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摘要 超高分子量聚乙烯柱塞冲压挤出过程研究 摘要 柱塞冲压式挤出机是在液压式柱塞推压机的基础上根据锻造原理开 发的一种机械式柱塞挤出机。用柱塞冲压式挤出机可以连续挤出超高分子 量聚乙烯制品。本文以柱塞冲压挤出过程为研究对象，意在揭示该过程“高 频断续加料、连续稳定挤出”的本质，为实际生产提供理论依据。 本文论述了柱塞冲压挤出过程，阐明了柱塞冲压挤出过程的连续性特 征。根据物料经历的状态变化和挤出机的结构，将该过程分为固体输送段、 熔融段、分流段和口模成型段。将柱塞冲压加料引起的圆截面口模内的流 动简化为入口压力正弦振动引起的动态流动，根据熔体不可压缩假设，考 虑和时间有关的惯性力，建立了该段的数学模型。用f l u e n t 软件对口 模内的流动进行了模拟分析。结果表明：( 1 ) 压力和速度的波动从入口到 出口逐渐减弱；( 2 ) 只增加口模长度时，出口处速度的振幅减小，平均挤 出速度下降；( 3 ) 频率为5 h z 时，平均挤出速度不变，但速度场的波动 比4 h z 、6 h z 和8 h z 时的显著减小；( 4 ) 只增大入口压力振幅时，出口处 速度的振幅成比例增大。可见，采用加长口模，适当提高冲压频率，并限 制柱塞的行程( 和入口压力振幅相关) ，有利于减小口模出口处速度的波 动。模拟结果与实际情况相符，从理论上论证了柱塞冲压挤出过程的稳定 性特征。 关键词：超高分子量聚乙烯，柱塞冲压挤出过程，动态流动，数值模拟 摘要 c i r c u l a rc r o s s s e c t i o nw a ss i m p l i f i e di n t ot h e d ”锄i cn o wc r e a t e db y s i n u s o i d a lv 撕a t i o ni n l e tp r e s s u r e am a t h 钮1 a t i cm o d e lo fd i em o l d i n gz o n e w a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f i n c o m p r e s s i b i l i 移a s s u m p t o na dr e l a t i o n s h i p s h e 锕，e e ni n e r t i af o r c ea i l dt i m e f l u e n ts o 脚a r ew a su s e dt os i m u l a t et h e f l o w 五e l di nac i r 叨1 a rc r o s s - s e c t i o nd i e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) n u c t u a t i o no f p r e s 嘴柚dv c l o c i 哆协p e r e d 舶mi n l e tt oo u t l e to f m e d i e ，( 2 ) b o t l la 】【i a l v e l o c i 够a m p l i t l l d ea n dm e a na x i a l - v e l o c i 够d e c 嘲s e dw i t l lt h e i n 凹e a s i n go fd i e sl e n g 也，( 3 ) w h e nm ev i b r a t i o n 氐q u e n c yo fi n l e tp r c s s u r e w a s5 h z ，t h ea x i a l v e l o c i t ya m p l i t l l d ew a sf 缸m o r el o w e rt h 趾t h o s eo fc a s e s c a u s c db yi n l e tp r e s s u r ew i 也t h ev i b r a t i o n 缸q u e n c yo f4 h z ，6 h za n d8 h z ， a 1 1 d ( 4 ) a x i a l - v e l o c i 够a m p “t u d ea i l di n l e tp r e s s u r ea m p l i t l l d ei n c r e a s e dw i t l l t h es a l em t i o i tw a sc o n c l u d e dt h a ta x i a l - v e l o c i t yn u c t l l 撕o na to u t l e tw o u l d b e 目e a t l yw e a k e nb yl e n g 也e n i n g 也ed i e ，i n c r c a s i n gt h ep 岫c h i n gf e q u e n c y 舶m2 4 0t o3 0 0t i m e sp c rl n i n u t ew h i l e1 i m i t