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摘要 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 1 。 塑料行业中，约4 0 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；d n m 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 一。 本课题基于美国e d i 公司突破传统挤出生产概念的“层倍增技术” 1 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j n - f 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e d i 公司的l a y e rm u l t i p l i e r 技术 7 1 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 l 北京化丁大学硕士学位论文 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 1 ，我们选用p o l y f l o w 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o 9 9 7 ：1 ：o 9 9 9 ：1 0 0 6 ，实验 得到的实际层厚比为0 9 7 2 ：1 ：o 9 9 3 ：1 0 1 0 ，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 3 1 倍的复合材料。在分散实验中，两层均为p p r n a n o c a c 0 3 ( 质量分 数为8 ) 的复合材料，与一层为p p r ，一层为p p r n a n o c a c 0 3 ( 质量 分数为16 ) 的复合材料相比，弹性模量提高了16 8 7 ，强度提高了 1 7 2 8 ，延展性降低了7 4 3 ，冲击强度提高了9 3 6 。 关键词：层倍增器，多层共挤，多层复合，数值模拟，挤出成型 a b s t r a c t t h en u m e r i c a ls l m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f l a y e rm u i r i p l i e r a b s t r a c t p o l y m e rc o m p o s i t em a t e r i a la l w a y sp l a y sa nv e r yi m p o r t a n tr o l ei no u r d a i l ya n dp r o d u c t i o nl i f e w i t ht h ea p p e a r a n c eo fn e wp o l y m e rm a t e r i a l s ，a n d t h e i n c r e a s i n g d e m a n do f p o l y m e rp r o d u c tp e r f o r m a n c e s ，i n d i v i d u a l c o m p o n e n tp r o d u c t ss o m e t i m e sh a v el i m i t a t i o n ，i tw i l ln o te c o n o m i c a l l yh a v e s a t i s f y i n gu s i n g ，e x t e r i o ra p p e a r a n c ea n dp r o c e s s i n gf u n c t i o n a st h er e s u l t ， n e w l yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o r m u l t i - c o m p o n e n tc o m p o s i t ep r o d u c t s i s d e v e l o p i n gq u i c k l y t 2 v j i np l a s t i ci n d u s t r y , a b o u t4 0 m a t e r i a l sw i l lb ep r o c e s s e db ye x t r u s i o n a n dt h ee n t e rm a r k e t y e t ，e x t r u s i o ne v e np l a y s l e a d i n gr o l e i np r o c e s s i n g m u l t i p l a y e rf i l m w h e r e f o r e ，c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o na r e aa n dh u g em a r k e t c h a n c e ，u r g ee a c he x t r u s i o np r o d u c tl i n es u p p l i e rc o n t i n u o u s l yr e s e a r c h i n g n e wt e c h n o l o g y r e s e a r c h i n go fd i f f e r e n ts t r u c t u r a l c o m p o s i t em a t e r i a l ， t e c h n o l o g yo rs p e c i a lm a r k e td e m a n d ，r e q u i r eu st oc o m p r e h e n dt r a d i t i o n a l e x t r u s i o np r o d u c tl i n e m e a n w h i l e ，m a y b ee x p l o i te x t r u s i o ni n d u s t r yf i r e - n e w a p p l i c a t i o na r e a 1 2 3 ，4 1 m yt a s ki sb a s e do na m e r i c a ne d ie x t r u s i o nd i ec o r p o r a t i o n s l a y e r m u l t i p l i e r t e c h n o l o g y , d e s i g n e da n dp r o c e s s e ds m a l l e re x t r u s i o nd i e w i t h p a r t i c u l a rr u n n e r a n dt h e nu s e dt h i sd i et op r o c e s sa n dd os o m ee x p e r i m e n t a l 北京化工大学硕士学位论文 a n a l y s i so fm u l t i - c o m p o n e n tc o m p o s i t em a t e r i a l ： f i r s t l y , s u m m a r i z e t h e d e v e l o p m e n t a n dc u r r e n ts i t u a t i o na b o u t m u l t i 1 a y e rc o e x t r u s i o nt e c h n o l o g yi na n da b r o a d ，e v e nm i n u t e l ye l a b o r a t e t h e t h e o r ya n ds t r u c t u r eo fi t s u m m a r i z et h er e s e a r c h i n gh a r v e s to fp r e d e c e s s o r , i m p o r t a n t l y i n t r o d u c ee d i s l a y e rm u l t i p l i e r t e c h n o l o g ya n dt h e o r y t l 5 7 1 s e c o n d l y , o w i n gt ot h ec o m p l i c a t e dr u n n e rs t r u c t u r e ，m e l tp l a s t i cf l o wi s a l s oc o m p l i c a t e d ，m e a n w h i l e ，p l a s t i cm e l th a ss p e c i a lv i s c o s i t y w em u s t c a l c u l a t et h i sp r o b l e mw i t hh y d r o k i n e t i c st h e o r y i nt h i sr e s e a r c h ，w ec h o o s e p o l y f l o ws o f t w a r et oc o m p l e t et h es i m u l a t i o no ft h er u n n e r w ep u tf o r w a r d t h a t ，t h et h e o r yt h i c k n e s sr a t i oo ft h em o u l di s0 9 9 7 ：1 ：0 9 9 9 ：1 0 0 6 ，w h i l et h e a c t u a l l ye x p e r i m e n t a lt