（化工过程机械专业论文）挤出吹塑成型机理的数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 聚合物挤出吹塑成型技术是制造中空吹塑制品的先进成型技术，但由于在 成型过程中具有离模膨胀和垂伸效应的耦合作用，使得其成型过程非常复杂， 成型机理不易弄清。针对这一情况，本文对挤出吹塑成型的型坯成型阶段和型 坯的自由吹胀阶段进行了数值模拟研究，系统研究了过程工艺参数和聚合物黏 弹性流变性能参数对型坯成型离模膨胀和垂伸效应的影响，并在此基础上，研 究了型坯的离模膨胀和垂伸效应对型坯自由吹胀成型过程的影响。主要取得如 下成果： 针对聚合物挤出吹塑成型流动过程的特点，基于聚合物流变学、流体动力 学和热力学理论，经合理假设，建立了描述聚合物挤出吹塑成型的全三维、非 等温、稳态黏弹性理论模型。 基于g a l e r k i n 法、罚函数法、e v s s 法、m i n i e l e m e n t 法和s u p g 法等高效 稳态混合有限元求解技术，建立了求解聚合物挤出吹塑成型理论模型的有限元 算法，并基于这一算法，实现了聚合物挤出吹塑成型过程的有限元数值模拟。 通过对挤出吹塑型坯成型阶段的数值模拟研究，获得了过程工艺参数和聚 合物流变性能参数对型坯离模膨胀和垂伸效应的影响规律，并通过理论分析揭 示了型坯成型离模膨胀的产生机理。研究表明，挤出吹塑成型型坯的离模膨胀 主要取决于法向应力差引起的二次流动强度。对于管状环坯模型，法向应力差 越大，聚合物熔体的二次流的强度越大，则型坯的离模膨胀就越大。在此基础 上，还研究建立了型坯离模膨胀和垂伸效应与型坯壁厚和半径尺寸之间的关联 关系。 基于过程工艺参数和聚合物黏弹性流变性能参数对挤出吹塑型坯离模膨胀 和垂伸效应影响的研究成果，进一步研究了型坯离模膨胀和垂伸效应对型坯自 由吹胀成型过程的影响规律，并研究建立了吹胀制品壁厚和半径尺寸与型坯离 模膨胀和垂伸效应之间的关联理论模型，为建立集型坯成型和型坯吹胀于一体 的聚合物挤出吹塑成型理论设计方法奠定了科学的理论基础。 关键词：挤出吹塑成型；离模膨胀；垂伸效应；型坯；吹胀；数值模拟；机理 a b s t r a c t a b s t r a c t e x t r u s i o nb l o wm o l d i n g ( e b m ) i sa na d v a n c e dm o l d i n gt e c h n o l o g yo fm o l d i n g p o l y m e rh o l l o wp r o d u c t i o n t h em o l d i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e df o rt h em u t u a l e f f e c to fp a r i s o ns w e l la n ds a gi nm o l d i n gp r o c e s s s ot h em e c h a n i s mo fe b mi s d i f f i c u l tt ou n d e r s t a n d i nt h i ss i t u a t i o n , t h er e s e a r c ho ns i m u l a t i o no nt h ep a r i s o n f o r m a t i o np h a s ea n dp a r i s o ni n f l a t i o np h a s eo fp o l y m e te b m p r o c e s sw e r ec o n d u c t e d i nt h i s p a p e r t h e i n f l u e n c e so fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dp o l y m e rv i s c o e l a s t i c r h e o l o g i c a lp a r a m e t e r so np a r i s o nd i es w e l la n ds a gi np a r i s o nm o l d i n gp r o c e s sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d , a n dt h ei n f l u e n c e so fp a r i s o nd i es w e l la n ds a go np a r i s o n i n f l a t i o nm o l d i n gp r o c e s sw e r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h