聚合物塑化过程流动特性与强化传热机理研究

Plasticization inhomogeneous is considered to be an important cause of precision injection products defects. Design theory of existing injection molding machine screw plasticizing system is mainly based on the principle of heat conduction, focusing only on the axial temperature distribution and the overall plasticizing capacity with lacking of research for the screw radial and circumferential of enhanced heat transfer and mass transfer mechanism. Due to polymer high viscosity, poor thermal conductivity, and low heat transfer efficiency in plasticizing process, with large differences in thermal process of materials, and poor uniformity of plasticizing system, it is difficult to meet the development requirements of precision injection molding technology, so heat transfer enhancement problems of the plasticizing process need to be urgently solved . For this reason, the applicant had proposed a new idea，which is melt calculus screw， in order to enhance heat transfer and plasticization efficiently. Based on the field of synergy theory, and in order to improve the uniformity of the polymer plasticizing system, numerical calculation, visualization experiments and multi-parameter monitoring experiments will be used to study the practical effect or mechanism and to reveal the influence of the main structure parameters or process conditions. The new method is proposed to solve the problem of plasticization inhomogeneous, provide theoretical guidance for the development and application of high-precision plastic injection molding equipment, and to expand the application of field synergy theory in the high viscosity of non-Newtonian fluids.

塑化不均是导致精密注塑制品缺陷的重要原因。现有注塑机螺杆塑化系统的设计理论主要是基于热传导原理，仅仅关注螺杆轴向温度分布和总体塑化能力，对螺杆径向和周向强化传热与传质机理和方法研究不足。由于聚合物黏度大、导热差，塑化过程普遍存在传热效率低、材料热历程差异大、塑化均匀性差等问题，难以满足精密注塑成型加工技术的发展要求，迫切需要解决塑化过程强化传热的问题。为此，申请人提出聚合物熔体微积分强化对流传热与高效塑化的新思路。在场协同理论基础上，以提高聚合物塑化均匀性为目标，通过数值计算、冷态可视化实验、热态多参数在线监测实验等手段，研究其实际效果及机理，揭示主要结构参数和工艺条件对强化传热与均匀塑化的影响规律，提出场协同强化传热高效节能螺杆塑化新方法，解决塑化不均的难题，为塑料精密注射成型高端装备的研发与应用提供理论指导，拓展场协同理论在高黏度非牛顿流体强化传热领域的新知识。

聚合物塑化过程的强制对流和强化传热过程对聚合物的熔融与塑化具有至关重要的影响，而聚合物塑化均匀性又将直接影响最终制品质量和制品性能。因此对聚合物塑化过程热的有效管理和温差场均匀性的有效控制具有重要的现实意义。本项目基于聚合物多场协同强化对流传热与高效塑化的新思路，创新设计新型扭转元件并对其混合与传热机理进行了探究，提出了场协同强化传热高效塑化的螺杆塑化新方法，为聚合物精密成型及高性能材料的研发与应用提供理论指导。主要创新研究结论如下：. (1) 创新提出了聚合物流动混合过程的熵增效应与聚合物流动传热过程的协同效应。论证了粒子的无规化发展是引起混合的本质因素，包括位移无规化和粒径无规化；同时论证了速度场、剪切速率场、速度梯度场、温度梯度场等物理场之间的协同耦合关系；并验证了聚合物加工场协同理论的可行性，为指导螺杆结构设计提供了新的理论依据。. (2) 创新设计了新型强化传热与高效混炼的扭转元件及场协同螺杆，分析了扭转元件的混合模型、传热模型和熔融模型。该扭转元件增加了粒子的物质熵和场协同性，对聚合物流体具有分流汇流和扭转翻滚的作用，有利于聚合物流体的混合与传热及其温度均匀性。. (3) 扭转元件的引入使聚合物在流道中获得了局部螺旋流/涡流，强化了流体径向传质，提高了聚合物熔体的混合和塑化性能，使聚合物熔体的温度分布、黏度分布等物性参数更加均匀。. (4) 扭转元件的引入提高了速度场与温度梯度场之间的协同性，具有很好的对流换热性能，达到了强化传热的目的。扭转元件数量和排布对聚合物熔融特性和传热特性均有明显影响。. (5) 建立了聚合物塑化过程中螺杆性能的综合评价体系，实现了螺杆性能的多目标决策和综合评价，为定量评估螺杆对聚合物塑化过程性能的影响力水平，开辟了一条新的道路。. 在本项目的支持下，发表各类学术论文31篇，其中SCI/EI收录14篇；累计申请国家发明专利28项，获授权发明专利13项；培养博士研究生1名，硕士研究生4名。