（机械电子工程专业论文）uhmwpe单螺杆挤出成型研究及其专用cad软件开发.pdf

u i 皿f i v p e 是一种性能卓越的新型工程材料，具有摩擦系数小，磨耗低，耐 化学药品性优良，耐冲击、耐压性、抗冻性、保温性、环保无毒等优点，工 业用途十分广泛。然而“性能卓越，加工困难”是它的特点，也影响了该材 料的应用。据统计，全世界5 0 左右的塑料是用挤出法来加工的，其中单螺杆 挤出占有相当大的比例，而单螺杆挤出成型在u i 删i w p e 的成型加工中只占很小 的一部分。为了解决u h g p e 单螺杆挤出成型加工这一世界性难题，本课题组 从2 0 0 4 年开始对i i 嗍p e 挤出成型理论进行研究与探讨，并成功挤出了纯 i i 姗p e 管材，有望促进u h 砌p e 管材的广泛应用，推动1 i 删w p e 产业健康高速 发展。 为了提高设计效率及准确度，拟开发出相应的c a d 软件。本人在该项目 中主要承担了c a d 软件的开发，对u h 姗p e 单螺杆挤出过程的挤出压力和温度 进行模拟。本c a d 软件的主要功能有：在给定挤出机的结构参数、原料性能、 边界条件和初始条件的情况下，可以比较准确地计算出原料在挤出机中所形 成的挤出压力值及其压力趋势图，从而来判别挤出压力是否满足要求；同时 可以相对准确地计算出原料在整个成型过程中温度的变化信息，来判断整个 熔融过程是否充分合理；若挤出压力或熔融过程不能满足设计要求，可以通 过调整挤出机结构、边界条件等参数，来使得系统能产生适当的挤出压力和 满足原料熔融过程充分等要求。 专用c a d 软件经过年多的不断测试和完善后，整个系统运行稳定，人 机交互能力强，模拟数据与实际情况基本吻合，达到了预期目标。 关键词：1 ；熔融；挤出；c a d a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fu h m w p e s i n g l e - s c r e we x t r u s i o na n d i t ss p e c i a lc a ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a b s t r a c t t h eu l t r ah i 曲m o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) i sn e wt y p e o fe n g i n e e r i n g p l a s t i c s o fe x c e l l e n t p r o p e r t i e s ，s u c h a sl o w e rf r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dw e a r a b l e ，e x c e l l e n tc h e m i c a l - r e s i s t a n c e ，i m p a c t i o n - r e s i s t a n c e ， c o m p r e s s i o n - r e s i s t a n c e ，f r e e z i n g - r e s i s t a n c e ，h e a t - p r e s e r v a t i o n , e n v i r o n m e n t a l a n di n n o c u o u s ，e t c i tc o u l db ew i d e l yu s e di ni n d u s t r y h o w e v e r , t h e e x c e l l e n tp r o p e r t i e sa n dt h ed i f f i c u l tm a c h i n i n gp r o c e s si si t sc h a r a c t e r i s t i c ， a n dt h i si n f l u e n c e si t s a p p l i c a t i o n s t a t i s t i c a l r e s u l t si n d i c a t et h a tf i f t y p e r c e n to ft h ep l a s t i c i s m a c h i n i n gb ye x t r u s i o na n dt h es i n g l e s c r e w e x t r u s i o nw a sc o n s i d e r e da st h em o s ti n t h i sm e t h o d s