ef o l l o w i n gm a i n a c h i e v e m e n t sw e r ey i e l d e d ： b a s e do np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so fe b m p r o c e s s ，t h e o r i e so fp o l y m e rr h e o l o g y , h y d r o k i n e t i c s a n d t h e r m o d y n a m i c se t c ，t h e f u l l 3 d ，n o n - i s o t h e r m a l ，s t e a d y , v i s c o e l a s t i c t h e o r e t i c a lm o d e lo fd e s c r i b i n ge b mp r o c e s sw a se s t a b l i s h e du n d e r r e a s o n a b l ea s s u m p t i o n o nt h eb a s i so ft h em i x e df i n i t ee l e m e n ts t a b l ed i s c r e t et e c h n i q u e so fg a l e r k i n m e t h o d ，p e n a l t yf u n c t i o nm e t h o d ，e v s sm e t h o d ，m i n i - e l e m e n tm e t h o da n ds u p g m e t h o d ，c o r r e s p o n d i n gs t a b l ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e lw i t hf a s tc o n v e r g e n c e w e r ee s t a b l i s h e df o rh i g hn o n - l i n e a r i t y3 dv i s c o e l a s t i ct h e o r e t i c a lm o d e lo fe b m f i n a l l y , w i t ha b o v en u m e r i c a lm o d e ls y s t e m s ，t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fv i s c o e l a s t i cp o l y m e re b mw a si m p l e m e n t e d t h ei n f l u e n c i n gr u l e so fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dp o l y m e rv i s c o e l a s t i cr h e o l o g i c a l p a r a m e t e r so np a r i s o nd i es w e l la n ds a gi np a r i s o nf o r m a t i o np r o c e s sw e r ea n a l y z e d b ym e a n so ft h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no np a r i s o nf o r m a t i o np r o c e s si n e b m ，a n dt h em e c h a n i s mo fp a r i s o nd i es w e l lw a sd i s c l o s e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a r i s o nd i es w e l lm a i n l yd e p e n do nt h ei n t e n s i t y o ft h em e l ts e c o n d a r yf l o ww h i c hi sa r o s eb yn o r m a ls t r e s sd i f f e r e n c e f o rt h ea n n u l a r p a r i s o ni nt h i sp a p e r , t h eb i g g e ro fn o r m a ls t r e s sd i f f e r e n c e ，t h es t r o n