i n gr 撇sd i s t a l l c eo fm nw h i c h w a sr e l a t e dw i mi n l e tp r e s s l l r e 锄叩l i t u d e a n a l o gr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t l l p r a c t i c a ls h a t i o n s a n dt 1 1 cp m c e 耐ss t a b i l 时w a s 唧o u n d 酣 k e yw o r d s ：u l 订a - h i g l lm o l e c m a r w e i g h tp o l y e t h y l e n 娟朋m w p e ) ， p 蛆c h i n gp l u n g e r e x t r u s i o n p r o c e s s ，d y n 锄i cn o w ， n u m e r i c a ls i m u l a 土i o n l i l 符号说明 符号说明 零剪切黏度，p a s 聚合物熔体的稠度，p a s “ 聚合物熔体的非牛顿指数 聚合物熔体的松弛时间，s 热扩散系数，m 2 s 。 聚合物熔体表观黏度，p a s 气体常数，8 3 1 4j m o l k - 1 结晶型聚合物的熔点， 有效热导率，w m _ 1 一k 1 有效比定压热容j k 一“k - 1 固体输送段外摩擦因数 固体输送段侧压力系数 冲压周期，s 冲压频率，h z 曲轴回转角速度，r a d s - l 时间，s 一个周期内柱塞开始接触物料的时刻，s 个周期内柱塞开始离开物料的时刻，s 柱塞冲压物料消耗的有效功率，w 柱塞对物料的冲压力，n 柱塞的速度，m s 1 柱塞的位移，m 固体输送段机筒内径，m 固体输送段机筒横截面积，m 2 口模流道半径，m x 砌 m 。 。 口 r 屯厶夤r 厂 。 n 如 蜊删驸删研 山 助 北京化工大学位论文原创性声明 飞y 上 8 8 2 0 3 1 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已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?蕉建童 曰期： 2 口“6 f o 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2 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文小属丁保密范围，适用本授 权书。 作者签名：奎建量 导师签名：益】! 塑兰 日刿 ：尹9 矿石莎，c 锣 第一章文献综述 1 1u h i w p e 概述 1 1 1 发展历史 第一章文献综述 u h m w p e 是在发明了低压法聚合高密度聚乙烯( h d p e ) 之后才出现的，最早由 德国h o e c h s t 公司于1 9 5 9 年开发研制成功，并实现工业化生产，牌号为g u r 、v p 9 2 5 5 等。其后美国h e r c u l e s 公司、日本三井石油化学工业株式会社、荷兰d s m 公司等相继 实现了较大规模的工业化生产。在我国，u h m w p e 最早由上海高桥化工厂于1 9 6 4 年 研制成功并投产。其后，广州塑料厂、北京助剂二厂、合肥化工研究院等单位也相继 投产。北京助剂二厂在1 9 8 0 年建成8 k t a 的低压淤浆法高密度聚乙烯生产装置，后经改 造可同时生产u h m w p e 。该厂于1 9 9 5 年又建成套1 0 k v a 专门生产u h m w p e 的生产 装置，除满足国内市场( 约4 k v a ) 需求外，产品已有出口，其产品的内在质量( 如分子量、 堆密度、断裂伸长率等1 均已达到日本三井公司的2 4 0 m 、3 4 0 m 和德国h o e c h s t 公司 g u r 4 3 2 牌号的水平。美国、德国和日本既是生产大国也是消费大国，仅这三个国家 的消费就占了世界总产量的9 0 。此外，生产超高分子量聚乙烯原料的国家还有：英 国、法国、比利时、印度等i l j 。 表1 - i 世界u h m w p e 主要生产厂家1 2 l t a b l e1 - 1m a i nm a n u f a c t u r e ro f u h m w p ei nt h ew o r l d 树脂牌号生产厂家 h i f a x1 9 9 0 赫尔克勒斯公司( h e r c u l e s ) m a l e x 美国 菲利普石油公司( p h j j l i p sp e t r o j c u m ) a - c1 2 2 5 一 联合化学公司( a l l i e dc h e m i c a l ) ! ! ! ! 堕墨塑查型壅竺宴! 兰堡婴! 坚! h o s 州t a l e no 锄u r 德国h 赫西斯特公司( h o e c h s t ) 巴斯夫公司( b a s f ) 近2 0 年来，随着加工技术的不断发展， 纪8 0 年代以前，世界平均年增长率为8 5 ， 我国的平均年增长率在3 0 以上。 