h o w e v e r , t h e s i n g l e s u - - ：i e we x t r u s i o no fu h m w p ej u s to c c u p yav e r ys m a l lp r o p o r t i o ni n u h m w p e m o l d i n g f o ro v e r c o m i n gt h eh a n d i c a p ，w ed i dm a n yr e s e a r c ha n d d i s c u s s i o ni nt h et h e o r yo fu h m w p e s i n g l e - s c r e we x t r u s i o nf r o m2 0 0 4a n d e x t r u d e du h m w p ep i p es u c c e s s f u l a l s o ，w ef o u n dt h em a i nf a c t o rt h a t i n f l u e n c et h eu h m w p em o l d i n gi st h ee x t r u s i o np r e s s u r ea n dw h e t h e rt h e u h m w p em a t e r i a lm e l t sc o m p l e t e l y i ti sh o p e f u lt oi m p r o v et h ef a r - r a n g i n g a p p l i c a t i o no ft h eu h m w p ep i p e a l s o ，i tc o u l dp r o m o t et h eu h m w p e i n d u s t r yd e v e l o ph e a l t h i n e s s 谢t 1 1ah i g h s p e e d f o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fd e s i g na n dk e e p i n gt h ev e r a c i t y , t h e c a ds o f t w a r ew a sd e v e l o p e d it o o kc h a r g eo ft h ed e v e l o p m e n to fc a d s o f t w a r ew h i c hs i m u l a t e st h ep r e s s u r eo fe x t r u s i o na n dt h et e m p e r a t u r ei nt h e p r o c e s so fu h m w p es i n g l e s c r e we x t r u s i o n t h em a i nf u n c t i o no ft h ec a d s o f t w a r ei sf i g u r i n go u tt h ee x t r u s i o np r e s s u r ea n dt h ep r e s s u r et r e n dc h a r t w h i c h p r o d u c eb y t h em a t e r i a li nt h eb a r r e lo fe x t r u s i o n 谢mt h e c o r r e s p o n d i n ge x t r u s i o nc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r , c a p a b i l i t yo fm a t e r i a l ， b o u n d a r y c o n d i t i o na n d o r i 曲 a a lc o n d i t i o n c o n s e q u e n t l y , w h e t h e r t h e 武汉工程大学硕士学位论文 e x t r u s i o np r e s s u r ei ss a t i s f i e d 耐mt h ed e m a n dc o u l db ej u d g e d a tt h es a m e t i m e ，i tc o u l dw o r ko u tt h ec h a n g ei n f o r m a t i o no ft e m p e r a t u r eo ft h em a t e r i a l i nt h ew h o l