h i c k n e s sr a t i oi s0 9 7 2 ：1 ：0 ，0 0 3 ：1 0 10 s o ，t h i sm o u l d h a sh i g hs i m u l a t i o na c c u r a c ya n da p p l i c a t i o n t h i r d l y , w ed e s i g nt h el a y e r - m u l t i p l i e ra n dc a s c a d i n gd e v i c em o u l d ，a n d t h e nm a n u f a c t u r et h e ma c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ed e s i g n t h ed i f f i c u l t yl i e si n m a n u f a c t u r i n gm u l t i p l i e r sc h a n n e l s ，r e q u i r i n gah i g h e rp r e c i s i o n ，s ow e u s e w i r ec u t t i n gb e dt op r o c e s s a st h ef l o wc h a n n e lc o n s t i t u t e db yt h el a r g ea n g l e s h a p e dh o l e ，w ed e s i g nt h es p e c i a lt o o l s ，u s et h e t w o s t e pq u a d r a t i c c u t m e t h o d ，a n do p t i m i z et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，a tl a s t ，w ec o m p l e t e p r o c e s s i n gi t a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lr e s u l t ( v e l o c i t yf i e l d ，p r e s s u r ef i e l d ， e t c ) ，w ed o as e r i e so fe x p e r i m e n t sw i t he x i s t i n ge q u i p m e n ta n dc u r r e n t i n s t r u m e n t s a n dt h e n ，i n d i c a t ew h i c hp r o c e s s i n gf a c t o r sw i l li m p a c tq u a l i t yo f a b s t r a c t m u l t i l a y e rc o m p o s i t em a t e r i a l i na d d i t i o n ，w eh a v es o m et r yt od os o m en e w m a t e r i a le x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，w ep r o c e s s e dt h ef o a m e da n du n f o a m e d m u l t i l a y e rs h e e t t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c et e s ts h o wt h a t ，w eg e ta c o m p o s i t em a t e r i a lo fl o w e rd e n s i t y , e l a s t i cm o d u l u sa n ds t r e n g t hw a sn o t d e c l i n i n g ，b u tt h ed u c t i l i t yi n c r e a s e db ya b o u t31t i m e s i nt h ed i s p e r s i o n e x p e r i m e n t s ，t w ol a y e rc o m p o s i t em a t e r i a lo fp p r n a n o c a c 0 3 ( 8 m a s s f r a c t i o n ) ，c o m p a r e sw i t hc o m p o s i t em a t e r i a lo f al a y e ro fp p r ，a n o t h e ro fp p r n a n o c a c 0 3 ( 16 m a s sf r a c t i o n ) ，t h ee l