u h m w p e 的产量和用量不断增长：上世 进入8 0 年代以后，增长率高达1 5 2 0 北京化工大学硕士学位论文 1 1 2 性能与应用 u h m w p e 一般是指粘均相对分子质量超过1 5 0 万的聚乙烯，是一种新型工程塑 料。极高的相对分子质量赋予它普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的诸多优点”， 如下： 1 ) 卓越的耐磨损性； 2 ) 极高的冲击强度，比p a 6 和p p 大1 0 倍； 3 ) 能吸收震动冲击，防噪声； 4 ) 摩擦系数很低，能自润滑： 5 ) 不易粘附异物，滑动时有极优良的抗粘附特性； 6 ) 耐化学腐蚀，并可屏蔽原子辐射； 7 ) 使用温度范围是- 2 6 9 。c 一+ t o o x 2 ，在一1 9 6 。c 条件下使用时，仍能保持很好的韧 性和强度； 8 ) 无毒性、无污染、可回收利用，有良好的热稳定性和不吸水性，尺寸精度高， 不易变形： 9 ) 密度低，是最轻质的工程塑料； 1 0 ) 成本低廉，和普通h d p e 相当。 表1 - 2u h m w p e 常用性能指标 t a b l e1 - 2g e n e r a lp e r f o r m a n c e so f u h m v c p e 第一章文献综述 由于这些优良特性，u h m w p e 现已被广泛用于纺织、造纸、食品、化工、包装、 农业、建筑、医疗、体育、娱乐、军事等领域。主要制品有：板材、管材、棒材和成 品( 包括齿轮、轴承、轴套、滚轮、导轨、滑块、衬块等) 。 在我国，u h m w p e 的应用最初以纺织皮结、脱水板、过滤器材等为主，随后应 用领域日益扩大，目前已发展到机车、运输机械、矿山、食品、宇航、原子能等方面， 起到了其它工程塑料不能替代的作用。1 9 8 8 年国内u h m w p e 用量是7 0 0 8 0 0 吨，1 9 9 6 年增至2 0 0 0 吨左右，原料主要由北京助剂- ) - 供应，产品主要应用在纺织、机械、食 品、运输设备等方面，其中板材占6 0 ，型材占2 5 。 1 1 3 难加工性 u h m w p e 由于相对分子质量大、分子链之间的缠结多，分子间力较大，使得链段 运动即使在加热的情况下运动也相当困难，因此其熔体粘度很大、流动性极差，难以 加工成型。u h m w p e 的难加工性主要体现在以下几个方面： 1 、u h m w p e 熔体为橡胶态的高粘弹体，熔体黏度高达1 0 8p a s 在温度为1 9 0 。c ，负荷为2 1 6 k g 测试条件下，一般热塑性塑料熔体流动速率在 0 0 3 3 0 9 1 0 r a i n 范围内，而u h m w p e 在上述条件下根本测不出结果，即使将负载加 大1 0 倍( 即2 1 6 k g ) ，熔体也很难从仪器喷嘴流出，熔体指数近于零。 2 、u h m w p e 具有较低的临界剪切速率 一般挤出时，挤出棒材、普通制品及单丝的剪切速率( 用矿表示) 为1 0 一1 0 4s ； 吹塑成型时的剪切速率为1 1 0 4s _ ，注塑时的剪切速率为1 0 2 1 0 6s ，挤出制品截面 积越大，单位时间的挤如量越少，剪切速率也越小。u h m w p e 在剪切速率很低( 1 0 4s ) 时，就可能产生熔体破裂，在较低剪切速率下，就会产生滑流或喷流现象，使其表面 质量变差。图1 1 【2 】给出了u h m w p e 以不同的剪切速率通过挤出机口模时所呈现的四 种流动状态。 图1 - 1u h m w p e 的挤出模型 f i g 1 - 1e x t r u s i o nm o d e l so f u h m w p e a 层流，在较低的尹范围内出现，与普通p e 一样，产生离模膨胀 扎京化工a 学硕士学位诤文 b 开始出现熔体破裂，挤出物表面开始变得不光滑； c 杵塞流，在此状态料流各屡之间不产生相对位移，和层流状态不同，它不 引起离模膨胀； r 卜一一在高，下，流动激变为喷射流。 3 、摩擦园数小，用单螺杆挤出机加工时进料段易发生打滑现象，造成供料不均 匀、产品质量出现波动； 4 、成型温度范围窄，易氧化降解。 1 2u h m w p e 的几种主要挤出成型技术 挤出成型“是借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的物料强行通过型孔或模 头而成为具有特定截而的连续制品的一种加工方法。聚合物加工中常用的物料输送方 法p o 是：j e 位移输送和摩擦拖曳输送。前者靠机械运动部件相对于静止壁面的正向移 动来强制推进物料，后者借助运动壁面对物料的摩擦力束拖动物料。枉正位移输送的 情况下，物料与静止壁面之闻的摩擦力减小了输送能力，而在摩擦拖曳中，物料和移 动壁面闻的摩擦力是输送驱动力的来源。u h m w p e 管材、棒材等连续性制品的挤出 成型方法按照原理主要有柱塞推压成型、单螺杆挤出成型、双螺杆挤出成型等几种， 近几年叉开发了u k m w p e 的柱塞冲压挤出成型法，下而分别予以介绍。 