em o l d i n gp r o c e s se x a c t l ya n dj u d g ew h e t h e rt h ew h o l em e l t i n g p r o c e s si ss u f f i c i e n c ya n dc o m p l e t e l y i ft h ee x t r u s i o np r e s s u r eo rt h em e l t i n g p r o c e s sc o u l d n ts a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g n w ec o u l dm a k et h es y s t e mp r o d u c e s u i t a b l ep r e s s u r ea n de n o u g ht e m p e r a t u r es a t i s f i e d 埘mc o m p l e t e l ym e l t i n g t h r o u g hr e g u l a t et h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e ro fe x t r u s i o nc o n f i g u r a t i o n ， b o u n d a r yc o n d i t i o n e d ，e t c a tp r e s e n t ，t h es p e c i a lc a ds o r w a r er u ns t e a d i l ya n dh a sa9 0 0 d m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ea f t e rm o r et h a no n ey e a r s c o n s t a n t l y t e s ta n d c o n s u n u n a f i n g t h es i m u l a t ed a t at a l l i e sw i m t h ep r a c t i c a li n s t a n c eb a s i c a l l y , a n da t t a i n e dt h ee n t i r ee x p e c t e do b j e c t i v e k e y w o r d s ：u h m w p e ；m e l t i n g ；e x t r u s i o n ；c a d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均己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。 学位论文作者签名：互缸簪 硼年钥工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定，即： 我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：互魅呵 乎c r 月岁日 彳 望； 景够 名5 签年 师刃， 锹妒 指 第1 章绪论 1 1 1u h m w p e 的发展简史 第1 章绪论 超高分子量聚乙烯通常是指相对分子质量在1 5 0 万以上的线型聚乙烯， 其英文全称为u l t r ah i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ，简称i m 舯e 0 1 。i 黼e 在分子结构上与普通聚乙烯相同，其主链上的链节都是 ( 硎。一c h 2 一) ，但普通聚乙烯的分子量较低，约在5 3 0 万之间，即使是高 分子量高密度聚乙烯，其分子量也仅为2 0 5 0 万，而u h m w p e 的分子量则 高达1 5 0 6 0 0 万，德国甚至有分子量高达i 0 0 0 万以上的产品。 超高分子量聚乙烯最早由德国赫斯特( h o e c h s t ) 公司于1 9 5 8 年开发研 制成功，并实现工业化生产。其后美国赫尔克勒斯( 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 公司等相继也实现了较大规模的工 业化生产，如今这几家公司己成为世界上超高分子量聚乙烯原料的主要生 产商。 超高分子量聚乙烯的合成方法与普通的高密度聚乙烯相类似，多采用 齐格勒催化剂，在定的条件下使聚乙烯聚合，即可得到超高分子量聚乙 烯。