层倍增器的数值模拟及实验研究

摘要

高聚物复合材料在人们的日常生产生活中，处于一个非常重要的位置。新型的多功能高聚物复合材料的加工工艺及成型装备，能满足人们对此类材料产品性能日益增长的需求。单一组分的制品往往不能经济且方便地满足制品的使用和加工性能、外观等方面的特殊要求，正在被塑料制品市场所淘汰。新型的多层多功能高聚物复合材料加工技术及装备等正在蓬勃发展[2，6]。
　　 塑料行业中，约40％以上原料通过挤出生产线加工成制品进入市场。在多层复合材料的加工中，挤出处于主导地位。广泛的应用领域与巨大的市场机会，促使各挤出生产线供应商不断研发创新的技术。不同结构的材料复合、不同领域的技术集成、满足特定市场需求的专门研发正在不断突破我们传统上对挤出生产线概念的理解，并可能开拓挤出业全新的应用领域[1,2,3,4]。
　　 本课题基于美国EDI公司突破传统挤出生产概念的“层倍增技术”[1,5,7],设计加工出具有特殊流道的小试挤出模具，用于研究多组分多层复合材料的加工成型及实验。
　　 首先，综述了国内外多层共挤技术及其相关领域的发展和现状，并对其原理结构等进行详细阐述。对前人研究的成果进行了归纳总结，重点介绍了美国EDI公司的‘Layer multiplier’技术[1，5，7]及其原理。
　　 其次，由于模具复杂的流道结构，熔融的塑料流体在其间必定是一种复杂的流动行为，并且，塑料熔体具有特殊的粘性，必须利用流体动力学原理进行分析计算[8]，我们选用Polylow软件完成了流场的数值模拟及后续分析工作。我们得到此模型的理论层厚比为0.997∶1:0.999∶1.006，实验得到的实际层厚比为0.972:1:0.993∶1.010，因此，我们得出此模型具有较高的模拟精度，且适应性较强。
　　 再次，设计了层倍增器、层叠器模具，根据设计出的模具结构进行加工制造。加工制造的难点在于层倍增器流道的加工，要求较高的加工精度，选用慢走丝线切割机床进行加工。由于流道由大锥度异形孔构成，设计了专用工装，利用“两步二次切割法”，并优化了加工工艺参数后，完成了流道的加工。
　　 最后，根据模拟得到的理论结果(速度场，压力场等)，结合实验室现有设备及实际情况，做了一系列相关实验。指出影响多层复合材料挤出制品质量的加工工艺因素，得到制品层厚比较为均匀的加工工艺。分别加工出具有发泡层与不具有发泡层的多层片材，进行力学性能测试后，得到了密度较小，弹性模量和比强度基本不下降的情况下，延展性提高了近31倍的复合材料。在分散实验中，两层均为PPR/Nano-CaCO3(质量分数为8％)的复合材料，与一层为PPR，一层为PPR/Nano-CaCO3(质量分数为16％)的复合材料相比，弹性模量提高了16.87％，强度提高了17.28％，延展性降低了7.43％，冲击强度提高了9.36％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

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第一章绪论

1.1多功能多层共挤复合材料技术概述

1.2国内外相关领域的发展概况

1.3前人取得的研究成果

1.3.1北京工商大学的彩虹膜技术

1.3.2巴顿菲尔格罗斯特工程公司的多层薄膜技术

1.3.3基于纳米技术的新型高阻隔材料HYPERIER

1.3.4具高抗紫外线性能的Futura HotPET

1.3.5美国EDI挤出模头公司的多微层复合薄膜技术

1.4论文选题的立论、目的、意义及研究内容

1.4.1论文选题的立论

1.4.2论文选题的目的

1.4.3论文选题的意义

1.4.4本课题的主要研究内容

第二章层倍增器流场的数值模拟及分析

2.1 POLYFLOW数值模拟的基本步骤

2.2数学模型、几何模型、有限元分析及边界条件

2.2.1数学模型

2.2.2几何模型

2.2.3有限元分析

2.2.4边界条件

2.3模拟结果及分析

2.3.1压力场

2.3.2速度场

2.4所建模型的适应性分析

2.5小结

第三章增层实验所需模具的设计及加工

3.1双层塑料片材共挤增层实验流程

3.2层叠器模具的设计及加工

3.2.1层叠器外形设计

3.2.2鱼尾形流道及阻力块设计

3.3层倍增器模具的设计及加工

3.3.1层倍增器外形设计

3.3.2层倍增器流道异形孔的慢走丝电火花线切割加工

3.3.3加工小结

3.3.4加工出来的层倍增器模具

3.4各段加热圈的功率计算

3.5小结

第四章两层复合材料共挤增层实验及分析

4.1实验原材料、设备及仪器

4.1.1实验原材料

4.1.2实验设备及仪器

4.1.3实验设备实物图

4.2 HDPE共挤增层实验

4.2.1实验过程

4.2.2 HDPE发泡实验尝试

4.3 EVA与HDPE共挤增层实验

4.3.1未发泡EVA与HDPE共挤增层实验

4.3.2发泡EVA(薄)与HDPE共挤增层实验

4.3.3发泡EVA(厚)与HDPE共挤增层实验

4.4 PPR／Nano-CaCO3与PPR共挤增层实验

4.4.1共混造粒

4.4.2实验1

4.4.3实验2

4.5力学性能

4.5.1 EVA／HDPE共挤增层复合材料力学性能测试

4.5.2 Nano-CaCO3／PPR与PPR共挤增层复合材料力学性能测试

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2存在的不足及今后继续研究的方向

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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