12 ，1 柱塞推压成型 柱塞推压机是最原始的挤出机，结构简单、坚固耐用。目前，柱塞推压注主要用 于挤出聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯及其它熔融黏度极高、挤出阻力极大的塑料制 品。其工作原理是：将粉料断续地加入加料室，由柱塞施加高压使压缩粉料移动、连 续烧结和冷却定型三个步骤实现半连续挤出。杆塞推压机是完全正位移装置，柱塞的 往复运动靠液压传动实现，可以传递很高的压力，能挤出熔融粘度极高的塑料甚至固 态塑料( 比如h d p e 的固态挤出成型) ，但是柱塞运动的频率很低( 德国p m 公司的卧 式推压机柱塞运动频率为每1 0 s 一次1 4 1 ) ，生产过程不连续。为改菩柱塞推压成型的 连续性，提高其产量和产品质量，人们先后开发出不同结构形式的双柱塞推压机h “ 以及螺杆，柱塞复合式挤出机州。采用取柱塞供料或者螺杆挤出机辅助供料，增加了挤 出过程的连续挂，一定程度上提高了生产率，但困为柱塞的往复运动仍靠液压传动实 现，频率不可能很高，所以只能实现牛连续挤出。 目前，柱塞推压机的代表性产品【”】，在国内有辽宁阜新红旗塑料机械开发的 s t j 系列柱塞推压机和青岛远东工程塑料有限公司与中国轻工总会塑料应用研究所联 合研制的z s t j 系列大口径薄壁u h m w p e 管材生产设备。在国外，美国p h i l l i p s 第壹文献综述 s c i e n t i f i c 公司的卧式柱塞推压机、日本三井公司的s 1 m 一- 7 4 9 a 型推压机、德国p m 公司的卧式推压机和德国w k 公司的立式推压机是代表性产品。 1 ，2 2 单螺杆挤出成型托4 世界上最早研s l i u h m w p e 单螺杆挤出成型技术的是日本三并石油化学公司，于 1 9 7 1 年开始研究u h m w p e 棒材挤出技术，1 9 7 4 年投人生产，采用的是经过改造的 q b 6 5 m m 的单螺杆挤出机。随后，美国、德国也开发出了各自的单螺杆挤出工艺 1 1 。 目前，国内一些厂家和单位，从螺杆形状入手，结合材料配方调整和加工工艺改 进，已能连续生产u h m w p e 管材和其它制品。1 9 8 2 年，北京塑料研究所完成了用单 螺杆挤出u h m w p e 制品的科研任务，成功挤出了0 2 8 0 m m 规格的棒材。北京化工大 学塑料机械研究所于1 9 9 4 年底研制出e 1 4 5 型u i - m t w p e 专用单螺杆挤出机，并于1 9 9 7 年取得了中6 5 型单螺杆挤出管材工业化生产线的成功1 1 1 - 1 2 1 。 因u h m w p e 与金属壁面之间的摩擦系数很小，物料易在加料段机筒内打滑，难 以压实。由于没有自由流动态的出现【2 ，在普通单螺杆挤出机中，当物料前进速度超 过u h m w p e 的熔融变形能力时，物料会抱附在螺杆上，对机筒打滑而不能前进，在 压缩段形成“料塞”。u h m w p e 专用单螺杆挤出机为克服压缩段的高阻力和进料打滑 现象，设计了组合式机简，它由开槽段和平滑段两部分组成，能显著增大粉状固体的 输送能力：为克服高粘度带来的熔体阻力，设计了专用的太推力螺杆。即使对设备作 了很大改进，用专用单螺杆挤出机挤出u i v i w p e 管时仍然必须对原料进行流动改性， 并目无法挤出相对分子质量在4 0 0 万以上的原料l i j 。 i 2 3 双螺杆挤出成型1 1 3 - 1 6 i 同向双螺杆挤出机的两根螺杆啮合在一起，具有自洁功能，能将物料强制推进， 不会象单螺杆挤出机那样形成料塞。u h m w p e 在同向双螺杆挤出机的塑化段被压实 和熔融，并被连续啮合推进，通过计量段后进入模具，生产过程是连续的。 用同向双螺杆挤出机加工u h m w p e 时，物料在挤出机中受到的剪切作用比较小， 塑化所需热量，全来自外加热源，可糟确控制这样就能使物料在挤出过程中的降解 减至最小。为保证挤出过程连续而稳定，机头流道截面积要与螺杆输送物料的能力相 适应。螺杆的转速不能快，一般在每分钟l o 转左右。为了避免材料粘到金属表面上， 应将挤出温度控制在1 8 0 2 0 0 之闻。虽然同向双螺杆挤出机已成功地用于加工 u h m w p e ，但在实际应用中仍存在一些问题。首先是挤出量较低，必须控制在螺杆 正向泵送物料的能力范围之内。其次，挤出机马达的功率消耗也较太。 目前，世界上已有许多厂家使用同向戏螺杆挤出机加工u h m w p e 。德目的 r u h r - c h e m i e 公司，将他们生产的u h m w p e 加工成最大直径为1 5 0 t r i m 的棒材a 瑞士 北京化工大学硕士学位论文 一家公司，用双螺杆挤出机为洗棉机生产了5 0 多种型材。目前已用同向双螺杆挤出 机成功挤出的产品有1 5 5 0 m m 2 的带条，6 4 x 5 0 5 0 x 3 0 0 m m 2 的矩形型材，直径1 9 1 5 0 m m 的圆棒，以及各种异型材。有资料报道，现在欧美利用特殊的双螺杆挤出机， 已能挤出最大直径为m 3 0 0 m m 的管材。