此外，还有索尔维法和u c c 气相法 ( 1 ) 齐格勒低压淤浆法”1 以b t i c l 3 a i ( c 2 h 5 ) 2 c 1 或t i c l 4 a 1 ( c 2 h 5 ) 2 c l 为催化剂，以6 0 1 2 0 馏分得饱和烃为分散介质( 或以庚烃、汽油为溶剂) ，在常压或接近常压， 7 5 8 5 。c 的条件下使聚乙烯聚合，便合成得相对分子质量为i 0 0 1 5 0 万的 超高分子量聚乙烯。 ( 2 ) 索尔维法 索尔维法的催化剂是氧化镁作为载体，有机金属化合物为催化剂，改 武汉工程大学硕士学位论文 变载体的活化温度，即可调节聚合物相对分子质量。它的生产工艺是先将 乙烯、共聚单体、催化剂、氢和己烷( 稀释剂) 一起加入环形反应器，反 应温度为6 0 9 0 ，反应压力为3 m p a ，停留时间为2 5 3 o h ，反应器内 浆液浓度为2 8 ，乙烯转化率可达8 5 9 3 。聚合物浆液经两次汽提、 离心、干燥和造粒后即得成品。 ( 3 ) u c c 气相法用 u c 。c 气相法是美国联合碳化物发明的使乙烯在硫化床中气相低压聚 合，直接制造干粉状聚乙烯的方法。催化剂一般选用有机铬化合物或齐格 勒催化剂，以硅胶为载体。聚合反应在硫化床反应器中进行，聚合温度为 9 5 1 0 5 ，压力为2 i m p a ，停留时间3 5 h 。 虽然超高分子量聚乙烯具有与普通高密度聚乙烯相同的分子结构，但 普通高密度聚乙烯的分子量较低，约在( 5 3 0 ) 1 0 4 的范围内，而超高分 子量聚乙烯则具有1 0 6 以上那样极大的分子量，分子链很长而且无侧链，侧 面平滑，相邻两个链之间只存在微弱的范德华力，分子之间非常容易进行 相对滑动，分子链不仅柔顺性好，而且其强度、塑性和弹性都很好。因此， u h m w p e 具有普通高密度聚乙烯和其它一些工程塑料所不及的优异的综合性 能1 。 u h m w p e 最突出的性能是其耐磨性好、摩擦系数低。u h m w p e 的耐磨性居 塑料之冠，并超过某些金属，用一般的塑料磨损试验法难以测试其耐磨程 度，在一种专门设计的砂浆磨损测试装置上对比了u h m w p e 与其它工程塑料 及金属的耐磨性，结果示于图1 - 1 。 2 第1 章绪论 黄铜 碳钢 高密度聚乙烯 聚四氟乙烯 尼龙一6 6 聚甲醛 铸造尼龙 i 姗e 砂浆磨损指数 镳蒸纛g 黪黪垮。o 麓磐i 。j 妒* 岛臻爨獠攀剿辇 麓菇x 辫蠢霪 鬻辨# # 镕赣l ” i ，”瓣 磁毪a 4 一一i 。_ ：，。j ，。复，警鲁i j ；?o o 爨 鏊猢嫩隧巍巍糍辩忿蕊熬戮瓣燃 j “5一一? t 硝 - i 裁熬。甜” | ；q g ；r * |= i 纛镛菇熊；嚣豁母藏簪“ 鼬“溺 露露楚翻k “一* 。 o s ：童霜 ：。冀攀旁峨# l 。， 。p+r簿i 缫 黪磐二 孙。 ；。廿 霉繁蘩群箩澎 j 。j i 蔷 蓦豁零爨 警麴夔蓬囱”。o 。 i 。j i ? t 女囊戮划6 | 。”5 “ j 霾i 目圈；豫：a j i ：4j 鬈 萄蠢豢熬主- 蔫t _ 毒”，。，；1 翟j i i ；4 ；： ：j 龟；：挚* ：甲。r 。扩尊 051 01 52 02 53 0 图1 - 1i 胁唧p e 与其它材料的耐磨性的比较嘲 从图中可看出，超高分子量聚乙烯的耐磨性远远优于其它材料，而且 超高分子量聚乙烯的表面硬度适中，不易损坏对偶材料。 表1 - 1 是u h m w p e 与其它几种常用工程塑料动摩擦系数的比较，可以看 出，u i - i m w p e 的摩擦系数在无润滑条件下仅次于塑料中自润滑性能最好的聚 四氟乙烯( p t f e ) ，而且从图1 - 1 可看出u 蹦w p e 的耐磨性要好于p t f e 。在 水润滑条件下，u i - i i 岍p e 的动摩擦系数仅为p a 6 和p o m 的1 2 ，并且超高分 子量聚乙烯在以水为润滑剂时摩擦系数比干摩擦时降低了一倍，用油和水 作润滑剂相比效果差不多，在u h m w p e 实际使用过程中，充分利用这一特性 可带来巨大收益。 表1 - 1 u h m w p e 与其它工程塑料动摩擦系数比较嘲 名称自润滑水润滑油润滑 u 岍e0 1 0 o 2 20 0 5 o 1 00 0 5 o 0 8 p t f e0 0 4 o 2 50 0 4 0 0 80 0 4 0 0 5 p a 6 6 ( 尼龙6 6 ) 0 1 5 0 4 00 1 4 0 1 9o 0 6 o 1 1 p o m ( 聚甲醛) 0 1 5 o 3 50 1 0 0 2 00 0 5 0 1 0 u h m w p e 还有其它一些优异的综合性能，如密度小，制品非常轻便，耐 冲击性好，这是由于u h 姗p e 在力的作用下极易形成剪切带，能吸收大量冲 武汉工程大学硕士学位论文 击能量，导致了其优异的冲击性能，其冲击强度在所有塑料中名列前茅， 而且在反复冲击后表面硬度更高。