e a l t i o nt h e o r y f r o mt h ev i e w p o i n to fe n e r g y i tw a ss h o w e dv i ae x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i ci n v e s t i g a t i o n 也a tt h ee n e r g yy i e l d e d b yi m p o s e dm e c h a n i c a lr o t a t i o na n dv i b r a t i o nb o lh a dg r e a tc o n t r i b u t i o nt os h e a re n e r g yi n t h ef l o w i n gf i e l d ，e s p e c i a l l yt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o n t h eb u b b l en u c l e a t i o nv e l o c i t yi nt h e p r o c e s so ff o a m i n gw a si n c r e a s e d h o w e v e r , t h ev i b r a t i o np a r a m e t e rs h o u l dm a t c hw i t ht h e r o t a t i o ns p e e dt oa v o i dt h es t r e t c ht r o p i s mo fc e l lm o r p h o l o g yo ns o m ed i r e c t i o no fs t r e s st o i n f l u e n c et h ei s o t r o p yo fm e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp e r f o r m a n c eo ff o a mp r o d u c t s t h em e t h o do fv i b r a t i o ni n d u c e db u b b l en u c l e a t i o nh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o ri n d u s t r i a l i z a t i o no fm i c r o c e l l u l a r p l a s t i c s a n dt h e i rw i d ea p p l i c a t i o n t h eb u b b l e n u c l e a t i o nt h e o r yi nd y n a m i cs h e a r i n gf l o wf i e l df r o mt h ev i e w p o i n to fe n e r g yp u tf o r w a r di n t h i sp e p e rh a v ea b s t r a c t l yg u i d i n gs e n s ef o rt h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cm o u l d i n gt e c h n o l o g y f o rm i c r o c e l l u l a rp l a s t i c sa n dt h em a k i n go fd y n a m i cf o a m i n gp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：m i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s ；s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e ；d y n a m i cm o u l d i n g ； s h e a re n e r g y ；n u c l e a t i o nt h e o r y i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 物理量名称及符号表。i x 第一章绪论。1 1 1 选题依据和意义1 1 2 流场中气泡成核的研究6 1 2 1 气泡成核的研究方法6 1 2 2 剪切成核的研究7 1 2 3 拉伸成核的研究1o 1 3 微孔塑料的经典成核理论及其发展一1 1 1 3 1 均相成核1 2 1 3 2 成核剂非均相成核1 4 1 3 3 空穴非均相成核1 6 1 3 4 经典成核理论的发展一1 8 1 4 微孔塑料剪切成核理论及进展2 0 1 4 1 剪切应力成核理论2 0 1 4 2 剪切能成核理论2 1 1 5 微孔塑料的动态成型方法一2 2 1 5 1 电磁动态塑化挤出机的塑化原理2 2 1 5 2 微孔塑料动态发泡成型的可行性分析2 3 1 6 本论文拟研究的内容2 4 1 7 本章小结2 5 第二章影响动态剪切流场中气泡成核的工艺变量分析2 6 2 1 微孔塑料的均相成核过程一2 6 2 2 影响动态剪切流场中气泡成核的工艺变量2 9 2 2 1 温度和压力2 9 2 2 2 压力释放速率3 2 2 2 3 剪切作用3 5 2 3 本章小结4 0 第三章动态剪切流场中微孔塑料的均相成核理论4 2 3 1 气泡成核过程中的能量分析4 2 v 华南理工大学博士学位论文 3 2 剪切能对气泡成核速率的影响4 3 3 3 流场中的剪切能成核理论4 5 3 3 1 稳态剪切流场中的剪切能成核理论4 5 3 3 2 动态剪切流场中的剪切能成核理论4 8 3 4 剪切能成核理论的数值模拟5 1 3 4 1 稳态剪切流场中剪切能的模拟5 1 3 4 2 稳态剪切流场中剪切应力的模拟5 2 3 4 3 动态剪切流场中剪切能的模拟5 2 3 4 4 动态剪切流场中剪切应力的模拟一5 6 3 5 本章小结6 0 第四章实验研究。6 1 4 1 实验目的6l 4 2 实验设备6 2 4 2 1 超临界流体恒压供应装置一6 2 4 2 2 动态发泡模拟装置6 3 4 2 3 实验仪器6 5 4 2 4 实验材料6 5 4 3 实验方法与实验内容6 5 4 3 1 实验方法6 5 4 3 2 实验内容6 6 4 4 试样的表征与分析6 8 4 5 本章小结一6 8 第五章实验结果与讨论6 9 5 1 气体饱和压力对气泡成核的影响6 9 5 2 压力释放速率对气泡成核的影响7 0 5 3 稳态剪切和气体饱和时间对气泡成核的影响7 l 5 4 温度对气泡成核的影响7 5 5 5 振动对气泡成核的影响7 8 5 5 1 振动对气泡成核密度的影响7 8 5 5 2 振动对气泡核形态的影响8 2 5 6 本章小结8 5 结论8 7 参考文献。