在我国，王庆昭等人首次实现了用平行同向双 螺杆挤出机和锥型异向双螺杆挤出机挤出u h m w p e 型材。 1 2 4 柱塞冲压挤出成型 2 0 0 4 年，北化塑机所成功开发了u h m w p e 柱塞冲压挤出成型技术，实现了在不 加任何改性剂的条件下连续挤出相对分子质量超过8 0 0 万的u h m w p e 制品。该技术 与传统的柱塞推压成型法不同，可实现高粘弹性熔体的连续挤出。传统的柱塞推压成 型法只能实现半连续成型，用柱塞推压机挤出时制品离开口模的速度不均匀，甚至有 间断的停留，从而造成产品在外观上出现竹节现象、纵向性能不均匀等缺陷。柱塞冲 压挤出成型技术，集中了柱塞推压法和螺杆挤出法的优点，既能实现连续挤出，又不 受原料相对分子质量高低的限制。柱塞冲压挤出成型所用主机是柱塞冲压式挤出机。 1 2 4 1 柱塞冲压式挤出机的结构和工作原理i i 柱塞冲压式挤出机是在液压式柱塞推压机基础上根据“锻造”原理开发的一种机 械式柱塞挤出机，其突出特点是：柱塞的往复运动靠机械传动实现，频率可以很高。 柱塞冲压式挤出机主要由冲压往复运动部分、物料压入部分、流道部分和模具部分等 组成，如图1 2 所示。 图1 - 2 柱塞冲压式挤出机原理图 1 连接体，2 副导套，3 副导柱，4 弯板，5 定板，6 主导套，7 主导柱 6 第一章文献综述 8 加料座，9 冲头，1 0 预热座，1 1 l 型流道，1 2 冲模，1 3 水平变径流道， 1 4 琏接体，1 5 加热器，1 6 分流芯，1 7 芯模，1 8 口模，1 9 导油管。 f i g 1 2s k e l e t o nd r a w i n go f t h ep u n c h i n gp l u n g e re x t r u d e r 1 c o n n e c t o r ，2 a u x i l i a r yg u i d es l e e v e ，3 a u x i l i a r yg u i d ep i l l a r s ，4 p t a t eb e n d e r ，5 f i x e db o a r d ，6 d o m i n a t i v eg u i d es l e e v e ，7 d o m i n a t i v eg u i d ep i l l a r s ，8 f e e db e d ，9 p l u n g e rt i p 。1 0 p r e h e a t i n gb e d ， 1 1 l m o d e lr u n n e r ，1 2 p u n c hd i e ，1 3 1 e v e lr e d u c e r r u n n e r ，1 4 c o n n e c t o r ，1 5 h e a t e r ， 1 6b r a n c hc o r e ，1 7 m a n d r e l ，1 8 d i e ，1 9 o i lc o n v e y i n gp i p e 冲压往复运动部分的核心是一套特殊的缓冲式球头曲柄连杆机构。一根曲轴上连 着两个连杆，连杆下端是冲头，曲轴旋转时两连杆交替运动，可实现双工位挤出。柱 塞高频往复运动的精度靠主导柱及其两侧的副导柱的导向作用来保证。 物料压入部分由冲头和冲模组成。冲头是一个下端为平面的圆柱，冲模固定在加 料座和预热座之间，冲模上有圆柱形孔。冲头与冲模之间的间隙为o 0 2 o 0 6 r a m 。冲 模的圆柱形孔与l 形止回流道连通。l 形流道由一段垂直圆柱孔、四分之一圆环孔和 一段水平变径流道组成，三段相互圆滑连接，相当于螺杆挤出机的机筒，物料在其中 受热熔融。变径流道由两端圆锥孔段和中间圆柱孔段组成，其末端与口模相连。制品 不同，口模的结构及尺寸也不同。 柱塞冲压式挤出机的工作原理如下：利用曲柄连杆机构带动柱塞做高频冲压运 动，每次柱塞下行冲压时将一小部分粉料压入机筒，由于柱塞冲压频率很高，每分钟 超过2 0 0 次，使得物料在机筒内的运动接近连续，加上聚合物熔融后具有很高的粘弹 性，便实现了制品的连续挤出成型。 1 2 4 2 影响柱塞冲压挤出过程的工艺参数 影响柱塞冲压挤出过程的工艺参数主要有柱塞推进深度、冲压频率、加热温度、 口模尺寸等。 l 、冲压频率和推进深度 柱塞冲压的频率直接影响粉料的压实速度和产量。压实速度应有利于使粉料中携 带的空气从冲头和冲模之间的间隙中排出，不宜过高。冲压频率还与机器的振动、产 生的噪声大小有关。柱塞的推进深度影响粉料的压实程度和挤出机内的压力分布，推 进深度增大时引起的压力波动也增大，从而造成出口处速度波动增大，对制品表面质 量不利，所以推进深度不能太大。推进深度与柱塞行程及曲轴的相对位置有关。实际 采用的冲压频率是2 5 0 次m i n ，柱塞行程4 0 6 0 m m ，推进深度为l o 1 5 r a m 。 2 、加热温度 预热段温度指预热座的设定温度，加热对象是刚进入机筒的粉料。该段温度设得 略高些，可使物料尽快进入熔融段，相对延长物料熔融、均化的时间，有利于提高管 材质量。预热温度一般设为9 0 1 0 0 ，预热段长度不超过1 0 0 m m 。 