a s t i cm o d u l u si n c r e a s e db y16 8 7 ， 17 2 8 i m p r o v e ds t r e n g t h ，d u c t i l i t yd e c r e a s e d7 4 3 ，9 3 6 i n c r e a s ei m p a c t s t r e n g t h k e y w o r d s ：l a y e rm u l t i p l i e r ,m u l t i l a y e rc o e x t r u s i o n ，m u l t i l a y e r c o m p o u n d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x t r u s i o nm o l d i n g v 符号说明 符号说明 物料的零切黏度，p a s 时间常数，s 剪切速率，s 。1 非牛顿指数 法向速度，m s 。1 切向速度，m s 卅 流量，m 3 s 入口点到阻力块前缘轮廓线距离，m m 幅宽，m m 出、入口槽深，m m 半扩张角，。 半扩散角，。 压力，m p a 密度，g c m 3 产量，k g h 入口孔半径，m m 丝张力，d a n 进给速度，m m m i n 脉冲间隔，胛 加工频率，h z 简支梁冲击强度，k j m 2 断裂伸长率， 弹性模量，m p a 最大应力，m p a v 1 1 以厂以 匕q r b h 日9 p p g 船s b 阡 a 越m 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 盎皱 日期：塑! ! ：尘。丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。 作者签名：盐退 导师签名：= 塾茎型匕 日期：竺! ! ：皇：垄 & 飒i f9 堂乙g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多功能多层共挤复合材料技术概述 所谓多功能多层共挤复合材料技术，就是指利用在阻隔、力学、热学或其他性能 方面优异的材料，与其他普通材料在多台挤出机上共挤，从而加工出普通单层或复合 材料所不具有的廉价、高性能等优点的新型多层复合材料的一项技术【3 6 3 j 。这些新型 复合材料制品在阻隔、力学等性能方面都或多或少的优于传统原料加工出的塑料制 品。 随着人们消费水平和消费要求的提高，对包装行业、片材生产行业的要求也越来 越苛刻，传统的单一组分单层的包装膜或塑料片材不能满足日益增长的需求，这就促 使了高阻隔多功能性包装薄膜材料的发展。一般来说，包装材料或多层塑料片材都要 满足以下几个方面的要求【3 6 】：( 1 ) 水阻隔性。优异的水蒸气阻隔性能将很好的防止由 于水汽的渗入或挥发导致的食物口味变化；( 2 ) 。氧阻隔性。由于氧气的渗入，将引起 脂肪、蛋白质等食物的氧化变质，所以要有优异的阻隔氧气能力；( 3 ) 气味阻隔性。 为防止异味进入或香味的挥发，保证食品原味，需要有优异的阻隔香气及异味的能力； ( 4 ) 密封性。优异的热封性能，也是包装材料满足密封保存食物的一个特殊需求；( 5 ) 耐热性。一定的耐热性能，将使得包装材料能够耐住较高温度，起到杀菌作用，从而 避免不良微生物存在破坏食物；( 6 ) 印刷性。一些需要美观装潢，或者在商品中加入 必要信息，需要有优良的印刷性；( 7 ) 力学性能。食品的储存或运输过程中，定会受 到无法预期的一些力，为了保护好食品原有的性状，要求具有较强的力学性能；( 8 ) 其他的一些光学性能方面的要求等。 所以，由于包装材料发展至今，存在着如此多的苛刻要求，使得这种单层单功能 材料或多功能多层复合材料的工艺发展迅速，到目前为止存在如下多种加工成型方法 【3 6 ，9 ，l o 】： ( 1 ) 干式复合法 此种传统的工艺方法，目前来说在国内应用最为广泛。指的是采用双组分的聚胺 酯粘合剂，将两层基材薄膜粘合在一起的一种工艺方法。虽然，干式复合工艺具有广 泛性，且软包装材料8 0 以上在国内市场都采用此种工艺，但是，由于此方法有溶剂 残留，干燥消耗功率大，干燥的废气及有机溶剂的挥发会污染环境等缺陷，在软包装 材料复合工艺行业，仍然受到使用限制。 ( 2 ) 无溶剂复合法 无溶剂粘合剂的组成部分仍然是双组分的聚氨脂粘合剂，主剂和固化剂在室温下 粘度较高，是半固态物质。复合时，主剂和固化剂按比例混合，经具有加热保温功能 北京化t 大学硕士学位论文 的网纹辊热溶后涂布到基材上，涂布不必经过加热干燥就可以直接跟另一种基材进行 粘合，复合过程中没有溶剂的残留，没有废气的排放污染环境。此方法的缺点在于： 因主剂和固化剂的比例控制不稳定，复合工艺条件复杂等多种因素，某些渗透性较强 的食品渗入底层基材进入到粘结层而受到污染，同时粘合剂盘泵的清洗剂会污染环 境。由于多种因素的考虑以及设备投入的原因，目前这种复合工艺应用不多。 ( 3 ) 一般单层挤出复合工艺 在基材树脂上，均匀的流延涂布熔融的另一种树脂材料，然后迅速压合冷却。该 工艺与干式复合工艺相比，环保性较高，但应用范围比干式复合要窄。 ( 4 ) 多层共挤挤出复合 这种挤出复合是复合软包装材料的主要生产方法之一，也是现在复合材料加工中 的一种主流工艺。指的是采用3 台以上的挤出机，将不同功能的树脂原料( 如：p a 、 f e 、p p 等) ，分别熔融挤出，通过各自的流道后在一个模头汇合，再经过吹胀成型， 冷却复合在一起。 ( 5 ) 涂布复合法 这种加工工艺较为简单，但是用于成型具有良好阻隔性能的p v a 、p v d c 等较难 单独加工的树脂，是比较合适的。例如，在耐水性较差的p v a 树脂中加入水和乙醇 的混合物，将其涂布到p e 、p p 等薄膜上，再与其他膜进行干式复合，从而得到具有 多层结构的阻隔性能良好的包装薄膜，降低加工成本。 由于多层共挤复合薄膜具有其所用原料的各自的性能，能够很好的满足包装的功 能性要求，产品常见的结构有：( 1 ) p e t i e p a t i e p e ( p a ) 阻隔性能较高，力学强度中 等；( 2 ) p e t i e e v o h t i e p e 阻隔性能高，力学强度中等；( 3 ) p a e v o h p a t i e e v a 阻隔性能高，力学强度高。 多层共挤得到的多功能多层复合材料能够很好满足各种使用场合的需求，又具有 干式复合等工艺加工出的材料无法比拟的优点，如：替代干式复合材料、减少于式复 合次数，环保节能等【lo 】。通过调整阻隔层的厚度及多种阻隔材料的搭配使用，可以灵 活的设计出不同阻隔性能的复合材料，还可灵活更换调配热封层材料，满足不同包装 的需求，取代了许多以干式复合为主体的包装市场。所以，这种多层共挤复合工艺化 j 下是今后包装薄膜材料、多层多功能复合材料发展的主流方向【3 】。 1 2 国内外相关领域的发展概况 1 1 , 1 2 , 1 7 , 1 9 1 与多功能多层共挤出技术相关的，是多微层共挤出薄膜的加工及生产。早在八十 年代，国外就已经研究出多微层彩虹膜加工技术用于生产具有光彩外观、良好阻隔、 防渗透等性能的包装薄膜。目前，巴顿菲尔格罗斯特工程公司( b a r t o nf u r g er o s t e n g i n e e r i n gc o m p a n y ) 也属于此多微层薄膜方面比较先进的薄膜加工生产厂商，它利 2 第一章绪论 用多层共挤挤出机机组能加工出最多3 4 层的多层薄膜。2 0 0 1 年至今，l g 公司也从开 始持续不断地在此领域进行产品的研发，推出一种新型基于纳米技术的多微层高阻隔 材料h y p e r i e r 。此外，由百科塑料( 上海) 有限公司代理的f u t u r ah o t p e t 树脂， 符合美国f d a 要求，对紫外线波长的阻隔可至3 7 0 纳米。但是，此领域的技术水平 还是以美国最为领先和发达，美国陶氏化学公司研究开发出“l a y e rm u l t i p l i e r ”( 层倍 增器) 专利，美国e d i ( 美国e d i 挤出模头生产公司) 取得此专利的使用权，并根据 此专利进行研究，自行设计了基于此专利的模头系统，在2 0 0 6 年的国际塑料展览会 上宣布了一种在多微层共挤出技术方面具有革命性的平模头系统。 国内在多微层薄膜加工及多层多功能复合材料加工技术上，远不如美国。在2 0 0 4 年，基于国外的彩虹膜技术，北京工商大学塑料研究所研究开发出来的多层反射塑料 复合彩虹膜也是属于相关领域的技术，但是它比起e d i 公司的这项技术来说，在层的 数量级上来说，明显小很多，并且还有很多的不足。 下面，就“层倍增器”共挤出机机组加工出的多微层塑料薄膜的优点作一个简要 的综述： 此技术与以往的多层薄膜结构相比，在层的数量级上有一个历史性的飞跃。并拥 有以下几个方面的优点【1 2 , 1 3 】： ( 1 ) 非常高的阻隔性能。产品中阻隔材料层的数量大幅度增加后，使气体和水分 子的扩散途径更加艰难，从而提高了阻隔特性。 ( 2 ) 节约高成本物料。一些拥有特殊性能的聚合物原料价格昂贵。并且，聚合物 许多关键性质不会随着层厚的降低而成比例降低，因此采用增层技术后，在性能达到 预期水平的同时可以减少高成本的高性能树脂用量。在此，以p e t 取向薄膜为例，高 成本的高粘度树脂层可与低粘度树脂层结合在一起。最终获得的薄膜性质与用高粘度 规格和低粘度规格的p e t 进行物理混合所生产出来的薄膜相比，性能明显好很多。 ( 3 ) 减少产品断裂。层数越多，因薄膜有针孔后造成断裂的可能性越低，特别是 挤出后还要进行拉伸的双向拉伸产品。这是因为，大量的层与层界面可以提高复合材 料封盖凝胶和其他瑕疵的能力，大幅降低产品质量下降的可能性。 ( 4 ) 新的性能组合。相同的聚合物原料，结构为一层或多层，对最终产品的性能 的影响也不尽相同。例如，采用复合层倍增器技术，无须减少原料中的刚性聚合物的 组分，即可生产出更柔软的薄膜。