g e ro ft h em e l t s e c o n d a r yf l o w , a n dt h ep a r i s o nd i es w e l lw o u l db eb i g g e r b a s e do na b o v er e s e a r c h i i w h i c ht h ee x t r u s i o nb l o wm o l d i n gd e s i g nm e t h o do fi n t e g r a t i n gp a r i s o nf o r m a t i o n p r o c e s sa n dp a r i s o ni n f l a t i o np r o c e s sc a n b ee s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：e x t r u s i o nb l o wm o l d i n g ；s w e l l ；s a g ；p a r i s o n ；i n f l a t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；m e c h a n i s m i i i 磐一 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 概述。1 1 2 挤出吹塑成型工艺2 1 2 1 连续挤出吹塑成型：4 1 2 2 间歇挤出吹塑成型。5 1 3 挤出吹塑成型过程的影响因素5 1 3 1 过程工艺参数6 1 3 2 材料参数7 1 4 挤出吹塑成型研究进展8 1 4 1 挤出吹塑成型实验研究进展。8 1 4 2 挤出吹塑成型理论研究进展13 1 5 挤出吹塑成型数值模拟的主要研究内容1 7 第2 章聚合物挤出吹塑成型的理论模型1 9 2 1 聚合物挤出吹塑成型的控制方程1 9 2 1 1 聚合物成型基本控制方程19 2 1 2 基本假设：2 0 2 1 3 挤出吹塑成型的控制方程2 l 2 2 边界条件2 4 2 3 本构方程2 5 2 3 1 本构方程的选取2 5 2 3 2 本构方程的分解2 6 2 4 本章小结3 2 第3 章挤出吹塑成型数值算法及理论模型离散3 3 3 1 有限元数值方法3 3 3 1 1 罚函数法3 3 3 1 2e v s s 法3 4 i v 目录 3 1 3m i n i e l e m e n t 法3 5 3 1 4s u p g 法和s u 法3 6 3 2 自由表面追踪及网格重划3 7 3 3 理论模型方程的离散3 8 3 3 1 连续性方程的离散3 9 3 3 2 运动方程的离散3 9 3 3 3 能量方程的离散4 1 3 3 4 本构方程的离散4 3 3 4 本章小结4 8 第4 章挤出吹塑型坯成型过程的数值模拟研究4 9 4 1 型坯成型过程的模拟条件和方法4 9 4 1 1 型坯成型过程的模拟条件4 9 4 1 2 数值模拟研究内容及方法5 0 4 2 型坯离模膨胀影响及机理研究5 3 4 2 1 过程工艺参数对型坯离模膨胀的影响5 3 4 2 2 流变性能参数对型坯离模膨胀的影响5 7 4 2 3 离模膨胀产生机理分析6 5 4 3 型坯垂伸效应影响及机理研究6 9 4 3 1 过程工艺参数对型坯垂伸效应的影响6 9 4 3 2 流变性能参数对型坯垂伸效应的影响7 2 4 4 型坯离模膨胀和垂伸效应对型坯成型过程的耦合影响8 0 4 4 1 型坯离模膨胀和垂伸效应耦合作用下的型坯成型8 0 4 4 2 型坯离模膨胀对型坯成型的影响8 3 4 4 3 型坯垂伸效应对型坯成型的影响8 5 4 5 本章小结8 8 第5 章型坯离模膨胀和垂伸效应对型坯自由吹胀过程影响的数值模拟研究9 1 5 1 型坯离模膨胀和垂伸效应与型坯自由吹胀成型形貌与尺寸的关联理论 9 1 5 1 1 研究内容、方法与条件9 1 v 目录 5 1 2 型坯离模膨胀与型坯自由吹胀成型形貌与尺寸的关联理论9 5 5 1 3 型坯垂伸效应与型坯自由吹胀成型形貌与尺寸的关联理论1 0 0 5 1 4 过程参数与聚合物流变性能参数对型坯自由吹胀成型过程影响规 律的推论1 0 5 5 2 过程参数与流变性能参数对型坯自由吹胀成型形貌与尺寸影响规律研 究10 6 5 2 1 熔体进口温度所产生的离模膨胀对型坯自由吹胀过程的影响1 0 6 5 2 2 松弛时间所产生的型坯离模膨胀对型坯自由吹胀过程的影响1 1 1 5 2 3 熔体进口温度所产生的型坯垂伸效应对型坯自由吹胀过程的影响 116 5 2 4 松弛时间所产生型坯垂伸效应对型坯自由吹胀过程的影响1 2 1 5 3 本章小结1 2 5 第6 章结论与展望1 2 7 6 1 主要结论1 2 7 6 2 研究展望一1 3 0 致谢131 参考文献1 3 2 攻读学位期间的研究成果1 3 8 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 塑料主要是由高分子有机聚合物所构成，随着近年来高分子材料的迅猛发 展，塑料工业也得到了较快的发展，塑料品种和年产量迅速的增加。