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超临界流体微孔注射成型中成核分布的研究

作　者: 刘艳龙
导　师: 申长雨；李海梅
学　校: 郑州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 微孔注射成型均相成核 LGT理论模型随机分布图形显示
分类号: TQ320.662
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

气泡成核阶段是控制泡体质量的关键阶段,直接决定着泡孔的密度和分布。本文采用超临界流体CO2作为物理发泡剂用于微孔塑料PS的注射成型,以微孔塑料的经典成核理论为基础,探索性地研究了注射压力P、熔体温度T对泡核密度及其分布的影响。微孔注射成型过程中,由于没有第三相的存在,可以利用微孔经典成核理论中的均相成核去解释成型过程中泡核的产生。根据均相成核速率公式,在超临界流体浓度恒定的情况下,界面张力预测的准确与否是计算成核速率的关键。基于此,本文建立了不同的界面张力模型：聚合物PVT性质表征模型和LGT理论模型。聚合物PVT性质表征模型是较早地应用于求解混合液界面张力的模型,本文主要对该模型进行了以下两个方面的改进：(1).将Tait经验状态方程应用于求解聚合物熔体的PVT物理状态参数,改变恒定熔体密度的一贯做法,使熔体密度随着压力P、温度T的变化而变化。(2).将S_L状态方程应用于求解聚合物熔体/超临界流体混合体系的密度,不再使用各组分密度加合的方法,较准确地预测混合体系在不同压力P、温度T下的密度。LGT理论模型需要结合S_L状态方程来预测混合体系的界面张力,形式比较复杂。但在准确获取S_L状态方程的相互作用参数的前提下,它能够较准确的描述界面张力受压力P、温度T影响的变化趋势。将两种模型分别与相关文献实验数据进行对比,发现聚合物PVT性质表征模型所计算的界面张力与实验数据随压力的变化有着截然不同的趋势,而LGT理论模型则吻合的较好,因此本文采用后者来进行微孔注射成型中成核速率的计算。由于受国内实验条件的限制,无法准确验证成核密度模型的正确性。由计算结果可知：微孔注射成型中产生泡核的数量受注射压力的影响要比熔体温度大,且随着压力的升高而增大,温度的升高而减少。最后,由于聚合物熔体/超临界流体均相体系在型腔中的流动行为非常复杂,使得泡核形成的分布充满不确定性。为此,本文采用Visual C++中的随机种子函数并以系统时间为种子,实现了超临界流体成核的随机分布,有助于提高计算机仿真模拟分析的精度。在此基础上调用Matlab引擎利用Visual C++与Matlab数据共享编程的方法,实现超临界流体成核的随机分布显示,将数据可视化,有助于科研人员对计算数据的分布、趋势特性有更加直观地认识。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
符号说明  11-13
第1章绪论  13-27
  1.1 本课题的研究背景和意义  13-15
    1.1.1 研究背景  13-14
    1.1.2 研究意义  14-15
  1.2 微孔塑料的制备方法  15-17
  1.3 微孔注射成型技术  17-19
    1.3.1 微孔注射成型的工艺特点  17-18
    1.3.2 微孔注射成型的主要参数  18
    1.3.3 微孔注射成型技术的发展  18-19
  1.4 微孔塑料成核机理的研究  19-26
    1.4.1 气泡核的形成机理  19-20
    1.4.2 成核机理的研究进展  20-26
  1.5 本课题的主要研究内容和目标  26
  1.6 本章小结  26-27
第2章微孔注射成型气泡成核的数学模型  27-50
  2.1 微孔发泡成核的经典成核理论  27-30
    2.1.1 均相成核  27-28
    2.1.2 非均相成核  28-29
    2.1.3 空穴成核  29-30
  2.2 成核密度模型  30-36
    2.2.1 均相成核的热力学分析  30-33
    2.2.2 均相成核速率  33-35
    2.2.3 均相成核密度  35-36
  2.3 成核密度模型的修正  36-48
    2.3.1 聚合物PVT性质的表征  36-37
    2.3.2 超临界流体PVT性质的表征  37-39
    2.3.3 超临界流体在聚合物中的溶解度  39-42
    2.3.4 聚合物/气体混合液的界面张力模型  42-48
      2.3.4.1 利用聚合物性质求解  43-44
      2.3.4.2 利用自由能变化求解  44
      2.3.4.3 LGT理论模型  44-48
  2.4 泡核的分布  48-49
  2.5 本章小结  49-50
第3章成核密度模型的计算分析及图形显示  50-67
  3.1 成核密度模型的计算  50-59
    3.1.1 超临界CO_2溶解度的确定  50-51
    3.1.2 混合液界面张力模型的计算  51-58
      3.1.2.1 利用聚合物性质求解界面张力  51-56
      3.1.2.2 利用LGT理论模型求解界面张力  56
      3.1.2.3 界面张力模型的比较与取舍  56-58
    3.1.3 成核密度的计算  58-59
  3.2 计算与实验数据的比较  59-61
  3.3 成核分布的图形显示  61-66
    3.3.1 图形显示程序介绍  61-63
    3.3.2 不同成型参数下成核密度的随机分布  63-66
  3.4 本章小结  66-67
第4章成核模型在CAE数值模拟中的应用  67-72
  4.1 Moldflow模拟说明  67-69
    4.1.1 模型尺寸及考查对象  67-68
    4.1.2 模拟成型参数的设置  68-69
  4.2 成核密度对最终泡孔直径的影响  69-71
  4.3 本章小结  71-72
第5章总结与展望  72-75
  5.1 总结  72-73
  5.2 展望  73-75
参考文献  75-84
致谢  84

超临界流体微孔注射成型中成核分布的研究

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