聚合物反应挤出过程的多尺度模拟及过程控制研究

本课题针对反应挤出加工方法制备功能性聚合物材料，开展宏观尺度、介观尺度的计算机模拟，并在此基础上进行挤出过程的反应控制研究。基于均场密度泛函理论，建立介观尺度模型，定量分析分子链结构、聚集态结构对于材料性能的影响。研究介观尺度与宏观尺度的桥接技术，建立聚合物在双螺杆挤出机中反应挤出的反应动力学模型、流动模型和传热模型。以聚丙烯改性反应挤出过程为例，研究化学流变性能的影响因素，揭示流场对材料化学流变行为的作用。引入随机优化理论，以按需设计为目标，实现化学反应、高分子材料结构与形态、流体流变行为、材料性能以及极限加工条件的预测与控制。.通过开展宏观尺度与介观尺度的数值模拟，可以解决反应挤出过程中材料结构、流变性质及其关系等基本科学问题，提高新型功能性聚合物材料性能的稳定性，对促进高分子反应挤出技术的发展具有重要的理论意义与实际应用价值。

本课题针对反应挤出加工方法制备功能性聚合物材料，开展了宏观尺度、介观尺度、微观尺度的计算机模拟，并进行了反应挤出过程的优化设计。利用分子动力学模拟方法获得的内聚能密度计算了聚合物共混体系的Flory-Huggins 参数。分析了聚合物分子链结构对溶度参数以及组分含量对Flory-Huggins参数的影响。基于均场密度泛函理论，建立了多种高分子聚合物二元共混与三元共混体系的介观动力学模型，通过数值模拟获得了体系的自由能密度、微观结构及相分离形态随时间的变化，并定量分析了组分含量以及增容剂对体系微观结构、物相密度分布等的影响。通过实验方法获得了改性聚丙烯制品的材料性能和微观形貌，分析了形貌与宏观性能之间的关系，并验证了介观动力学模拟的结论。建立了丙烯酸类单体接枝聚乙烯反应挤出过程的反应动力学模型、流动模型和传热模型，研究了化学流变性能的影响因素，揭示了流场对材料化学流变行为的作用，给出了提高接枝度与接枝效率的有效方法。引入随机优化理论，把聚合反应挤出的单体转化率限制和反应效率作为目标函数，以螺杆几何尺寸、流体外场温度等参数作为决策变量，把反应挤出过程数值模拟方法作为目标函数求解方法，以遗传算法搜索决策变量的最优数值，建立了反应挤出过程优化设计系统，实现了对化学反应控制、流体流变行为控制以及设备参数与工艺参数的预测与控制。通过开展宏观尺度、介观尺度与微观尺度的数值模拟，解决了聚合物反应挤出过程中材料结构、流变性质与制品宏观性能之间关系等基本科学问题，对于提高新型功能性聚合物材料性能的稳定性有实际意义。