塑料制品 因其具有密度小、质量轻、强度高、优良加工性、耐腐蚀性、绝缘性和绝热性、 化学性能稳定和价格低廉等诸多优异性能，被广泛地应用于机械、航空、汽车、 电机与电子、化学、能源等工业方面【l l 。随着社会不断发展，塑料制品日益深入 影响人们的日常生活。 虽然塑料制品具有上述诸多优点，但要得到满足人们生产和生活要求的塑 料制品，必需要经过塑料的成型加工过程。只有通过成型加工才能体现出塑料 制品的优异性能，成型加工过程直接影响到塑料制品成型后的各项性能。因此， 多年来许多国家和地区都投入了大量的人力物力来研究聚合物的成型m i 过 程，以得到性能优异且价格低廉的塑料制品。随着工业化技术的不断发展和人 民生活水平的不断提高，人们对塑料制品的种类和性能也提出了更高的要求。 这就需要对塑料成型加工的技术与装备不断深入研究，以克服塑料制品中的各 种缺陷得到性能优异的塑料制品。 塑料的成型加工是指以合成树脂等为原料把高分子聚合物制成最终塑料制 品的过程，其成型加工方法有很多种，其中三大最主要的塑料成型技术分别是 挤塑成型、注塑成型和吹塑成型【2 】。塑料的吹塑成型技术起源于2 0 世纪3 0 年代， 在经过几十年的迅速发展后，目前已成为仅次于挤出成型和注塑成型的第三大 塑料成型方法。与注塑成型等其他成型方法相比，吹塑成型具有设备造价较低、 适应性强、可成型性能较好、可生产形状复杂的制品等优点。吹塑的制品具有 高度的整体性、综合性能好、附加值较高、成本较低，可代替塑料的注射成型 制品、热成型制品与结构发泡制品及金属制品等1 3 】。由于塑料吹塑技术和吹塑制 品具有诸多优点，成为目前发展最快的一种塑料成型方法，今后其仍将具有很 大的发展潜力。 由于数值模拟方法能有效地模拟塑料的成型加工过程，国内外的研究者利 用数值模拟技术对吹塑成型过程进行了大量研究，并得到了许多对工业生产和 第1 章绪论 理论研究具有指导作用的结论。特别是近年来计算机技术的迅猛发展以及其在 材料加工过程中的广泛应用，使得这方面的研究越来越卓有成效，计算机数值 模拟技术作为一种研究手段，在塑料的中空吹塑成型的迸一步发展中变得越来 越重要。 1 2 挤出吹塑成型工艺 聚合物的吹塑成型技术是一种生产中空塑料制品的聚合物加工技术，它是 将挤出或注射成型所得的半熔融态的型坯置于各种形状的闭合模具中，并借助 气体压力使其膨胀并紧贴于模腔壁上成型，经冷却脱模后得到制品的方法，其 基本加工过程如图1 1 所示，这种成型方法可以用以生产形状和容量不同的瓶、 桶、壶等日常生活用品，同时也可生产各种不同用途的工业中空制品 4 】。 图1 1 基本吹塑成型加工过程 吹塑成型按其型坯制备方法的不同可以分为两大类：注射吹塑和挤出吹塑。 注射吹塑成型是用注射机在注射模中制成型坯，然后把热型坯移入吹塑模具中 进行中空吹塑成型方法，其成型工艺如图1 2 所示。而在挤出吹塑过程中，首先 由挤出机将热塑性塑料熔化，并通过机头挤出管状环形坯，然后将达到规定长 度的型坯置于吹塑模具中，并闭合模具同时夹紧型坯上下两端，在吹管中通入 压缩空气，吹胀型坯使其紧贴于模腔壁上成型，最后经保压和冷却定型后脱模 得到吹塑制品，其成型原理和工艺流程如图1 3 和图1 4 所示。在这两类成型方 法的基础上，经过发展产生了挤出拉伸吹塑和注射拉伸吹塑等新型的吹塑成型 技术，此外，随着吹塑成型工艺和技术的快速发展，近年来还出现了多层吹塑、 压制吹塑、蘸涂吹塑、发泡吹塑等多种先进的吹塑成型工艺【5 】。 2 第1 章绪论 鹎黻开晨 惭渊躺横向音置 僻糊衍矗 盼嚣重 的叠纛囊删叠 t g l t j 副臻哆骣 图1 2 注射吹塑成型工艺流程 图1 3 挤出吹塑成型原理 图1 4 挤出吹塑成型工艺流程 3 第l 章绪论 挤出吹塑成型是塑料吹塑成型工艺中最主要的成型方法之一，也是产量最 大且经济性良好的一种吹塑成型方法，目前世界上所使用的吹塑制品中，大约 3 4 的吹塑制品是通过挤出吹塑成型方法制造出来的【5 】。挤出吹塑的优点是生产 效率高、设备与模具的结构较简单并且成型成本比较低，对中空容器的形状、 大小和壁厚等的允许范围比较大、适用性强。缺点是型坯挤出速度慢、容器有 合缝线、毛边多等。按出料方式的不同，挤出吹塑成型又可分为两大类：一类 为连续挤出吹塑成型，另一类为间歇挤出吹塑成型【6 1 。 1 2 1 连续挤出吹塑成型 连续挤出吹塑成型是最常用的中空塑料制品成型方法之一。在成型过程中 聚合物熔体通过圆环形的口模挤出形成吹塑型坯，当型坯达到预设长度时，吹 塑模具合拢并在一端夹断，然后在模具中通入高压气体使型坯膨胀而紧贴模具 内壁成型，经冷却脱模后得到吹塑制品。