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力化学反应熔融接枝法利用机械应力使长分子链发生断链产生自由基并与极性基团发生接枝,从而为生产使金属与塑料发生粘连的热熔胶产品制备母料。本文结合螺杆式强剪切力化学反应器的强剪切效果与磨盘式力化学反应器的设计原理,研发了一种强剪切力化学反应装置(授权专利号:ZL 201520406380.9)。以高分子熔融机理与中点断裂理论为理论基础,运用POLYFLOW仿真分析强剪切力化学反应装置的螺杆与料筒结构的变化对其流场内的熔融态聚合物运动轨迹及其在该轨迹上所受剪切应力的影响,以此为依据得出强剪切力化学反应装置核心部件螺杆与料筒结构最优结构为:螺杆螺棱宽度为6mm,螺棱断面底角为45°,料筒槽深为1mm。为了预测聚合物经该强剪切力力化学反应装置后的产物以及聚合物在强剪切力场作用下的断链过程。本文结合中点断裂理论与挤出理论将力化学反应装置流场分为输送区、拉伸区、强剪切区与混合剪切区四个区域。通过POLYFLOW软件与Materials studio软件分别进行有限元仿真与分子动力学仿真,得出给定分子量聚合物经剪切断裂后数均分子量计算方法,并通过此方法研究温度与转速对断裂过程的影响,预测聚合物断裂后分子量分布,为强剪切力化学反应装置的实验结果及生产工艺提供理论指导。根据最优方案制造样机。以温度为变量,强剪切力化学反应装置强剪切段转速调为50r/min,分别对聚苯乙烯(PS)GPPS152P在180℃、210℃、230℃、260℃下进行剪切实验,使用熔体流动速率仪测得经转速50r/min剪切温度230℃剪切力场剪切后的GPPS152P样本的熔体流动速(MFR)增大26.7%。根据本文结合Hagen-poiseuille定律与Fox-Flory理论提出的MFR-分子量换算方法计算得出该样本分子量减小了7%,说明该力化学反应装置对PS有较好的剪切效果。以转速为变量,强剪切段温度设为230℃,根据上述方法测试PS152P经过不同强剪切速度场后的分子量分布变化,得出转速升高有利于获得窄分子量分布的产品。选取GPPS152P原材料,根据MFR-分子量换算方法选取剪切温度为180℃转速50r/min,230℃下20r/min、80r/min的样本进行GPC测试,结合各温度与转速剪切后样本融指数变化得出剪切速度提高有利于剪切后样本重均分子量减小,分子量分布变窄;同时剪切温度降低,会使断链效果明显。数均分子量变小,导致分布变宽。通过测试剪切温度180℃、转速100r/min下经过4次剪切样本的分子量,得出经剪切后样本分子量降低了13%。本课题所设计的强剪切力化学反应装置能使聚合物高分子发生断链为接枝改性提供所需自由基团。且数值模拟与实验结果均证明该设备具有良好的混合性能,这说明该设备在为聚合物高分子力化学断链接枝提供诱导机械应力场的同时也利于接枝反应的充分进行。此外,本文提出的运用于宏观力场到聚合物单链所受微观力场的等效换算方法同样适用于剪切后聚合物分子量分布得预测。该方法对使用强剪切力化学反应装置及类似结构挤出装置生产用于特定产品接枝的母料的生产工艺具有指导作用。