还有一个好处就是，在后续的热成型工序中，可提 高加工宽度。 在c h i n a p l a s2 0 0 8 展会中，e d i 已经将此项技术展出。e d i 公司现在已获得8 0 层 的多微层结构薄膜，并有着很理想的力学性能和阻隔性能。e d i 预计，将在不久的未 来能获得多于1 0 0 层的多微层结构薄膜。 3 北京化工人学硕， = 学位论文 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 4 , 1 5 , 1 6 ，1 8 i 彩虹膜技术是国外八十年代开发研究成功的一项新型的薄膜加工技术，由美国 m e a r l 公司首发。国内对此项技术的研究，是在1 9 8 7 年，由北京工商大学塑料研究 所开始至今。 多层塑料复合彩虹膜是近年来较为流行的中高档装饰装潢材料，广泛应用于包 装、印刷等领域，几十年来国内一直依赖进口。北京工商大学塑料研究所( 材料科学 与工程系) 历经数年研究开发，从实验研究到工业放大，成功地解决了彩虹膜制备中 生产线中关键零部件的设计加工，工艺设计，控制系统等一系列关键技术，形成了具 有自主知识产权的彩虹膜加工技术。在工业放大过程中，与浙江省义乌市万鹤包装材 料有限公司合作研发，成功地解决了实藏产业化过程中的相关技术，建成了可生产6 个品种，幅宽8 0 0 r a m 到1 1 0 0 m m 不等，厚度2 0 一5 0 微米的彩虹膜生产线。 2 0 0 4 年2 月2 日，北京工商大学和力鹤包装材料有限公司联合实施完成的“多层 反射塑料复合彩虹膜研究及产业化项目”，在浙江省义乌市通过了中国轻工业联合会 组织的科技成果鉴定。 根据自己拥有的知识产权，该项目全部采用国产设备和自主设计加工的关键零部 件，工艺设计合理，技术具有创新性，填补了国内彩虹膜生产技术空白，工艺技术达 到国际同类技术的先进水平。生产工艺过程中不含有有毒、有害化学品，无废水、废 气排放，回收利用边角料，符合国家产业政策和环保政策，具有良好的经济效益、社 会效益和环境效益 1 4 , 1 5 , 1 6 】。 1 3 2 巴顿菲尔格罗斯特工程公司的多层薄膜技术0 1 2 0 l 随着多微层复合材料层数的增加，相关的模具制造商面临着更多的挑战。2 0 0 6 年初，巴顿菲尔格罗斯特工程公司( b a r t o nf u r g er o s te n g i n e e r i n gc o m p a n y ) 宣布了 利用九台挤出机共挤十七层复合阻隔材料生产线开发成功，其进一步扩展为三十四层 复合材料的生产线也即将为其客户提供。这一十七层复合材料生产线既可生产高度拉 伸成形的复合材料，还能生产小袋包装和可蒸煮包装袋的高阻隔材料。 公司自主拥有的九层、十七层膜集料器，具有普遍适应性的模头，以及改进的流 延膜生产设备在降低昂贵的阻隔薄膜树脂用量方面有良好的使用性。并且，该生产线 应用了巴顿菲尔格罗斯特工程公司的1 0 1 1 s 型卷绕设备，该设备可配以弹出式钢制卷 芯或者设置在弹出式气压钢轴上的纸制卷芯来卷绕薄膜。这一十七层复合薄膜生产线 已在用户工厂投产，实现了工业化。 4 第一章绪论 1 3 3 基于纳米技术的新型高阻隔材料h y p e r i e r l l l , 1 2 , 2 1 2 5 2 6 i 从2 0 0 1 年至今，l g 化学公司就开始持续不断地进行新型高阻隔材料的研发，推 出一种基于纳米技术的新型高阻隔材料h y p e r i e r 。这种新型产品，对溶剂、水、气 体等都有优异的阻隔性能。这些物质的阻隔性能，在汽车油箱，食品、化妆品、杀虫 剂等产品的阻隔外界水、气等物质方面都极其重要因素。h y p e r i e r 材料在保护环境 方面也作出较大贡献。 多层技术由于在多层材料加工方面能解决加工难度、提高水密性等问题，故应用 较为广泛。但是，多层技术工艺中价格高昂的多层加工设备以及高的加工出错率使得 产品成本高居不下。如今，l g 化学应用纳米复合技术与先进的加工技术相结合方面 有其独特性，对上述困难的解决方面作出较大贡献，其加工出的材料阻隔性能显著提 高。而且，其单层阻隔材料性价比远大于传统的加工方法，设备和原材料成本均有大 幅降低【2 l z 5 l 。 据l g 公司介绍，它所进行这一产品研发的最大成功在于这是全球首家应用了纳 米技术的高阻隔工程塑料并且完全基于l g 化学的自有技术。l g 化学并将致力于提 供从产品设计到加工以及材料开发的全方位解决方案，期望到2 0 0 9 年能够占据全球 阻隔材料市场的3 0 ，从而成为全球第一位的阻隔材料供应商。 1 3 4 具高抗紫外线性能的f u t u r ah o t p e t l l 8 , 1 9 , 2 1 , 2 7 1 由百科塑料( 上海) 有限公司代理的f u t u r ah o t p e t 树脂，符合美国f d a 要求，、 对紫外线波长的阻隔最高可至3 7 0 纳米。 h o t p e t 很容易获得很高的热结晶度，然而透明度基本能保持，非常适合高聚物 瓶子的设计和吹拉工艺。