连续挤出吹塑机头一般与多个吹塑模 具相匹配，如图1 5 所示，在一个旋转轮系统中，四个或更多吹塑模具分布在旋 转轮同一水平分度圆上，依次对挤出型坯进行吹胀，这样从整个成型过程来看， 吹塑制品的制造是连续进行的【7 】。 a 图1 5 连续挤出吹塑成型过程 4 第l 章绪论 成型主要用于生产产量大，容积小的中空制品。该方法成型 、操作容易，是目前国内中、小型中空制品生产企业普遍采 1 2 2 间歇挤出吹塑成型 间歇挤出吹塑成型是通过挤出机直接将型坯挤入到一个型坯贮料缸中，当 贮料缸中的聚合物型坯满足吹胀要求时，再通过机头吹嘴通入压缩空气对型坯 进行吹胀，经过冷却、定型后得到大容量中空制品的成型方法。间歇挤出吹塑 成型过程如图1 6 所示。 e x 丫r u o m n gs t o p p i e o 、 、 e x t r u 口i n g n i e s 、u m i e i d ， ， ， i o w l n 霸n oc o o l - ln g t i e j e j c 彳o n r c t 五o 图1 6 间歇挤出吹塑成型过程 间歇挤出吹塑成型技术一般用于生产大型的吹塑制品。间歇挤出吹塑成型 的成型周期一般比连续挤出吹塑成型长，不适用热敏性塑料的吹塑成型，而主 要用于聚烯烃、工程塑料等非热敏性的塑料，是工业制品吹塑所优先采用，也 是普遍采用的成型方法【4 】。 1 3 挤出吹塑成型过程的影响因素 聚合物的挤出吹塑成型过程是由型坯的挤出、型坯的吹胀和制品的冷却固 化三个成型阶段组成的，其成型过程非常的复杂且受多种因素影响。影响挤出 吹塑成型的诸多参数可以分为与操作工艺有关的过程工艺参数和与聚合物材料 5 第1 章绪论 的固有属性有关的材料参数两大类。 1 3 1 过程工艺参数 影响聚合物挤出吹塑成型的过程工艺参数有很多，比如聚合物熔体挤出流 率、口模形式及口模间隙、型坯温度及模具温度、吹胀压力以及吹胀时间等， 整个成型过程是多种过程工艺参数共同作用的结果。 聚合物熔体挤出流率是影响挤出吹塑成型的主要过程参数之一，它不但对 型坯的离模膨胀有显著地影响，同时也对垂伸效应有很大的影响。增加聚合物 熔体的挤出流率会增强聚合物熔体的剪切和拉伸作用，从而导致在挤出过程中 产生更大的型坯离模膨胀，但同时由于流速的增大也会减小垂伸效应的影响。 研究表明【8 j ，对于任何形式的挤出口模，挤出流率的增大都会导致挤出过程中型 坯离模膨胀的增大，但是在平直的挤出口模中型坯的壁厚膨胀比直径膨胀增加 的要快的多，这种现象在发散的挤出口模中也是同样存在的，然而在收敛的挤 出口模中增加挤出流率将导致直径膨胀的程度大于壁厚膨胀。虽然挤出流率是 影响型坯离模膨胀的主要因素之一，但是k o o p m a n s 和g a r c i a r e i o n l 9 ，l o 】发现通 过改变聚合物熔体的挤出流率对挤出吹塑型坯成型过程中型坯离模膨胀的影响 没有通过改变口模形式和调节口模间隙对型坯离模膨胀的影响明显。 对于口模内的聚合物熔体，口模形式( 平直、收敛或发散) 和口模间隙是 影响型坯离模膨胀的重要因素。发散的口模形式会对聚合物熔体产生周向上的 拉伸作用，使得其在轴向上产生收缩，这导致口模出口处型坯的直径膨胀减小， 并且当发散的角度增加时，型坯的直径膨胀程度也将随之减小；收敛的口模形 式则会增加聚合物熔体的轴向流动速率，并且会进一步拉伸聚合物高分子链， 这致使收敛的口模形式具有比平直的口模形式大的出口型坯离模膨胀【1 1 1 。口模 间隙对型坯离模膨胀也有很大的影响，增大口模间隙会同时减小型坯的直径膨 胀和壁厚膨胀【l2 1 ，但是口模间隙的增大会增强型坯的垂伸效应作用。所以调节 口模间隙是目前控制型坯壁厚分布的主要手段之一。 挤出吹塑成型过程中，在挤出口模结构尺寸一定的情况下，对型坯的形状 和尺寸起支配作用的关键因素是聚合物材料的黏弹性行为，而聚合物熔体温度 的高低直接影响型坯的形状稳定性和吹塑制品的表观质量。聚合物熔体的温度 不但影响型坯的离模膨胀，同时对型坯的垂伸效应也有很大的影响，且这两种 影响不容易解耦开来。而吹塑模具的温度则影响吹塑制品的冷却固化，如果吹 6 的残余应力， 同时也有可能影响最终制品的表面质量。 吹胀压力和吹胀时间都会对挤出吹塑制品的性能产生影响，它们主要通过 影响最终吹塑制品的壁厚分布来影响制品的性能。吹胀时间对于吹塑制品的最 终形状有决定作用，吹胀时间过短可能致使型坯不能完好的紧贴吹塑模具而得 不到符合要求的吹塑产品，而吹胀时间过长则有可能把制品吹破且增加生产周 期浪费时间。吹胀时间的增加同时也增加了冷却时间，因为冷却时间包含吹胀 时间和排气时间，但是吹胀时间占主要部分，当吹胀时间增加时热交换时间就 变得更长，冷却效果就更好，就越容易得到比较理想的吹塑制品轮廓i l 引。吹胀 压力与吹胀时间有一定的关系，在不同的吹胀压力下，完成整个型坯的吹胀过 程，吹胀时间与型坯变形率的对应关系如图1 7 所示。