《聚合物反應擠出過程的多尺度模擬及過程控制研究》是依託山東大學，由張敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：聚合物反應擠出過程的多尺度模擬及過程控制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張敏
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本課題針對反應擠出加工方法製備功能性聚合物材料，開展巨觀尺度、介觀尺度的計算機模擬，並在此基礎上進行擠出過程的反應控制研究。基於均場密度泛函理論，建立介觀尺度模型，定量分析分子鏈結構、聚集態結構對於材料性能的影響。研究介觀尺度與巨觀尺度的橋接技術，建立聚合物在雙螺桿擠出機中反應擠出的反應動力學模型、流動模型和傳熱模型。以聚丙烯改性反應擠出過程為例，研究化學流變性能的影響因素，揭示流場對材料化學流變行為的作用。引入隨機最佳化理論，以按需設計為目標，實現化學反應、高分子材料結構與形態、流體流變行為、材料性能以及極限加工條件的預測與控制。.通過開展巨觀尺度與介觀尺度的數值模擬，可以解決反應擠出過程中材料結構、流變性質及其關係等基本科學問題，提高新型功能性聚合物材料性能的穩定性，對促進高分子反應擠出技術的發展具有重要的理論意義與實際套用價值。
結題摘要
本課題針對反應擠出加工方法製備功能性聚合物材料，開展了巨觀尺度、介觀尺度、微觀尺度的計算機模擬，並進行了反應擠出過程的最佳化設計。利用分子動力學模擬方法獲得的內聚能密度計算了聚合物共混體系的Flory-Huggins 參數。分析了聚合物分子鏈結構對溶度參數以及組分含量對Flory-Huggins參數的影響。基於均場密度泛函理論，建立了多種高分子聚合物二元共混與三元共混體系的介觀動力學模型，通過數值模擬獲得了體系的自由能密度、微觀結構及相分離形態隨時間的變化，並定量分析了組分含量以及增容劑對體系微觀結構、物相密度分布等的影響。通過實驗方法獲得了改性聚丙烯製品的材料性能和微觀形貌，分析了形貌與巨觀性能之間的關係，並驗證了介觀動力學模擬的結論。建立了丙烯酸類單體接枝聚乙烯反應擠出過程的反應動力學模型、流動模型和傳熱模型，研究了化學流變性能的影響因素，揭示了流場對材料化學流變行為的作用，給出了提高接枝度與接枝效率的有效方法。引入隨機最佳化理論，把聚合反應擠出的單體轉化率限制和反應效率作為目標函式，以螺桿幾何尺寸、流體外場溫度等參數作為決策變數，把反應擠出過程數值模擬方法作為目標函式求解方法，以遺傳算法搜尋決策變數的最優數值，建立了反應擠出過程最佳化設計系統，實現了對化學反應控制、流體流變行為控制以及設備參數與工藝參數的預測與控制。通過開展巨觀尺度、介觀尺度與微觀尺度的數值模擬，解決了聚合物反應擠出過程中材料結構、流變性質與製品巨觀性能之間關係等基本科學問題，對於提高新型功能性聚合物材料性能的穩定性有實際意義。