可以用于9 0 高温热灌装，适合果汁、功能饮料、果酱和调 味品包装应用。 在3 4 的结晶度下，h o t p e t 的玻璃化转变温度达到8 2 ，能适合9 0 的热灌装 工艺，而且可以使用未经过瓶颈白化结晶处理的2 8 p o c 瓶子。其收缩率水平在 o 5 0 1 之间，具有良好的收缩率。对于特殊的需求和运用，可以提供产品氧化处 理。 1 3 5 美国e d i 挤出模头公司的多微层复合薄膜技术【1 ，5 , 7 , 1 0 , 2 1 , 2 3 , 2 4 , 2 8 , 2 4 美国e d i 挤出模头公司( e d i ) 是板材、薄膜、挤出涂布、窄缝模头涂布及切粒 用平模头的国际领先供应商。本公司设计并生产模头、共挤块、封口系统，真空箱和 5 北京化t 学碳 j 学位论女 其它相关设备。 2 0 0 6 年，美国e d i 挤出模头公司推出一种可能具有革命性的平模头系统。它是 在取得陶氏化学公司的“层倍增器”专利后，自行设计出共挤出h 平模头来加工多微 层薄膜。此模头与常规的共挤模头柏比，薄膜和涂膜的结构层数有数量级的提高，生 产卅带微层结构的产品，高阻隔性能可以提高h l 隔水分、气体等物质的能力。 此公司的产品繁多，其中之一的模头系统三维结构如图1 - l 所示： 幽1 1e d i 挤出模头公司的平模头系统 f i 9 1 1t h ed i es y s t e mo f e d i 这项技术的基础是陶氏化学公司研究开发的“复合层倍增器”专利。e d i 从陶e ( = 化 * 辛绪论 学公司取得丁这个系统的使用许可，并将其生产的模头工业化。标准的拭挤出生产线 配胥足，由二台或更多台挤 ；机担任供料的角色，将熔体送入e d i 的流线化共挤块， 生产出均匀的多层“三明治”结构【2 s l ；然后将多层三明治结构巾问产品送入e d i 采用 陶氏专利设计升发出来的复合层倍增装置。在复台层倍增装胃t i ，分阶段进彳_ l ：复台屡 倍增操作，例如三层倍增为f 一二层，l 一层倍增为四l 八臃。晶终获得的_ i 敏屎结构巾 叫产品送入e d i 的共挤歧管使j “品的宽度达到生产监水。| 生| i 一2 所示，哪为层倍增 器的凹倍放大放大原理围： 先山两层放大为8 壕f l f 放大为3 2 层。 幽i - 2e d i 公司四倍层倍增器放人原理附 f i 9 1 - 2 t h e t h e o r y o f e d 4 t i m e s l a y e r m u l t i p l i e r 栅e d i 介绍，采用微层技术后，兆挤出工艺产生的结构层数远远超过标准的血层、 七层或九层虬优点包括：改进阻隔性能、节约高成本物料、减少产品断裂以及实现 新的性能纽合等。叫特组分的聚合物材料，加工后最终结构山坼层，还是许多超薄的 微层结构对最终产品的性能有水同的影响。例如，采用复合层倍增嚣技术，七须大 幅减少原料c - 的刚性聚台物组分，就可5 l j “j ；非常柔软的薄膜。还有个好处就是， 增层复合材科仵后续的热成型工序t h 加工宽容度高。 刿l 一3 为e d i 公司加工出来的层倍增器模头结构： 北m 化r 人学m 1 学n 论 ， 划1 3 e d i 公刊加i 出柬的j 三f 自增器模义 f i gi 一3 l a y e r m u l t i p l i e r d i e f r o m e d i 本课题即是基于美国e d i 利用陶氏化学的l a y e r m u l l i p l i e r ( 层倍增器) 专利砹 汁卅来的多微层薄膜挤模头结构根据实验审现柏没备，再对其结构进行设计制造， 最后利用小试模具做些实验及分析工作。 如图卜4 所示，是小试实验中的层倍增器原理说明削： 、第段：入口段，横矩形： 、第一段：分流段，横矩形_ 横分叫孔； 、第二段：分层段，横四分孔一竖叫分孔； 、第段：合流段，蛏四分孔一竖合四孔( 竖矩形) ： 、第五段：过渡段，竖矩形一横矩形： 、筇 段：出i 段，横矩形 图1 4 小试实验层倍增器原理说明图 f i g1 4 t h e t h e o q o f l a m m u l f i p l i 盯f o r l i l l e 眈p e r i m 蜘b 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 由于本课题需要对层倍增器流场进行数值模拟，得到一些理论性指导结论，并结 合实验找到复合层结构，材料类型，操作工艺条件与复合效果、复合质量之间的关系 和规律，所以，有它的必要性例。在研究过程中，再找到它的可行性，这两方面就是 本课题的立论所在。 1 4 2 论文选压的目的 此类模具结构较为复杂，所以在设计加工中需要较大的精力和费用。进行数值模 拟后，找出各流道复合处的速度分布与流道几何结构的关系”。在进行流场的数值模 拟得到理论数据和结果以后，通过实验，找出材料的结构及加工工艺条件等与复合效 果、复合质量之间的关系和规律。虽后，将各工艺加工出的制品制成样条，进行力学 性能比较分析。 