u t t m w p e 耐低温性能好，其脆化温度在- 8 0 以下，在一4 0 c 时仍有较高的冲击强度，在液氮温度( - 2 6 9 ) 下仍具有 延展性。还有如拉伸强度高，耐腐蚀，耐化学药品性及消音性等特性，并 且价格便宜。u h m w p e 的物理力学性能如表卜2 所示。正是由于超高分子量 聚乙烯具有这些优异性能，其应用范围十分广泛，在世界范围内倍受人们 的青睐。 表1 - 2u h m w p e 的物理力学性能“们 项目数据项目数据 密度g * a m 0 9 5 3 分子量 2 5 1 0 6 热变形温度 8 5 脆化温度- 7 0 拉伸强度m p a3 4断裂伸长率3 5 0 冲击强度k 3 m - 2 1 3 0线涨系数15 x 1 0 4 u h m w p e 性能优异，用途广泛，在国民经济的各个领域都能广泛应用。 概括起来，主要是作为工程材料和医学材料使用。作为工程材料使用时， 其在物料运输、设备衬里、各种机械零件等方面的应用具有独特优势，适 于制作农业和建筑机械的零部件，如联合收割机的滑动板、犁具的外衬板、 推土机的刮板、挖土机铲斗的内衬、翻斗车车厢的内衬等，可大幅度提高 工作效率，减少能耗。美国于1 9 8 0 年已将谷物和豆类作物的自行式联合收 割机的钢制动片改为u t i m w p e 制动片，仅此就节约钢材约2 3 万吨。据h i m o n t 公司估算，用u h m w p e 制作农用收割机的齿轮比钢制品便宜1 3 ，而寿命要 高2 倍。德国郝司特公司于1 9 8 0 年首先开发了用u h m w p e 来解决料仓粘结 问题，取得了良好效果，继而在西欧得到全面推广。浆体状固液混合物的 输送主要采用以水为载体的水力管道输送方式，输送时易产生磨损、腐蚀、 结垢等问题。u h m w p e 管以其耐磨损、耐腐蚀、不结垢、摩擦系数低等优点， 可代替普通钢管、不锈钢管、特种钢管等。据报道，美国联邦环境保护委 4 第1 章绪论 员会规定采矿业，特别是矿砂排水操作要采用u h m w p e 管“。由我国上海船 舶研究院设计、芜湖造船厂建造的3 0 0 0 t 级“华宇3 号”自卸船，货舱内 衬板由i j h m w p e 制成，充分地利用了其优良的耐磨性，自润滑性及不吸水等 特性，安装质量达到了设计要求的各项技术指标，填补了我国这一领域的 空白。安顺电厂采用u h m w p e 衬板内衬原煤仓，极大限度发挥了原煤仓、煤 斗和煤沟的储存和通过功能，减轻了工人捅煤清仓的劳动强度，彻底解决 了长期困扰的粘堵煤问题。利用u h m w p e 密度小、耐磨性能好的特点，安阳 钢铁总厂和徐州钢铁总厂都采用其作混合机内衬，不仅减轻了设备磨损， 延长了使用周期，还极大的节约了电能，从而大大降低了工业成本“2 1 ”。 可见，t h m w p e 在许多领域都可应用，因此着力进行对1 i m 呷e 的研究 有重要的现实意义，已经有越来越多的材料工作者开展对超高分子量聚乙 烯的研究。 1 2u h m w p e 的加工工艺 “性能卓越，加工困难”是o h m w p e 的一大特点，其原因就在于l i 肌卯e 的分子链极长，致使分子链互相缠结，很难呈规则排列，在引起聚集态变 化的同时( 如：结晶度偏低一6 5 8 5 ，密度偏低一0 9 3 0 9 4 9 c m 3 i ，大分 子链间的无规缠结又使u h m w p e 对热运动反应迟缓，当加热到熔点以上时， 熔体呈现橡胶状高粘弹体状，熔体粘度高达1 0 8 p a s ，熔体流动速率几乎 为零，造成u h m w p e 临界剪切速率很低，易产生熔体破裂等缺陷。因此，很 难用常规的聚合物加工方法来成型u h m w p e 制品，在一段时间内限制了 u 删w p e 的推广使用。随着科技的发展，l 胁卿e 的成型技术主要经历了压制 烧结法( 1 9 6 5 年前后) 、挤出成型法( 1 9 7 0 年前后) 和注射成型法( 1 9 7 5 年前 后) 三个阶段，同时也发展了凝胶纺丝、辊压成型等特种成型技术。 1 2 1 凝胶纺丝成型 以凝胶纺丝一超拉伸制备u h m w p e 纤维最早出现在7 0 年代末o ”。1 9 7 9 年荷兰d s m 公司申请专利，随后美国a 1 1 i e d 公司、日荷联合公司t o y o b o - d s m 公司、日本m i t s u i 都实现了工业化生产。中国纺织大学化纤所于1 9 8 5 年 武汉工程大学硕士学位论文 开始了这方面的研究，并制得了u h m w p e 纤维。 凝胶纺丝过程简述如下：将1 j h m w p e 溶解于适当的溶剂中，制成半稀溶 液，经喷丝板挤出，然后以空气或水骤冷，凝固后成冻胶原丝。