摘要
随着人类对塑料制品的需求不断提高，低成本、低密度、高强度的塑料材料的制造得到广泛的关注，在“碳中和”的背景下，对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和超临界CO2微孔发泡材料的研究成为新的热点。微孔发泡是指气泡直径在10μm数量级，气泡密度大于108cells/cm3的发泡材料。PET材料具有可回收性，CO2气体具有制造成本低、安全性高等优点，PET超临界CO2微孔发泡板材具有机械性能好、抗疲劳性高、吸水性低、热稳定性高可在高温环境下使用等优点。但是PET在连续挤出过程中，容易产生气泡破裂、分布不均匀的现象，导致PET微孔发泡板材机械性能下降。 本文设计了一种适用于单阶同向双螺杆挤出机系统的PET微孔发泡挤出模具，通过计算流体动力学（CFD）软件Fluent，将模具流道简化建立物理模型，研究了PET微孔发泡的挤出过程的数值模拟方法。为了准确模拟聚合物均相溶液的挤出过程，分析了发泡过程的理论模型，研究了在Fluent软件中实现粘弹性非牛顿流体的气液两相流高压挤出过程的数值模拟方法。从微观角度研究单气泡在剪切流场中挤出的稳定性，从宏观角度研究聚合物均相溶液挤出过程中气泡分布均匀性，最后进行了实验验证。具体的研究工作如下： 1.介绍了一种单阶同向双螺杆PET超临界CO2微孔发泡板材挤出系统，设计了一种PET微孔发泡挤出模具，研究了气泡在挤出流道中的成核与生长过程的理论模型。分析了PET均相溶液在挤出过程中的流动状态，采用充分发展的入口流动模型，描述PET的动态挤出流动。 2.在FLUENT软件中编写了能够准确描述PET熔体挤出流动的用户自定义函数（UDF）程序，在圆管形剪切流场中，模拟微观下超临界CO2气泡在流道内受到剪切作用时的挤出状态，研究气泡挤出在挤出过程中的稳定性。对比模拟结果，发现剪切速率增加是造成气泡长径比增加的主要因素，挤出速度对气泡长径比影响较小，聚合物流变指数和表面张力的增加有利于超临界CO2气泡在挤出过程中保持稳定。 3.基于群体平衡模型(CFD-PBM)，采用本文设计的挤出模具，模拟了在挤出过程中的气泡分布现象，研究工艺条件对气泡分布均匀性的影响。对比模拟结果发现，在60°口模板收敛角条件下，整个出口区域气泡尺寸分布更加均匀，通过提高挤出速度以及在满足发泡倍率的前提下减少超临界CO2的初始体积分数可以提高气泡分布均匀性。 4.采用单阶通向双螺杆PET微孔发泡板材挤出系统进行了挤出实验，通过SEM观察气泡分布，对比实验结果与数值模拟结果，验证建立的仿真模型能够准确地模拟PET微孔发泡挤出过程，提出PET超临界CO2微孔发泡挤出工艺的优化方案。
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