聚合物塑化過程流動特性與強化傳熱機理研究

《聚合物塑化過程流動特性與強化傳熱機理研究》是依託北京化工大學，由楊衛民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聚合物塑化過程流動特性與強化傳熱機理研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊衛民

項目摘要

塑化不均是導致精密注塑製品缺陷的重要原因。現有注塑機螺桿塑化系統的設計理論主要是基於熱傳導原理，僅僅關注螺桿軸向溫度分布和總體塑化能力，對螺桿徑向和周向強化傳熱與傳質機理和方法研究不足。由於聚合物黏度大、導熱差，塑化過程普遍存在傳熱效率低、材料熱歷程差異大、塑化均勻性差等問題，難以滿足精密注塑成型加工技術的發展要求，迫切需要解決塑化過程強化傳熱的問題。為此，申請人提出聚合物熔體微積分強化對流傳熱與高效塑化的新思路。在場協同理論基礎上，以提高聚合物塑化均勻性為目標，通過數值計算、冷態可視化實驗、熱態多參數線上監測實驗等手段，研究其實際效果及機理，揭示主要結構參數和工藝條件對強化傳熱與均勻塑化的影響規律，提出場協同強化傳熱高效節能螺桿塑化新方法，解決塑化不均的難題，為塑膠精密注射成型高端裝備的研發與套用提供理論指導，拓展場協同理論在高黏度非牛頓流體強化傳熱領域的新知識。

結題摘要

聚合物塑化過程的強制對流和強化傳熱過程對聚合物的熔融與塑化具有至關重要的影響，而聚合物塑化均勻性又將直接影響最終製品質量和製品性能。因此對聚合物塑化過程熱的有效管理和溫差場均勻性的有效控制具有重要的現實意義。本項目基於聚合物多場協同強化對流傳熱與高效塑化的新思路，創新設計新型扭轉元件並對其混合與傳熱機理進行了探究，提出了場協同強化傳熱高效塑化的螺桿塑化新方法，為聚合物精密成型及高性能材料的研發與套用提供理論指導。主要創新研究結論如下： (1) 創新提出了聚合物流動混合過程的熵增效應與聚合物流動傳熱過程的協同效應。論證了粒子的無規化發展是引起混合的本質因素，包括位移無規化和粒徑無規化；同時論證了速度場、剪下速率場、速度梯度場、溫度梯度場等物理場之間的協同耦合關係；並驗證了聚合物加工場協同理論的可行性，為指導螺桿結構設計提供了新的理論依據。 (2) 創新設計了新型強化傳熱與高效混煉的扭轉元件及場協同螺桿，分析了扭轉元件的混合模型、傳熱模型和熔融模型。該扭轉元件增加了粒子的物質熵和場協同性，對聚合物流體具有分流匯流和扭轉翻滾的作用，有利於聚合物流體的混合與傳熱及其溫度均勻性。 (3) 扭轉元件的引入使聚合物在流道中獲得了局部螺旋流/渦流，強化了流體徑向傳質，提高了聚合物熔體的混合和塑化性能，使聚合物熔體的溫度分布、黏度分布等物性參數更加均勻。 (4) 扭轉元件的引入提高了速度場與溫度梯度場之間的協同性，具有很好的對流換熱性能，達到了強化傳熱的目的。扭轉元件數量和排布對聚合物熔融特性和傳熱特性均有明顯影響。 (5) 建立了聚合物塑化過程中螺桿性能的綜合評價體系，實現了螺桿性能的多目標決策和綜合評價，為定量評估螺桿對聚合物塑化過程性能的影響力水平，開闢了一條新的道路。 在本項目的支持下，發表各類學術論文26篇，其中SCI/EI收錄6篇；累計申請國家發明專利19項，獲授權發明專利12項；培養博士研究生1名，碩士研究生4名。