8 9 攻读博士期间发表的与学位论文内容相关的学术论文1 0 0 j i 变谢10 3 v i c o n t e n t c o n t e n t a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 1 0 iqq00 i i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i l l s y m b o lt a b l e x c h a p t e r ”“l i n t r o d u c t i o n l 1 1b a c k g r o u da n ds i g n i f i c a n c e 。1 1 27 】：1 l es t u d yo f b u b b l en u c l e a t i o ni nf l o wf i e l d 6 1 2 17 n l er e s e a r c hm e t h o do fb u b b l en u c l e a t i o n 6 1 2 2 1 1 l es t u d yo fs h e a rn u c l e a t i o n 7 1 2 31 l es t u d yo fs t r e t c hn u c l e a t i o n 。1 0 1 3 t y p i c a ln u c l e a t i o nt h e o r ya n di t sd e v e l o p m e n tf o rm i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s 。11 1 3 1h o m o g e n o u sn u c l e a t i o n 1 2 1 3 2h e t e r g e n o u sn u c l e a t i o nw i t hn u c l e a t i o na g e n t 。1 4 1 3 3h e t e r g e n o u sn u c l e a t i o nw i t hc a v i t y 。1 6 1 3 4t 1 1 ed e v e l o p m e n to ft y p i c a ln u c l e a t i o nt h e o r y 1 8 1 4s h e a rn u c l e a t i o nt h e o r ya n di t sd e v e l o p m e n tf o rm i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s 。2 0 1 4 1s h e a rs t r e s sn u c l e a t i o nt h e o r y 2 0 1 4 2s h e a re n e r g yn u c l e a t i o nt h e o r y 2 1 1 5d y n a m i cm o u l d i n gm e t h o do f m i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s 2 2 1 5 1p l a s t i c a t i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i cp l a s t i c a t i n ge x t r u d e r 2 2 1 5 2f e a s i b i t ya n a l y s eo f d y n a m i cm i c r o c e l l u l a rf o a m i n g 。2 3 1 6t h ec o n t e n t so ft h i sw o r k 2 4 1 7s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 2 5 c h a p t e r2t h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s s i n gf a c t o l 己si n n u e n c e d t h eb u b b l en u c l e a t i o ni nd i 烈a m i cs h e 棚n gf l o w f i e l d 2 6 2 1t h eh o m o g e n o u sn u c l e a t i o np r o c e s so fm i c r o c e l l u l a rp l a s t i c s 2 6 2 2p r o c e s s i n gf a c t o r si n f l u e n c e dt h eb u b b l en u c l e a t i o ni nd y n a m i cs h e a r i n gf l o wf i e l d 2 9 2 2 1 t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e 。2 9 2 2 2p r e s s u r ed r o pr a t e 3 2 2 2 3s h e a re f f e c t s 3 5 2 3s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 4 0 c h a p t e r3t h eh o m o g e n o u sn u c l e a t i o nt h e o r yi nd y n a m i c s h e a i u n gf l o wf i e l d 4 2 v 华南理工大学博士学位论文 3 1 ，n ke n e r g ya n a l y s i si nt h ep r o c e s so f b u b b l en u c l e a t i o n 4 2 3 2me f f e c t so fs h e a re n e r g yn u c l e a t i o nt h e o r yi ns t e a d ys h e a r i n gf l o wf i e l d 4 3 3 3ms h e a re n e r g yn u c l e a t i o nt h e o r yi nt h ef l o 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