型坯变形率r r 大于模 具与型坯初始半径之比的部分可以看成是型坯受约束吹胀部分，而其余的则为 自由吹胀部分，从图中可以看出吹胀压力越大，所需的吹胀时间就越短，在整 个吹胀过程中型坯的变形速率呈加速形势i l4 | 。 ： 时圃蚴 图1 7 不同吹胀压力下吹胀时间与型坯变形率的关系 1 3 2 材料参数 分子结构，特别是长链分子结构对挤出离模膨胀有明显的影响。1 9 9 2 年 7 ， 第1 章绪论 k o o p m a n s 【9 】研究了两种连续批次同一等级的h d p e 材料的离模膨胀特性，发现 最大离模膨胀比和到达最大离模膨胀的时间对聚合物分子量的分布( m w d ) 很 敏感。具有宽的分子量分布( b r o a d e s tm w d ) 的聚合物最大膨胀就小，具有低 的分子量( m w ) 和窄的分子量分布( n a r r o w e s tm w d ) 的聚合物就可能具有较 大的直径膨胀。然而，由于熔融指数较低，这样的聚合物熔体将会产生更大的 垂伸效应，并且一旦达到型坯的关键长度后，型坯的上部会得到较小的直径和 厚度。e g g e n 和s o m m e r f e l d t l l 5 1 指出具有宽的分子量分布( m w d ) 的聚合物对 任何一种形状的口模都有很小的离模膨胀。d i r a d d o 和g a r c i a r e j o n l l 6 】通过研究 发现离模膨胀程度会随m w d 而变化，对于不同的聚合物材料，用w e i s s e n b e r g 数来衡量离模膨胀比用剪切速率衡量要好。这样，聚合物的离模膨胀行为就可 直接与描述聚合物弹性水平的参数松弛时间联系起来，松弛时间越大直径膨胀 和壁厚膨胀就越大。 1 4 挤出吹塑成型研究进展 从上世纪6 0 年代起，国内外的许多研究者都致力于用不同的方法来研究挤 出吹塑成型的各个阶段，以期能够对挤出吹塑成型的成型机理有深入的了解， 并且通过研究取得了一定的成果。但对于挤出吹塑成型的各个阶段综合起来的 研究却比较罕见，而其中研究最多的是挤出吹塑成型过程中的型坯成型过程。 对挤出吹塑成型过程的研究可分为实验研究和理论研究两部分。 1 4 1 挤出吹塑成型实验研究进展 利用实验的方法研究过程工艺参数和聚合物材料流变参数对挤出吹塑成型 过程的影响，并揭示出其成型机理，其研究重点是找到分离出离模膨胀和垂伸 效应的实验方法和准确测量成型过程中型坯的壁厚和其他物理量的实验方法。 1 4 1 1 型坯成型阶段的实验研究进展 型坯挤出后的壁厚分布是影响挤出吹塑制品性能的关键因素。然而，型坯 的壁厚分布一般难以直接测量，这导致对型坯壁厚膨胀的分析也变得十分困难。 由于挤出的聚合物型坯温度很高，从而导致型坯的壁厚分布无法直接测量。所 以对挤出吹塑成型中型坯成型阶段的实验研究主要是设计合理的实验方法来测 量型坯直径分布和壁厚分布。 8 第1 章绪论 坯塑 图1 8 “夹坯型”模具示意图 s h e p t a k 和b e y e r l l l 7 j 等是最早利用实验方法来研究型坯离模膨胀的，并且通 过实验方法测得了挤出吹塑型坯成型过程中型坯的壁厚和直径分布。在实验中 他们采用了一种被称为“夹坯型”( p i n c h o f f m o l d ) 的特殊模具来分析型坯的壁厚 和直径分布，如图1 8 所示。但是通过这种“夹坯型”的特殊模具只能直接测得型 坯的质量膨胀，而不能直接得到型坯的壁厚膨胀和直径膨胀。k a l y o n 1 s , 1 9 】等对 上述测量方法做了改进，他们在测量装置上加装了一套摄像装置用来拍摄模具 夹坯前后型坯的图像，并对夹坯前后型坯的图像进行对比分析，从而得到型坯 的直径分布。通过这种方法虽然能得到比较精确的直径分布，但是这种型坯尺 寸测量方法的明显缺点是测量比较耗时，且不适合在线测量。 图1 9 型坯膨胀测量装置示意图 随着计算机图像处理技术的飞速发展，很多的研究者都试图通过图像处理 技术来分析型坯的成型过程，以确定型坯的尺寸分布。因为型坯的直径分布可 以通过对比分析型坯成型过程中所拍摄的型坯图像直接得到，而型坯的壁厚分 9 第1 章绪论 布却不能直接通过这一技术得到，必须通过间接的计算才能得到，所以许多研 究者都致力于寻找到一种合理的测量手段和算法来获得型坯成型过程中型坯的 壁厚分布。p l s w a n 【2 0 j 等为了获得型坯的壁厚分布设计了一套测量装置，该 装置利用两台摄像机对型坯挤出过程进行拍摄，通过对所拍型坯的图像进行处 理得到型坯的膨胀程度，测量原理示意图如图1 9 所示。该测量装置的缺点是设 备比较复杂且测量时只考虑等温状态，所以该测量方法比较适合实验室测量但 实际应用不广。 