在凝胶原 丝中，几乎所有的溶剂被包含其中，因此u h m w p e 大分子链的解缠结状态被 很好的保持下来，而且溶液温度的降低，导致凝胶体中u h m l j i p e 折叠链片晶 的形成，这样，通过超倍热拉伸凝胶原丝可使大分子链充分取向和高度结 晶，进而使呈折叠链的大分子转变为伸直链，从而制得高强度、高模量纤 维。 i j t t m w p e 纤维是当今世界上第三代特种纤维，强度高达3 0 8 c n d t e x ， 比强度是化纤中最高的。 1 2 2 辊压成型 辊压成型“盯是一种固态加工方法，即在u h m w p e 的熔点以下对其施加 很大的压力，通过粒子形变，有效地将粒子与粒子熔合。主要设备是一带 有螺槽的旋转轮和一带有舌槽的弓形滑块，舌槽与螺槽垂直。在加工过程 中有效地利用了物料与器壁之间的摩擦力，产生的压力足够使l i 删卯e 粒子 发生形变。在机座末端装有加热支台，经过模口挤出物料。如将此项辊压 装置与挤压机连用，可使加工过程连续化。 1 2 3 模压成型 模压成型“州工艺是塑料成型中最古老的方法，它将一定的原料( 粉料、 粒料、纤维状料) 放入金属模具中，在一定温度、压力下成型得制品。模压 成型的特点主要有：成本低、设备简单、投资少、不受超高分子量聚乙烯 相对分子质量高低的影响：缺点是生产效率低、劳动强度大、产品质量不稳 定等。对于超高分子量聚乙烯来说，由于其相对分子质量太高，流动性很 差，在其他成型还不成熟的情况下，世界各国主要采用模压成型加工 i j 丑d w p e 。 用于加工u h m w p e 的模压成型根据具体工艺的差别可分为五种嘲：压制 一烧结一压制( 也叫自由烧结法) ；烧结一压制法；快速加热一压制法；传递模 法；压制、烧结同时进行法。 6 第1 章绪论 1 2 4 挤出成型 1 柱塞挤出成型嘲1 可以看成是连续的烧结成型。粉料通过加料装置进人料筒的预压段， 受往复柱塞的压缩排出空气，在压缩的同时物料被推进到均化段，并在那 里熔融。这一过程可不间断进行。均化段末端与挤出机口模歧管的入口直 接相通。由于加热以及在均化段口模歧管中所产生的背压作用，使挤出物 料呈高粘弹性，并且使逐次加料所形成的界面完全融合成一体。从而得到 与口模形状对应的挤出型材。 。 该成型法塑化时间长，生产效率较低，不宜成型大的成品，因此在生 产应用中受到一定限制。 2 单螺杆挤出成型一1 是连续的生产过程，生产效率相比柱塞挤出成型有很大提高。采用单 螺杆挤出机能够成形直径较大的管子和大型板材阱1 ，如日本三井油化公司 利用x 6 5 的单螺杆挤出机( 长径比为2 5 ，马达驱动功率为2 5 k w ，用热风循 环式冷却定型套进行冷却定型，物料加热温度为2 0 0 2 6 0 ，螺秆转速 6 0 r m i n ) 生产了直径为5 0 2 0 0 皿的棒材；p h i l l i p 公司生产出1 2 1 9 2 m m 的u h m e o e 管；西德挤出了尺寸为8 0 0 0 x 5 0 x 2 0 6 0 哪的板材。 由于u 删w p e 与金属摩擦系数很小，物料易在机筒内打滑，故在单螺杆 挤出的固体输送区物料难以压实，若挤出速率较高则易因熔体流动性差而 在熔融区形成“料塞”。因而，加工u h m w p e 不能使用普通单螺杆挤出机， 必须对加料段螺杆进行改造，办法是在加料段上加轴向沟槽、强制冷却和 采用低压缩比、深螺槽加屏障螺杆来强化输送。 3 双螺杆挤出成型哺1 具有强制输送物料的特性，可有效地抑制物料在输送中的打滑现象， 并可通过对积木式螺杆元件的组合以及工艺条件的调整，实现对物料的输 送、混炼和塑化能力的控制。双螺杆挤出成型温度一般选择在1 8 0 2 0 0 ， 转速1 0 1 5 r m i n 。 在实施双螺杆挤出时，为了有足够的背压维持物料在机头中流动正常 和稳定，螺杆的转速不能太快，一般在i o r m in 左右；同时为了避免出现 7 武汉工程大学硕士学位论文 内应力和制品凹陷，挤出型板的冷却就要逐步和均匀的进行。因而存在挤 出机动力消耗大、挤出量较低的问题。 1 2 5 注射成型 日本三井石油化工公司于1 9 7 4 年开发了注塑成型工艺，并于1 9 7 6 年 实现了商业化，之后又开发了往复式螺杆注塑成型技术例。 1 9 8 5 年美国h o e c h s t 公司也实现了u h m w p e 的螺杆注塑成型工艺。 北京塑料研究所于1 9 8 3 年对国产x s - z y 一1 2 5 a 型注塑机进行了改造， 成功的注射出了托轮、轴套等制件，1 9 8 5 年又成功地注射出医用人工关节。 据德国赫斯特公司统计数字，目前u h m w p e 的成型主要还是采用压制成 型和柱塞式挤出成型。 