塑料异型材气体辅助共挤出成型的实验和理论研究

摘要

气辅共挤成型技术是一种新型的塑料成型工艺,因为口模内壁与塑料熔体表面之间存在稳定的气垫膜层,使得熔体在口模内的挤出方式由非滑移的黏着剪切流动转换为完全滑移的非黏着剪切流动,可有效减小共挤出胀大、黏性包围和界面不稳定等现象,基本能实现规则截面制品的精密共挤。本文将气体辅助技术与不规则截面塑料异型材共挤技术结合在一起,形成不规则截面塑料异型材气辅共挤成型技术,并采用实验和数值模拟相结合的研究方法对其进行深入研究,以期实现不规则截面制品的精密共挤。本文主要研究内容概括如下:
　　1.搭建了直线型异型材气辅共挤实验装置,设计加工了L型截面异型材上下分层和芯壳分层气辅共挤口模,完成了整套直线型异型材气辅共挤实验装置的安装和调试,并进行了深入的实验研究。研究结果表明:(1)除气体压力、温度、螺杆与气阀的开启顺序外,口模设计时预留的气垫层厚、熔体流率(单位流率比)、物料特性、牵引力等都是影响稳定气垫膜层形成的重要因素;(2)在相同的工艺条件下,气辅共挤比传统共挤产量要大,而且产量增幅随着挤出熔体黏度的增大而增大,如两种PP共挤时,气辅共挤产量增率为1.76％~4.65%,而PP和比之黏度较高的HDPE共挤时,气辅共挤产量增率高达12.95%;(3)实验过程参数对传统共挤成型的影响较大,而对稳定气辅共挤成型的影响较小,无论实验过程参数如何变化,气辅共挤成型过程中,在无外力的作用下,熔体离开口模时,其截面形状和尺寸均能与口模截面形状和尺寸保持一致,实现了直线型异型材的精密共挤;(4)传统共挤制品与稳定气辅共挤制品表面质量无明显差异,且当两熔体流率相等、气体压力和温度接近熔体压力和温度时,气辅共挤制品表面质量达到最佳。
　　2.将气体简化为不可压缩流体,建立了L型截面异型材上下分层气-液-液多相共挤成型的三维非等温数值模型;将气体简化为完全滑移边界条件,建立了两相气辅共挤成型的三维非等温数值模型。采用CFD软件对两种模型进行了数值模拟,并对模拟结果进行了对比和分析。研究结果表明:(1)气辅共挤段前设有5mm传统共挤段时,能保证两熔体在气体进入口模前已粘合紧密,共挤出过程中即使气压稍大也不会产生气槽;(2)在能实现稳定气辅共挤的条件下,选择较小的气压和较小的气垫层厚均有利于提高制品的形状和尺寸精度;(3)以两种不同方式简化气体模拟所得口模内熔体的流场基本一致,但两者模拟所得口模出口端熔体边界和层间界面形貌略有不同。
　　3.建立了不规则截面形状异型材双层共挤成型口模内外熔体流动的三维数值模型,并对其进行了模拟研究。研究结果表明:(1)传统共挤成型时,因口模出口端面上熔体存在二次流动,使得熔体离开口模后出现离模膨胀现象,因沿挤出方向的速度呈梯度分布,且低黏度熔体速度大于高黏度熔体速度,使得熔体离开口模后出现低黏度熔体向高黏度熔体一侧偏转的现象,而气辅共挤成型时,口模出口端面上熔体不存在二次流动,且沿挤出方向的速度均匀一致,使得熔体离开口模后既无离模膨胀行为,亦无偏转变形行为;(2)传统共挤成型时,口模内熔体压力从入口处到出口处基本成线性减小至零值,且压力降随着熔体黏度的增大而增大,如黏度为15000Pa·s的HDPE熔体在口模内的压降为0.20MPa,黏度为4688Pa·s的PP熔体在口模内的压降为0.11MPa,而气辅共挤成型时,口模内整个气辅共挤段熔体的压力接近零值,不存在压力降;(3)传统共挤成型时,口模内壁熔体的剪切速率和应力分布不均匀,并在直线型异型材内直角处和曲线型异型材直线与圆弧交接处、圆弧与圆弧交接处集中且达到最大值,剪切速率和应力集中的部位即为熔体离开口模后变形最严重的部位,而气辅共挤成型时,口模内壁熔体的剪切速率和应力值均接近零值,表明异型材离开口模后无明显变形;(4)工艺参数和物料特性对传统共挤成型的影响较大,对气辅共挤成型的影响较小。模拟研究结果很好解释了实验过程中的现象,如相同能耗下,气辅共挤产量大于传统共挤产量;无外力作用时,传统共挤熔体离开口模后发生明显胀大和变形现象,而气辅共挤熔体离开口模后则能保持其形状和尺寸与口模一致。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物共挤成型技术的发展及应用

1.3 聚合物共挤成型技术研究进展

1.4 气体辅助挤出成型技术研究进展

1.5 聚合物挤出成型中常用的CFD软件及应用

1.6 本文的研究意义、课题来源及主要研究内容

1.7 本章小结

第2章 塑料异型材气辅共挤的实验研究

2.1 塑料异型材气辅共挤成型实验装置

2.2 实验原料和测量仪器

2.3 实验过程

2.4 实验结果及分析

2.5 本章小结

第3章 塑料异型材气辅共挤口模流动数值模型及模拟方法

3.1 流体力学基本方程

3.2 本构方程

3.3 阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程

3.4 基本假设与基本方程的简化

3.5 边界条件

3.6 稳态有限元关键求解技术

3.7 塑料异型材共挤过程有限元模拟总体技术路线

3.8 本章小结

第4章 气体压力对共挤成型影响的数值模拟

4.1 有限元分析方法

4.2 模拟结果及分析

4.3 将气体层简化为完全滑移边界条件的数值模拟

4.4 本章小节

第5章 直线型塑料异型材气辅共挤的数值模拟

5.1 直线型异型材上下分层共挤成型有限元分析方法

5.2 模拟结果及分析

5.3 实验验证

5.4 直线型异型材芯壳分层共挤成型有限元分析方法

5.5 本章小结

第6章 曲线型异型材气辅共挤的数值模拟

6.1 几何模型及网格划分

6.2 本构方程、边界条件及工艺参数设置

6.3 模拟结果及分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果