7 第二章柱塞冲压挤出过程物理模型 2 1 基础知识 第二章柱塞冲压挤出过程物理模型 柱塞冲压挤出成型技术与单螺杆挤出、双螺杆挤出等其它加工技术一样，都属于 聚合物成型加工范畴，都以聚合物成型的相关理论为理论基础。聚合物加工成型涉及 到连续介质力学、流变学、传热学等领域。由于聚合物材料具有多方面的复杂性质， 这些性质对加工过程影响很大，所以研究聚合物成型技术还需要对聚合物的各种性质 有充分的了解。下面分别对本研究所涉及到的物料性质和流变学的相关理论知识做简 单介绍。 2 1 1 物料的基本性质 在聚合物加工中，物料的物理化学性质是多方面的，其影响也是多方面的。对挤 出过程有较大影响的物料性质可分为三类：一是固态时的性质，二是从固态受热变为 液态时的性质，三是在熔融之后的流变性厨1 9 1 。 2 1 1 1 粉料的性质 l 、密度、安息角和压缩率1 9 。2 0 1 粉料是指尺寸小于o 1 m m 的固态物料。粉料颗粒的形状和堆积状态决定着该种粉 料的松密度、安息角和压缩率。松密度是指包括粉料粒子之间的空隙求出的密度。不 同厂家、不同牌号的u h m w p e 树脂，其松密度各不相同。不同松密度的粉料加入冲 压挤出机的加料段，将得到不同的挤出量，松密度增大，挤出量也增大。 表2 1 几种u h m w p e 粉料的性能口1 1 1 a b l e2 - 1s o m ep r o p e n j e s0 f i m w p ep o w e r 北京化工大学硕士学位论文 注：括号外为熔融后之值：括号内为固相值。 2 1 1 3 流变性质 1 、黏度及其影响因素【2 2 】 从分子运动的观点看，聚合物熔体的粘度由两方面因素决定：一是聚合物熔体内 的自由体积，二是大分子之间的缠结。自由体积是聚合物中未被聚合物占领的空隙， 它是大分子链段进行扩散的场所，凡是能引起自由体积增加的因素均能使聚合物的粘 度降低。高分子链之间的缠结增大内摩擦，凡引起缠结密度增加的因素，都会使分子 链的运动变得困难，使熔体粘度增加。 从宏观角度看，影响聚合物熔体粘度的因素主要有温度、压力、剪切速率、分子 结构及分子量等，这些影响因素之闻又存在着互相影响的关系。 舢温度对黏度的影响 温度升高时，聚合物熔体中的自由体积增加，因此粘度随着温度的升高而下降。 在温度远高于玻璃化温度l ( r t + 1 0 0 ) 的情况下，熔体粘度与温度的关系可 用阿累尼乌丝( a n h e l l i u s ) 方程表示f 1 9 】： 堕 玑= 玎o p 8 7 ( 2 3 ) 式中； ”r 表观黏度，p a s ； t 1 0 _ 一零剪切黏度，p a s ； r 气体常数，8 3 1 4j m o l ”k ； t _ 绝对温度，k ； e 粘流活化能，”m 0 1 1 。 不同聚合物的粘流活化能不同，其黏度对温度的敏感性也不同，粘流活化能较大， 温度的变化对熔体粘度的影响就比较显著。各种塑料的黏流活化能在5 3 0 “m o l 。之 间。 b ) 剪切速率对黏度的影响 相对分子质量较高的材料通常比相对分子质量较低的同一材料表现出更明显的 假塑性，这表明聚合物流动时的非牛顿行为是随相对分子质量增加丽增强的。在高剪 第二章柱塞冲压挤出过程物理模型 切速率下，熔体的粘度值可能比低剪切速率下的粘度值小几个数量级。u h m p w e 熔 体的黏度对剪切速率很敏感，有很强的非牛顿性，其非牛顿指数近于零。 c ) 压力对黏度的影响【2 2 】 聚台物熔体电存在自由体积，使其具有一定的可压缩性。当压力作用使得聚合物 中的自由体积减小时，大分子链段活动范围减小，分子问的作用力增加，导致熔体的 粘度增加。例如，当l d p e 中压力由1 大气压升高到1 0 0 m p a 时表观黏度增加了2 5 倍。 由于聚合物的可压缩性不同，其黏度对压力的敏感性也不同。增压引起黏度增加这一 事实说明，单纯通过增大压力来提高产量是不恰当的。 d ) 相对分子质量对黏度的影响1 2 2 】 聚合物相对分子质量增大，不同链段偶然位移相互抵消的机会增多，因而分子链 重心移动减慢，要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量，所以聚合物熔体的 黏度随相对分子质量增加而增大。 聚合物熔 ， 不连续。制品纵向性能不均匀，表面质量也不高，常有竹节现象出现。单螺杆挤出法 町用“高频断续加料。黎鸶甄警囊善。1 3 ! 蚕， u h m w p e 罄弦萋黧蒙望防毒堇蕈墓2 0 0 4 酆前畦w 篓；萋童：型矧襄磊西m 鞭“羹缸痨二薹吲躞馨荔攀琶浣鐾誊妻妻u h m w p e 羹 dmaxwell本构方程中，松弛 x 北京化工大学碗士学位论文 映的是聚合物的最大松弛时问。由文献【2 4 艉供的数据可估算出，在1 5 0 3 0 0 。c 范围 内g u r4 0 5 和h i m o n t1 9 0 0 两种牌号的u h m w p e 的弹性模量约为2 5 m p a ，将 u h m w p e 熔伟看成不可压缩的，即泊松比近似取0 5 ，可估算出u h m w p e 的最大松 弛时叫约为1 0 0 2 0 0 s 。