夹缝降膜规律及熔融缩聚制备高黏聚合物的研究

The preparation of high molecular weight polymer via direct melt polycondensation is a major engineering technique challenge in polymer industry. The melt polycondensation with falling film flow has been proven to be able to provide a promising route to solve the problem in recently, thus it is of great significance to explore a novel method of falling film for the industrial preparation of fine high viscous polymers. This project originally proposes a new approach of falling film flow down a vertical clamped channel to prepare the high viscous polymers via direct melt polycondensation. In the presence of clamped channel, the flow patterns of falling film flow with a wide range of high viscous polymer fluids will be predicted numerically and validated experimentally, then the impact of parameters of falling film on flow behavior will be described quantitively. Based on the knowledge of diffusion motion of bubble, the diffusion model of bubble in polymer fluids could be achieved. The couple correlation between bubble diffusion in falling film flow and polymer devolatilization will be understood to facilitate the interpretation of melt polycondensation to increase the molecular weight of polymer. Finally, melt polycondensation will be conducted to prepare industrial scale high viscous poly(ethylene terephthalate) in a reactor equipped optimized vertical clamped channel. The research will contribute to the breakthrough of preparation route of melt polycondensation with falling film flow and provide a new solution and theoretical support for the efficient and green production of fine high viscous polymers.

熔融缩聚直接制备高黏聚合物是高分子工业中的重大工程技术难题，降膜式熔融缩聚法最近被证明是攻克这一关键技术瓶颈的有效途径，探索新型降膜方式对于工业化制备高品质高黏聚合物具有重要意义。项目创新性地提出垂直夹缝降膜熔融缩聚方法，构建两侧受限的垂直夹缝降膜通道，采用数值模拟方法并结合冷模实验验证，研究重力驱动下高黏聚合物流体的降膜流动规律，探明夹缝通道结构与聚合物流体垂直降膜流动性能之间的构效关系，考察高黏聚合物流体内气泡的运动和形态演变过程，阐明降膜流动特性、气泡扩散运动和熔融缩聚增黏反应之间的耦合关系。在此基础上，优化夹缝降膜流场结构，实施降膜熔融缩聚反应制备高品质工业丝级高黏聚酯熔体，阐明降膜熔融缩聚的增黏反应动力学，揭示熔体降膜流动特性与聚合产物质量之间的内在联系。项目将为熔融缩聚制备高品质高分子量聚合物开拓新思路，并为降膜熔融缩聚法的工业化应用提供新方案。

为发展降膜熔融缩聚制备高黏聚合物熔体这一高分子工业新技术，项目提出构建强化支撑聚合物降膜流动作用的新型夹缝降膜通道结构，探索高黏流体降膜流动规律，实施熔融缩聚反应制备高黏聚酯黏熔体。在项目资助下，团队不断改进基于不同支撑面结构的数值计算模型和计算策略，新开发了变黏流体、负压流场环境和降膜流体内生气泡的降膜流动特性研究，围绕管外单侧壁面支撑降膜、双侧受限夹缝降膜及沟槽形多壁面支撑的降膜流动规律，发现高黏聚合物流体夹缝降膜流型转变可由通道结构、流体黏度和操作流量综合调控，基于数值模拟、冷模实验和热态熔融缩聚实验现象表明夹缝降膜流动表面更新频率高、停留时间分布窄，可控性强，其流动模式接近于理想的平推流。建立高黏流体降膜流动中的气泡扩散运动行为模拟方法，可通过气泡的形变量来分析减压环境对气泡脱挥的强化作用。开发了控制熔体膜厚的薄膜片熔融缩聚研究方法，建立基于膜厚可控的液相增黏反应动力学模型，并基于时间分辨流变方法研究薄膜状的聚酯熔体在高温熔融态下缩聚反应过程中的黏弹性变化，研究了聚酯熔融再缩聚过程及其传质动力影响，表面更新受限的熔体膜反应仍具有较高效率，链增长反应取决于熔体膜厚及其相关的传质面积、停留时间、压力、反应温度等因素，热降解反应对聚合产物品质影响明显。根据高黏聚合物降膜流动规律、物性-反应器结构-工艺构效关系的理论研究成果的基础上，结合聚酯工业丝纺程聚集态结构和性能演变规律，进一步探索解决了反应器工业化实施中存在的熔体流动均匀性和运行难题，并开展了高效降膜反应器在生产工业丝用高黏聚酯的转化应用推广工作。现已完成项目计划中的任务，发表学术论文10篇，其中SCI收录7篇；申请发明专利3项，培养毕业博士研究生1名，硕士研究生5名。