论文部分内容阅读
为增强发射药成型过程中的流动性，本文提出了超临界二氧化碳(SC-CO2)辅助发射药螺杆挤出成型新工艺。根据SC-CO2辅助聚合物挤出成型的原理，结合发射药的生产要求，设计出一套适用于SC-CO2辅助发射药挤出成型的设备;通过该设备研究了SC-CO2的注入对发射药代料醋酸纤维素(CA)溶液在线流变性能的影响，以及不同工艺条件下CA溶液和CA/SC-CO2溶液的在线流变曲线;利用实验所得的流变参数，对CA溶液和CA/SC-CO2溶液在挤出机机筒和机头内的流动情况进行了数值模拟。具体研究内容如下: 1.通过重量分析法和Fick扩散定律，对CO2在CA中的溶解和扩散行为进行研究，确定不同工艺条件下CO2的最大注气流量。研究结果表明:CO2在CA中的吸收量随着饱和时间的增长先增大，大约10h后达到溶解平衡并保持稳定。饱和温度的增大引起CO2吸收量的显著减小，而饱和压力的增大使CO2吸收量小幅增大。共溶剂的加入，不仅能够显著提高CO2吸收量，还促进了CA对CO2的吸收过程，有利于迅速形成CA/SC-CO2均相体系。 2.利用安装在挤出机机头处的狭缝流变仪，实时表征CA溶液和CA/SC-CO2溶液挤出成型过程中的在线流变行为。结果表明，CA溶液和CA/SC-CO2溶液都是假塑性流体，幂律方程是描述其流动状态的理想方程。SC-CO2的注入使得CA溶液自由体积增大，分子链段缠结减少，当剪切速率10s-1、加工温度55℃，溶剂比1.20mL·g-1时，CA溶液和CA/SC-CO2溶液的剪切粘度分别为2.83kPa·s、2.40kPa·s，后者比前者下降了15.25％，因此SC-CO2是CA溶液的理想增塑剂。加工温度的提高不仅增大CA溶液的自由体积，还增强CA分子链段的运动能力和SC-CO2流体的扩散能力，使CA/SC-CO2溶液的粘度降低;但也引起了SC-CO2流体与CA基体之间相互作用力的减弱，降低了CO2的吸收量，减弱了SC-CO2的增塑作用。提高溶剂比和CO2注气流量，能够增大物料自由体积，使得CA溶液中分子链段的缠结浓度和分子链之间的作用力降低，物料流动性增强。注气口离加料口较近时，CA溶液能够尽早地吸收SC-CO2，延长了CA/SC-CO2溶液在挤出机内的停留时间，增强CA/SC-CO2溶液的塑化效果，降低剪切粘度。 3.利用仿真软件Polyflow对挤出成型过程中CA溶液和CA/SC-CO2溶液在机筒内的流动过程进行数值模拟。结果表明机筒内物料的压力沿物料流动方向不断增大，螺棱推力面压力高于螺棱拖拽面的压力，螺槽深度较大处物料的剪切速率较小，剪切粘度较大。注入CO2流体后，CA/SC-CO2溶液在机筒内的压力值和剪切粘度值都有所下降，表明SC-CO2辅助CA溶液的挤出成型过程可以有效降低物料的挤出压力，提高物料的流动性。随着加工温度、溶剂比和CO2注气流量的增大，CA溶液和CA/SC-CO2溶液的平均剪切粘度不断降低。根据数值模拟的结果，通过调节挤出成型过程中螺杆转速，使得塑化段物料的压力高于SC-CO2的临界压力和注气压力，物料形成有效“液封”，确保了SC-CO2辅助CA溶液挤出成型连续、稳定的注气过程。 4.通过Polyflow模拟了挤出成型过程中CA溶液和CA/SC-CO2溶液在机头内的流动情况。结果表明物料的压力分布沿着流动方向不断减小，在流道入口处压力值最大，出口处压力值接近于大气压。流道中间部分物料的流速大，流道壁面的流速较低，因此流道中间区域剪切速率高，剪切粘度低。SC-CO2的注入能够降低机头流道内CA溶液的压力和剪切粘度，当螺杆转速10r·min-1、加工温度45℃、溶剂比1.20mL·g-1、注气流量0.20mL·min-1时，流道入口压力由12.91MPa（CA溶液）降低到11.77MPa（CA/SC-CO2溶液），下降了8.83％，平均剪切粘度则由6.18kPa·s（CA溶液）降低到3.00kPa·s（CA/SC-CO2溶液），物料流速也显著增大。加工温度、溶剂比和CO2注气流量的增大，都将引起CA溶液和CA/SC-CO2溶液在机头内的压力、流道入口压力、压力降和剪切粘度的不断减小。当加工温度由45℃增大到50℃时，CA/SC-CO2溶液的流道入口压力由11.77MPa降低至9.85MPa，下降了16.31％。当溶剂比由1.10mL·g-1提高至1.15mL·g-1，CA/SC-CO2溶液流道入口压力由15.01MPa降至11.99MPa，降低了3.02MPa。 5.实验测量和数值模拟的结果都表明，SC-CO2辅助CA溶液挤出成型的过程中，注入的SC-CO2能够在保证物料流变性能的前提下，替代物料中的部分溶剂，降低溶剂比和加工温度，同时通过改变CO2的注气流量调节物料的流动性，从而实现挤出成型过程中对物料溶剂比和加工温度的控制。加工温度50℃，溶剂比1.20mL·g-1，CO2注气流量0.20mL·min-1时，SC-CO2的注入等效于将CA溶液的溶剂比增大至1.30mL·g-1或加工温度提高至55℃。