北京化工大学硕上学位论文 1 4 3 论文选题的意义 在上述的模拟过程中，通过控制流道内熔体的流场分布，能得到理想的流道结构， 降低了模具设计的复杂程度及减小了所需耗费的时间和费用。并将理论结果与实验所 得到的结论相结合，最终得到良好的加工条件，来指导生产中的加工，以最好的加工 工艺条件和最好的材料复合达到生活中的特殊要求，并降低材料成本，减少污染。 1 4 4 本课题的主要研究内容 在清楚地了解层倍增器模头的结构和流道结构，并且学习p o l y f l o w 软件以后，辅 助以一些数学工具和有限元体积法，对复合材料在模头流道中的流动进行数值模拟， 找寻规律。这样的话，在难加工的模头还没加工完成进入实验室之前，就能先从理论 上分析此模头的流场和流道，得到理论的加工条件与复合效果、复合质量之间的关系。 并能得到，怎么保证复合层材料在变更很多的流道中怎么保持层流，要保证层流需要 怎样的螺杆转速，压缩比，温度等加工工艺条件【3 2 1 。再通过修改流道几何结构及尺寸， 找出各流道流动速率平均值与流道尺寸之间的关系，用于指导设计工作。 层倍增器异形孔的成型加工。由于层倍增器是由六块板类零件组合而成，其中两 块的流道是由异形孔构成，且要求精度较高，故用慢走丝电火花线切割加工完成。异 形孔与板所成锥度最大为4 1 。，属于较特殊的加工锥度，普通的加工方法难以达到， 需要利用特殊的机床及特殊的加工工艺才能完成。这在下文会详细阐述。 利用加工好的小试模具，加上实验室现有的设备进行实验。将理论加工工艺条件 与实际试验条件相结合，找出能控制不同层厚的加工工艺条件，并制作一些样条用于 后续的力学性能等测试分析工作。 多层发泡复合材料的制备。将容易发泡的e v a 树脂作为其中的一层材料，与较 难发泡的h d p e 共挤，得到一系列树脂含量不一的多层复合材料，再通过密度测量、 力学性能等测试实验，进一步得到一些结论。 尝试纳米复合材料分散实验。由于模具结构复杂，聚合物熔体在其间流动的时候 受到较大剪切力作用，这对于一些难分散的团聚体有较好的分散效果。将两种工艺配 方加入此加工生产线中进行实验，然后采样进行力学性能等测试分析。 1 0 第二章层倍增器流场的数值模拟及分析 第二章层倍增器流场的数值模拟及分析 本课题的目的是稳定加工多层复合材料，而整套生产装置中，最为重要的就是层 倍增单元。因此，加工过程中，如何保证熔体的流动状态始终为层流尤为重要，并且， 需要汇合处各流道的速度尽可能的趋于一致。但是，由于层倍增器中的复杂流道，熔 体在其间的流动必然是一种复杂的行为，故用常规的计算方法无法j 下确分析，解决这 个问题涉及到计算流体动力掣3 3 , 3 5 , 3 7 , 3 8 】。计算流体动力学，是指通过计算机数值计算 和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。此种计 算方法的基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压 力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来替代，通过一定的的原则和方式建 立起关于这些离散点上场变量之间关系得代数方程组，然后求解代数方程组获得场变 量的近似值【3 4 , 3 5 , 3 6 。 本章将利用p o l y f l o w 软件模拟计算层倍增器的三维等温非牛顿流场，并对模 拟结果进行分析讨论。 2 1p o l y f l o w 数值模拟的基本步骤 p o l y f l o w 是一款具有良好的解决非牛顿流体及非线性问题能力，采用有限元 法对粘性和粘弹性流体进行流体动力学模拟分析的c f d 软件。并且，其拥有多种流 动模型，能模拟分析聚合物、玻璃熔体等加工过程中的等温非等温、二维三维、稳 态i 二i p - 稳态等一系列流动问题，特别适用于聚合物挤出、拉丝、吹塑、混合、涂覆过程 中流动、传热等问题的模拟分析【3 7 , 4 0 】。 p o l y f l o w 数值模拟计算主要包括以下几个步骤 3 7 , 3 9 , 4 0 , 4 1 a 2 ，4 3 】： 流道数学、物理模型及有限元模型的建立。通常用g a m b i t 建立p o l y f l o w 所需要的有限元模型。对于几何形状较为简单的模型可以直接在g a m b i t 中建立几 何模型并划分网格，而对于几何形状相对复杂的模型可以先用c a d 软件( 如 s o l i d w o r k s 、p r o e 等) 来完成几何模型的建立，然后存为一定格式的文件( 如i g e s 文件) ，最后导入g a m b i t 中并对其进行修改和网格划分。 模拟分析任务的建立。划分完模型网格后，将其存为m s h 文件，导入 p o l y d a t a 后，在p o l y d a t a 模块中设置分析任务的物理模型、材料特性参数和边 界条件等。此部分内容包括任务性质选择、几何模型选择、模拟类型选择以及子任务 选择。其中