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木塑(WPC)细孔泡沫材料具有质轻、价廉和木材外观等优点,可用于建筑和装饰领域。超临界二氧化碳(Sc-CO2)作为一种新型、环保的物理发泡剂,具有高溶解度、高扩散系数、低黏度、不可燃等优点,正被广泛用于泡沫材料的制备。本文对WPC的流变性能、Sc-CO2在WPC中的溶解、发泡机头内的流场模拟、WPC泡沫材料的制备及泡孔形态等进行深入的研究,建立了WPC泡沫材料加工参数-流变-泡孔形态之间的关系。
制备木纤维分散均匀的WPC是得到均匀泡孔结构的WPC泡沫材料的首要条件。因此,本文研究了三种混炼流场、四种螺杆转速和润滑剂的加入对WPC中木纤维分散均匀性的影响。结果表明,当螺杆结构和螺杆转速共同作用使得挤出机内流场为中等的分散、分布混炼,材料含有偶联剂和润滑剂时,所制备的WPC中木纤维分散均匀。
本文采用狭缝机头和旋转流变仪,分别测量了不同木纤维含量和温度下WPC的在线剪切黏度和动态黏弹性能。继而,通过安装在挤出发泡系统末端的高压狭缝机头,测量了WPC/Sc-CO2混合物的在线剪切黏度,并基于Carreau-Yasuda模型和自由体积理论建立了WPC/Sc-CO2混合物的剪切黏度模型。
根据本文建立的WPC/Sc-CO2混合物剪切黏度模型,采用有限元软件Polyflow对不同尺寸的毛细管机头内流场进行了数值模拟。通过模拟得到的沿机头流动方向的压力和速度曲线,结合磁悬浮天平测量的Sc-CO2在高密度聚乙烯中的平衡溶解度,获得机头压力降速率和成核点位置,最终得到适合制备WPC泡沫材料的机头尺寸。采用同样的方法,分析温度、Sc-CO2含量、木纤维含量对机头压力降速率和成核点位置的影响。
采用单螺杆挤出发泡系统和数值模拟得到的适合制备WPC泡沫材料的机头,制备了WPC细孔泡沫材料,并分析了温度和Sc-CO2含量对泡孔形态的影响。所制备的WPC细孔泡沫材料的泡孔平均直径都小于50μm,泡孔密度都大于8.8×105 cells/cm3。本文还建立WPC的复数黏度、损耗角与WPC细孔泡沫材料泡孔形态的关系。
根据WPC泡沫材料泡孔形态的实验数据,本文建立了BP神经网络模型,用于综合分析木纤维含量、温度和Sc-CO2含量与WPC泡沫材料泡孔形态之间的关系。