随后，在图像分析方法的基础上r w d i m d d o 和a g a r c i a r e j o n 1 6 】进一步 提出了非接触式测量型坯壁厚分布的方法，该方法只用一台摄像机对型坯的挤 出过程进行拍照，获得型坯长度随时间的变化关系等，然后通过计算得到型坯 的壁厚分布。这种测量方法与p l s w a n 等采用的测量方法比较，实验的方法和 装置都更加的简单，但是其理论分析过程却更加的复杂且要经过非常繁琐的数 据处理后才能获得型坯的壁厚分布。 e g g e n 和s o m m e r f e l d t 等【1 5 】对r w d i m d d o 和w i p a t t e r s o n 等【2 1 】提出的 型坯壁厚尺寸分布在线闭环控制系统进行修改得到了一种能直接在线测量型坯 壁厚分布的测量装置，如图1 1 0 所示。该测量装置把r w d i r a d d o 和w i p a t t e r s o n 提出的测量装置中的照相机用摄像机替代并与图形分析仪相连接，同时 还增加了一个向型坯表面喷墨的装置。该套装置通过图形分析仪分析摄像机所 拍图像获得型坯的直径分布并与测量相邻墨点间的距离结合计算出型坯的壁厚 分布。由于该方法假设流量为常数，所以理论简单且实验装置容易实现并且具 有较高的测量精度，得到广泛的应用。 图1 1 0 型坯尺寸在线测量装置 1 0 第1 章绪论 除了利用图像处理技术研究型坯的膨胀外，研究者还尝试利用光学的方法 来研究型坯成型过程中型坯的膨胀。p l s w a n 和a g a r c i a r e j o n 2 2 j 等是最早利 用光学方法来研究型坯膨胀的，他们利用光线反射的原理来测量型坯的尺寸。 该方法是利用一道激光，以一定的角度照向型坯表面，并用摄像机镜头记录下 经型坯内外表面反射形成的激光与初始激光的间隔，送入计算机分析系统进行 计算得到型坯的壁厚分布。由于该方法要考虑光的折射问题，并且还要确定型 坯的折射率，这必然增加测量的复杂性和测量难度，尤其是在型坯壁厚比较大 的情况下。 由于聚合物本身的黏弹性，各种加工成型条件和材料本身特性的变化对型 坯的膨胀及垂伸都会产生非线性的影响，因此，除了对型坯的测量方法的研究 外，也有不少学者通过各种相关的实验手段改变各种挤出过程的工艺参数，研 究它们对型坯膨胀和垂伸的影响。 1 4 1 2 型坯吹胀阶段的实验研究进展 型坯的吹胀成型过程直接影响到吹塑制品的最终外形轮廓和各项性能，是 整个成型过程的关键环节。在这一阶段的实验研究主要包括两个方面：型坯吹 胀动力学研究和型坯吹胀完毕后吹塑制品最终壁厚尺寸的测量。 m r k 锄a 1 【2 3 】等是最早从事型坯吹胀动力学研究的，他们设计了一个透明 的吹塑模具，并用两台摄像机来记录型坯在吹塑模具内的吹胀行为，然后再通 过图形分析仪分析所拍型坯图像，从而确定型坯的直径分布随时间的变化关系。 其后r y a n 和d u t t a 2 4 】等利用摄像技术在无模具条件下监测了型坯的自由膨胀过 程，并得到了型坯的膨胀尺寸。此后，很多研究者都采用类似的方法来研究型 坯的吹胀行为。 w a g n e r 和k a l y o n 2 5 】在k a m a l 等人的基础上在实验装置的内部加装了固体 压力传感器来测量型坯吹胀时的压力，同时在模具型腔的飞边上也加装一个压 力传感器，这样，通过两个传感器就可测量出型坯内外的真实压力差，从而获 得吹胀压力对型坯吹胀行为的影响关系。其后，y o n gl i t 2 6 】等利用可以测得瞬时 表面形状的高速光学测量系统测量研究了聚合物薄膜的胀大行为，其测量精度 比k a m a l 等所用的方法要高的多。d i d e r i c h s 和o e y n h a u s e r 2 7 1 等利用在模具内加 装超声波传感器的方法测量了型坯吹胀后的壁厚分布，但是利用超声波测量型 坯的壁厚分布时，其精度易受聚合物材料密度、结晶度与温度等的干扰。 薯 第l 章绪论 1 4 1 3 型坯冷却固化阶段的实验研究进展 挤出吹塑制品的冷却时间占整个成型周期的6 0 以上，壁厚比较大的制品 更是达到9 0 2 引。因此，缩短吹塑制品的冷却时间提高冷却效率，有利于降低 生产能耗，提高生产率。挤出吹塑成型型坯冷却固化阶段的实验研究主要表现 在对型坯温度的测量方面。 惫 图1 1 1 “半瓶”成型实验原理图 e d w a r d l 2 9 j 等人为了验证其对挤出吹塑冷却过程的理论预测，设计了“半瓶” 成型实验装置。其实验原理如图1 1 1 所示，利用热电偶温度传感器测得外表面 的瞬时温度，再利用辐射高温计测得制品一离开模具时内表面的温度，其实验 结果与理论预测基本一致。d i r a d d o 3 0 】等用六个热电偶从模具的不同部位插入制 品的不同厚度处，并通过与之连接的温度采集器采集温度，获得制品不同厚度 处的瞬态温度。这种测量方法比“半瓶”成型实验法有了很大的改进。 2 0 0 6 年h u a n gh x 【3 l 】等人设计了一个冷却和固化阶段的在线温度测试系 统。