图1 - 2 目前u h m w p e 各成型方法比重 1 3 专用c a d 软件的开发语言 v i s u a lb a s i c 是基于窗体的可视化程序开发环境，简单、使用方便， 而且可以像c c + + 一样开发高级的应用程序，它避开了c + + 编程过分繁琐和 第1 章绪论 抽象的缺点，同时又能实现大多数w i n d o w s 编程目的，自微软推出以来， 成了广大程序开发人员的首选语言。本系统采用v 1 3 开发了人机界面、数据 采集模块以及数据存储模块。为了使软件易于使用，需采用图形化用户界 面( g u i ) 技术，将有关设计过程、校核过程进一步开发和包装，使其具有可 视化的效果。为此，软件运用v i s u a lb a s i c 程序设计语言，开发了基于 w i n d o w s 的用户界面，并利用v i s u a lb a s i c 中的a d o 数据控件完成前台用 户界面和后台数据库的连接乜7 ，。 1 4 课题意义及研究内容 1 4 1 课题意义 目前国内外对u h m w p e 挤出成型的研究普遍集中在通过改性来增加 u h m w p e 流动性方面，成型理论研究方面的为数不多的报道也都局限在过程 的描述上，国内只有北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所对超高分子 量聚乙烯单螺杆挤出的输送机理进行了研究嘲。国外发达国家掌握了 u h 唧p e 管材成型的核心技术，其产品价格是国内价格7 - 8 倍，在成型技术 和资料方面实行严密封锁。 在u h m w p e 原料未改性的情况下，能否采用特制的挤出机来成型纯 u h m l j y p e 管材，国内外没有成功事例的报道，本课题组从2 0 0 4 年开始对 ( h t m w p e 管材成型过程进行了理论探讨和实验预研，发现u h m w p e 具有特殊的 物理特性：当温度处于玻璃化温度( 疋) 以上小于分解温度( 乃) 区间时， 原料只表现出高弹态，而没有一般聚合物所呈现的粘液态，同时在高弹态 下很难捏合。通过对普通s j 4 5 - 2 5 单螺杆挤出机的改造，于2 0 0 6 年底初步 挤出了采用纯u h m w p e 粉料作原料的管材样品，该方法称为机筒成型法。图 1 - 3 是采用该方法挤出纯u h m w p e 管材的照片。预研结果表明，这种单螺杆 挤出纯超高分子量聚乙烯管材的新方法可望给高分子量聚合物成型理论和 关键技术带来创新前景。 9 武汉工程大学硕士学位论文 图1 - 3 采用机筒成型法挤出u i 埘w p e 管材的照片 尽管采用机筒成型法已初步挤出了纯l m 仰p e 管材样品，但要该方法趋 于完善、实用和成熟，还必须就该成型方法的成型理论即内在规律作进一 步探讨和研究。只有这样才可能开发出具有自主知识产权的成熟技术，实 现对纯u h m w p e 原料进行管材成型，从而带动u h i 舯e 管材的广泛应用，推 动u i g a w p e 产业健康高速发展。 1 4 2 主要研究内容 基于i i 姗单螺杆挤出机专用c a d 软件主要是利用高分子材料学、流 变学、传热学、计算力学和计算机图形学等基本理论，建立起基于ly 咖w p e 单螺杆挤出过程的物理和数学模型，采用数值计算方法和c a d 相关技术， 来实现对过程动态仿真和分析，为正确设计基于 j h m w p e 单螺杆挤出机结构 参数，提供科学、快捷和准确的技术支持。 本c a d 软件的主要功能有：在给定挤出机的结构参数、原料性能、边 界条件和初始条件情况下，可以比较准确地计算出原料在挤出机中所形成 的挤出压力值及其压力趋势图，从而来判别挤出压力是否满足要求；同时 可以相对准确地计算出原料在整个成型过程中温度的变化信息，来判断整 个熔融过程是否充分合理；若挤出压力或熔融温度不能满足设计要求，可 1 0 第1 章绪论 以通过调整挤出机结构参数和边界条件，来使得系统能产生适当的挤出压 力和满足原料熔融过程充分等要求。 第2 章u i 哪i r p e 挤出压力数学模型的建立 第2 章u h n i w p e 挤出压力数学模型的建立 超高分子量聚乙烯具有卓越的使用性能，由于分子量极高，熔融粘度 高，几乎没有流动性，且临界剪切速率很低，易发生熔体破裂，很难用一 般的方法加工。其中由于挤出机所产生的挤出压力不够，严重影响挤出产 量，甚至熔体随螺杆转动而无法正常挤出，准确建立挤出压力形成的数学 模型对超高分子量聚乙烯单螺杆挤出机的设计有着重大的现实意义。 在实验的基础上，以s j 4 5 - 2 5 特制超高分子量聚乙烯单螺杆挤出机为 例来建立其数学模型。压力的形成共分为四个区段，分别为：进料段、压 缩段中的开槽段及平滑段和均化段删。 