由表1 4 可知，u h m w p e 熔体在口模内的停留时间超过6 0 0 s ， 熔体有足够的时间来完成自身的构象转变，熔体内的弹性形变有足够时间得到释放， 所以在出口处离模膨胀及轴向收缩效应很小，不影响产品表观质量。 2 1 2 流变学基础 分析聚合物挤出加工过程需要借助质量、动量及能量守恒定律和本构方程来进 行，对不同的加工过程、不同的物料以及同一种物料的不同聚集念，所采用的守恒方 程和本构方程不完全相同。 2 121 连续性介质力学方程组 i 、质量守恒方程田j 任何连续介质包括各种流体的运动都可由质量、动量和能量豹守恒方程捕述。任 一闭合系统的质量在其流动过程中4 i 生不灭，即流体系统的质量实际变化为零，这就 是质量守恒定律。反应质量守垣定律的方程即连续性方程。 柱坐标系下的连续性方程为： 署+ ；昙。一) + ；品b ) + 鲁咖) = 0 ( 2 - 5 ) 根据牛顿第二定律，作用在物体上的台力等于物体总动量的变化速率，动量之所 以变化是由于系统内流体微团受到挣作用力的缘故。流体微团所受到的作用力分为两 类，即与微团质量有关的质量力和作用于系统表面的表面力。物体在运动过程中动量 的变化是守恒的，一般形式的动量守恒方程为： 枵 一v p + v f 。+ 卢e ( 2 - 6 ) 其中方程右边前两项是表面力，第三项是质量力。 柱坐标系下动量方程的展开式为： p塑+”警+；嚣一等+w警1一詈+f三l,导orot忙，) + 鲁一等+ 警) + 昭，。i西，a 口，如j西 。7 ra 疗 r& j ( 2 7 a ) 6 第二章柱塞冲压挤出过程物理模型 d 言+ 石o v + 7 r 历o y + 詈+ w 笔) = 一i l 历o p + ( 吉昙( ，2 ) + ；等+ 警1 + 店。c 二约， 文警+u塑+；坐+w警)一警+(；旦(rs。)+；等+警+昭：cz-，c70r 0 0o r ， 删+ + 一+ w i = 一+ i 一一i i + 二旦+ 二ll + m( ，p 1 l 西 ， 瑟j如l ，、”7 ，a p a zj 。”2 。7 其中：u 、v 、w _ 珈向、环向和轴向分速度； r 、0 、z - 瑶向、环向和轴向坐标； t _ 时间； 卜物料的密度； p 流体静压力； s 应力偏量； g i 质量力分量。 热力学第一定律表明：任一封闭系统的流体内能变化率，等于在变化过程中单位 时间内自外部给予流体的热量与外力做功之和。流场中普遍的能量方程为： 蚂尝呻，g ? 一吐飘( v 矿) 舷v y ) ( 2 - 8 a ) 其中一k 翌a t 1 。y ) 是膨胀功引起的温度变化，假设聚合物熔体不可压缩，则该项 为零。将能量方程在柱坐标系下展开得： ，( 詈+ “石a t + 石v 历o t + w 署 = 七b 导( r 詈 + 砉窘+ a 如2 r ： i + 邪，害+ ；1 历8 v + “) + & 老】+ 岛f r 昙( + ! r 塑0 0 】+ ( 警+ 旁o u + ( 2 - 8 b ) 蹦；筹+ 其中：t _ _ 温度。 k 物料的热导率； c p 物料的定压比热。 2 1 2 2 太构方程 对于具体的问题，仅靠质量守恒方程往往不能解决问题，还需要反映相应材料特 性的本构方程。本构方程又称状态方程f 2 3 】，是描述一类材料所遵循的与材料结构属性 相关联的力学响应规律的方程。不同材料的本构方程不同。这里给出聚合物加工中常 用的两种反映聚合物熔体应力应变关系的本构方程，如下： 1 7 北京化工大学硕士学位论文 柱塞回退时，紧靠柱塞的物料会跟着柱塞发生回退，在这个过程中，固体输送段 末尾截面上的压力会大于加料口处的压力，此时的压力分布和柱塞冲压时的不同。 密度和压力紧密相关，在温度变化不太大的情况下，压力大则密度也大。通过实 验得到压力与密度之间的关系式，即可由压力分布求得密度的分布。 2 、速度 随着柱塞的反复冲压和回退，固体输送段的速度分布也将发生周期性变化。速度 分布与压力、密度以及温度分布都有关系。当温度的影响不大时，根据连续性方程结 合压力、密度分布可以求解速度分布。 3 、温度 固体输送段的温度分布由来自壁面的热传导和摩擦生热引起。摩擦包括固体粒子 之间的内摩擦和物料与机筒内壁之间的外摩擦，相应地摩擦热包括内摩擦生热和外摩 擦生热两部分。内、外摩擦热都由固体输送段消耗的机械能转化而来。固体输送段消 耗的机械能一部分转化为物料的动能，一部分转化为固体粒子的形变能，另一部分即 转化为热能。外摩擦只发生在与机筒内壁接触的薄层内，所产生的热量一部分用来使 该薄层物料升温，一部分传给内部物料，当该物料薄层的温度高于机筒壁面温度时， 还会有一部分外摩擦热通过机筒壁面损失掉。内摩擦指的是物料粒子之间由于相对运 动产生的摩擦，各处物料( 包括外层物料和内部物料) 内都有内摩擦，假设内摩擦热 全部用于加热物料而没有损失。分别求解热传导和摩擦生热引起的温升，将其叠加即 可得固体输送段的温度场。 4 、固体输送段长度 求解固体输送段长度可以确定熔融段的起始位置，为熔融段的分析研究奠定基 础。根据上文对固体输送段的界定，可由温度分布来确定固体输送段的长度。固体输 送段长度不能单独确定，需要结合压力分布、温度分布迭代求解。 2 2 2 2 熔融段 在这一段，物料将在外加热和耗散热的作用下一边向前输送一边熔融，最终成为 高黏弹态的熔体。