该系统主要有两方面的作用，首先他们在该系统中加装了一种特殊的热电 偶，如图1 1 2 所示，使得它能穿透进冷却部件或再热的预成型型坯内部，其次 就是设计了一种特别的刷子装置来测量再热预成型型坯旋转时的温度。 、 ， 、d k l 灯鼍幽盱 了 p r l 一 、lf 0 芝蕙固 m 棚 卿k - ，一一 p r t 图1 1 2 冷却和固化阶段温度在线测量示意图 1 2 第1 章绪论 1 4 2 挤出吹塑成型理论研究进展 1 4 2 1 本构方程 由于聚合物熔体的挤出吹塑成型过程表现为非线性的黏弹性流动过程，而 该类流动过程一般都比较复杂，且具有高度的非线性，导致其数值求解过程极 具挑战。因此，寻找到一种能够准确反映挤出吹塑成型过程中聚合物熔体流动 特性的黏弹性本构方程，对该过程的数值模拟有着关键的作用。聚合物熔体的 非线性黏弹性本构方程一般包括微分型和积分型两种。 u c m ( u p p e rc o n v e c t e dm a x w e l l ) 本构方程是最简单的同时也是最早广泛 应用于黏弹性流体分析的本构方程之一。在该本构方程中溶剂牛顿黏性偏应力 张量f ，等于零，由于u c m 本构方程的形式比较简单，一般仅应用于聚合物熔体 的小变形情况和定性分析中。 1 9 8 0 年m j c r o c h e t 和r k e t m i n g s 3 2 l 利用u c m 本构方程研究了聚合物黏 弹性流体的平面窄缝挤出、圆柱形挤出和环形挤出下的膨胀行为。1 9 9 0 年t a k e o s h i o j i m a 和y o j is h i m a z a k i f 3 3 】对m a x w e l l 流体从平板间的挤出过程和矩形机头口 模下挤出过程的膨胀行为进行了三维有限元模拟。为了获得高度非线性的收敛 解，采用标准的g a l e r k i n 求解熔体的速度和剪切应力，而对于法向偏应力的求 解则采用最d - - 乘有限元法。2 0 0 8 年m f t o m 6 等【3 4 】采用u c m 本构方程对黏 弹性流体的不可压缩、等温条件下平板流动进行了模拟研究，并得到了与实验 数据吻合比较好的解。 为了得到更加准确反映聚合物熔体流变性能的本构方程，j l w h i t e 和a b m e t z n e r 等【3 5 】提出了o l d r o y d - b 本构方程。由于o l d r o y d - b 本构方程在u c m 本 构方程的基础上增加了纯黏性偏应力项的影响，改善了偏微分方程的椭圆性从 而使其更容易满足变形协调条件，对方程的数值计算有所优化，所以要优于u c m 本构方程。o l d r o y d - b 本构方程形式比较简单，且能较好的反映聚合物熔体的流 变性能，因而在黏弹性流体的数值模拟中得到广泛采用。 1 9 9 1 年，k a j i w a r a 掣3 6 】利用o l d r o y d b 本构方程对平直型机头在各种模口 内外直径比下的型坯膨胀进行了模拟研究，结果表明当模口内外直径比接近1 时，型坯的挤出膨胀近似于平面窄缝挤出时的膨胀，而模口内外直径比接近o 时，型坯的挤出膨胀则近似于毛细管挤出时的膨胀。 在u c m 本构方程的基础上考虑松弛时间和黏度与剪切速率、温度等的影响 1 3 第l 章绪论 关系，就可得到w h i t e m e t z n e r 本构方程【37 。w h i t e m e t z n e r 本构方程能够比较 准确的反映聚合物熔体流动时的剪切变稀特性，同时也能体现聚合物熔体的非 二次第一法向应力差影响，但由于在高剪切率下会出现虚假的振荡结果，其只 适用于聚合物熔体的小变形情况和非线性特性不是很大的情况。 t h i e n 和t a n n e r 3 8 , 3 9 j 提出的p t t ( p h a nt h i e n t a n n e r ) 本构方程是目前应用 最广泛的能反映聚合物熔体真实黏弹性特性的非线性微分本构方程之一。由于 p t t 本构方程可以表征聚合物熔体在高剪切速率下的剪切变稀效应，同时也可 预测高剪切速率下的聚合物熔体的二次流动和第一法向应力差，被广泛应用于 各种聚合物加工成型中，成为使用比较多也比较成功的黏弹性本构方程。其也 被成功应用于聚合物的挤出吹塑成型的数值模拟研究中。 2 0 0 8 年g e o r g ek a r a p e t s a s 4 0 j 等对平直型机头的环形挤出进行了三维数值模 拟研究，模拟过程中采用的是p t t 黏弹性本构方程，并认为挤出过程聚合物熔 体的流动是稳态的等温流动。2 0 1 0 年m f t o m 6 4 1 】等利用非线性p 1 v r 本构方程 对黏弹性流体的自由表面流进行了三维数值模拟研究，得到了材料参数和三 对挤出膨胀的影响关系。 g i