物料的熔融过程大致如下：紧贴筒壁的物料先熔，形成熔体膜，随 着物料前移，熔膜逐渐增厚，直到横截面上无固体物料为止。容易想象：在熔融段任 一横截面上，既有固体物料又有熔融物料，固体物料的横截面呈圆形，而熔融物料的 横截面呈圆环形，如图2 5 所示。对熔融段做纵向剖分时，固液相界面轮廓应为一条 光滑曲线，该曲线描述的是固相半径随轴向坐标的变化情况。 第二章柱塞冲压挤出过程物理模型 2 2 2 4 口模成型段 柱塞冲压挤出过程是一个周期性动态过程，物料在挤出机内的流动过程是：在一 个冲压周期内，靠近柱塞的物料随着柱塞的冲压向口模方向发生正向移动，当柱塞回 退时可能有一定量的回退，正向位移大于反向位移，物料总体上是前进的，但运动的 连续性不好；在合适的冲压频率条件下，离柱塞越远，物料运动的连续性越好，但物 料的运动速度有显著的波动，流场不稳定；物料经过l 型止回流道及分流段进入口模 之后，速度的波动大大减弱，但仍然不是稳定流动；再流经一段平直口模，速度的波 动得到进一步削弱，到口模出口时接近稳态流动，并成型为合格的产品。显然，口模 内的流动是周期性变化的动态流场。为便于研究柱塞冲压挤出过程中口模内的动态流 动，本文将实际过程进行适当简化，把问题归结为入口压力周期性振动引起的聚合物 熔体动态流动。 入口压力变化的规律，与柱塞的运动规律及柱塞传给物料的冲压力的变化规律有 关。下面分析柱塞的速度和柱塞作用于物料的冲压力的变化情况。 用n ( t ) 表示电机的输出功率，它随时间发生变化。当柱塞与物料脱离接触时，n m 等于传动系统( 带传动、曲轴转动、柱塞往复运动) 消耗的功率。当柱塞与物料接触 时，n ( t ) 等于传动系统消耗的功率与有效功率之和。用n 相表示柱塞冲压消耗的有效 功率，它也是随时间变化的，可以通过电机的功率曲线和主机的效率得到。 图2 - 7 柱塞运动分析示意图 v 1 玉2 - 7s k e t c hd r a w i n go f r al a l m a p sm o t i o n 用p 0 ( t ) 和v o ( t ) 分别表示柱塞作用于物料的冲压力和柱塞的运动速度。用z 4 0 表示 柱塞的位移，由图2 7 得到柱塞的运动规律如下： z 0 ( 0 - - r 0 0 一c o s ( r o t ) ) ( 2 1 2 ) r 0 ( t j = r 0 6 a s i n ( o t ) ( 2 - 1 3 ) 式中：r 兮一曲轴偏心半径，即柱塞行程的半，m ； 北京化工大学硕士学位论文 静一曲轴的角速度，r a d f 1 。 柱塞作用于物料的压力p o ( t ) 为： 删= 铹 ( 2 1 4 ) 在一个周期内柱塞不是每时每刻都和物料相接触，而是只在某个时间段内与物料 相接触并传递运动和力。用t 。和乜表示一个冲压周期内柱塞开始接触物料的时刻和柱 基离开物料的时刻，则柱塞在该周期内从t t 到t 2 的时间段与物料相接触并传递运动和 力，对挤出过程有用的p o ( t ) 和v o ( t ) 就是在该时间段内的值。用三。表示每次冲压加入 的松散物料形成的料柱长度，柱塞回退时，临近物料的回弹量用l h 表示。t t 和缸的求 法如下： 在式( 2 1 2 ) 中，令z 。o ) 等于2 一厶，解得： 三一接一， 口、矗， ( 2 一1 5 ) 在式( 2 1 2 ) 中，令知( f ) 等于2 岛一厶，解得： _ = 去a r c c 0 4 惫一j ( 2 - 1 6 ) 由于“发生在后半周期，所以有： 如= r f 2 ( 2 1 7 ) 式( 2 1 3 ) 给定了柱塞运动的规律，可知柱塞是按照正弦规律运动的。 式( 2 1 4 ) 与式( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 给定了柱塞在一个周期内传递给物料的冲压力。 因为n e ( t ) 的变化规律未知，所以p o ( t ) 的变化规律也不能确定，可以肯定的是p o ( 1 ) 既不 是按正弦规律变化也不是按余割( 正弦的倒数) 规律变化。在一个周期内，p 。( 1 ) 具有 间断性，就整个加工过程而言，它具有脉冲信号的特点。当冲压力引起的压力波传到 口模入口时，其变化规律将比较复杂，难以确定其具体形式。在建立数学模型时，为 简单起见，将口模入口处的压力看成是按正弦规律变化的，这样处理只对结果的准确 性有影响，而不会影响闯题的实质。本研究考虑挤出棒材的情形，研究圆截面口模内 的动态流动。 关于圆截面口模内的动态流动，前人曾做过一些研究，如：1 9 7 0 年，c h o n g 和 f 捌f l k s 【2 6 1 对圆管中受周期变化压力梯度作用的不可压缩流体进行了研究，得到了速度 分布的解析解；1 9 7 8 至1 9 7 9 年，k a z a l ( i a 和r i v l i n f 2 7 之川对叠加了纵向正弦振动的圆管 内的稳定聚合物熔体流进行了研究；1 9 8 9 年，r a l t l k i s s o o n 【蚓等对施加了余弦和正弦压 力梯度的圆管内糙弹性流体进行了研究；1 9 9 3 年，r a i l ：l l 【i s s o o n 又与r