2 1 在进料段所建立的压力 在进料段，物料成松散有间隙的散松体，采用非塞流理论来分析所建 立的压力( 只) 。非塞流固体输送段物料颗粒的速度分布沿y 方向( 槽深方 向) 变化较大，而沿着x ( 槽宽方向) 方向变化较小，根据这个结果，把颗粒看 成是分层运动的，每层是一个固体塞。 忽略螺杆曲率的影响； o 忽略物料的重力、惯性力和内部弹性变形能； o 把物料分成n 层，每层是一个固体塞； 在分析压力时，物料看成截面均匀受力。 公式推导过程中的符号定义如下： p 一压力： ，t 物料内摩擦系数； ，a 一机筒摩擦系数； 歹一一螺杆摩擦系数； h 一螺槽深度； w 一螺槽宽度； 亏。一摩擦修正系数； z 一螺槽纵向离散长度； 武汉工程大学硕士学位论文 七一表征压力增长趋势； 一无量纲产量的倒数； 吃一原料沿轴向移动速度。 图2 - 1 各层固体塞受力情况 公式的推导： 未标注的力为摩擦力；善为侧压系数；孑为平均压力；1 7 ：及盯，为两端 面压力。 ! 利用虚功原理导出速度一应力方程： 。疋形薏( 耐一呓) = 疋吮u 孑( 一巧) + 巧吮- ，孑( 一巧) 一2 k 考z 矽 ( 2 - 1 ) 其中：瓦为接触面积修正系数，叠为轴向压力面积修正系数，丘。为 i + 1 层与i 层之间的摩擦系数，i = 1 、2 、1 1 。 令圪= o 为螺杆转速，k 为底层物料速度，吒= 为机筒对物料轴向拖 曳速度啪1 。将具体参数代入方程( 2 - 1 ) ，最后得到沿螺杆轴向挤出压力分 布方程： 最= b g 磊“2 7 “7 ( 2 2 ) 目前关于压力起源昂问题，尚无公认的结论，通常简单地用料位高度 乘以物料表观密度。 2 2 在压缩段阻力诱发挤出压力另 。当物料进入压缩段由于螺槽深度逐渐变浅，物料很快被压实，形成“固 体塞”。该压缩段由两部分组成：首先在机筒上开有螺旋形沟槽，距离( 1 第2 章哪p e 挤出压力数学模型的建立 2 ) d ( d 为螺杆的额定直径) ，在该段所产生的挤出压力为只i ，剩余部分为 平滑机筒，在该段所产生的挤出压力为只：，以d a r n e l l 和m o ll 经典的固体 输送理论，并对以下条件作近似简化。“：螺杆直径与落槽深度d h 1 ；螺槽 宽度与螺旋角对螺槽深度之比的变化相当小；螺槽曲率不计。建立在静力 学平衡基础上的固体摩擦理论为基础得到此段所诱发挤出压力只。单螺杆 挤出成型中，物料进入挤出机螺杆后，在螺杆的加料段形成了固体输送区。 研究固体物料在螺杆内输送过程的机理，其目的在于探索影响固体输送的 因素和提高固体输送效率的方法，为提高挤出机生产率创造有利条件。以 达涅尔( d a r n e l l ) 和莫尔( m 0 1 ) 根据固体的摩擦的静力平衡建立的固体输 送理论为基础，通过对物理模型的简化和对一些条件的假设，得到挤出压 力的计算公式。 固体摩擦输送的基本假设是为了对单螺杆挤出机中固体传输做全面的 分析，我们对这一过程做了系列假设。 l 、认为固体的行为如一连续体； 2 、固体床与整个螺槽壁，即机筒表面、螺杆根部、主动螺腹和被动螺 腹等相接触： 3 、螺槽深度恒定； 4 、螺棱间隙可不计； 5 、固体床呈塞流运动。 一般固体输送的分析都用到这五条假设，而随着研究的深入，人们将 假设放宽，以便得到更好的理论模型。下面将条件放宽为： 1 、压力仅为顺螺槽距离的函数； 2 、摩擦系数与压力无关； 3 、重力不计； 4 、离心力不计； 5 、固体塞中的密度变化不计。 为了讨论单螺杆挤出中的各种力，我们选取螺槽中固体床的微元，并 确定作用于此固体床微元上的各种力。图2 2 就是在螺槽中选取的固体床 微元的受力图。 1 4 武汉工程大学硕士学位论文 再 作用力图解速度图解 图2 2 作用于固体塞微元体的各种力和速度图 在力的讨论中我们假设机筒旋转而螺杆静止。 p 固体床与螺杆根部之间的摩擦力： p 2 p h d z f , 式中，正为螺杆表面上的动态摩擦系数。 凡为主动螺腹上固体床的法向力： f 。p h d z f ” 式中，f 为额外法向力，为未知数。 l 2 p h d z 凡为固体床与主动螺腹之间的摩擦力： f 缸- f m l 既为固体床与被动螺腹之间的摩擦力： f 自2 p h d zf l 兄。为由局部压力p 产生的对固体塞微元表面的力： 巴- 2 w h p 兄：为由局部压力p + d p 产生的对固体塞微元表面的力： 兄2 2 w h ( p + d p ) 显然，如果顺螺槽方向上的压力梯度为零，则0 。= ：。最终力兄为固 体床与机筒表面之间的摩擦力： 第2 章u i i m - p e 挤出压力数学模型的建立 j b 2 p w d zj b 式中，e 为机筒表面的动摩擦因数。 上面，我们给出从理论模型出发，取固体微元讨论得到的各种力，由 于颗粒状固体的行为可以视为一连续体，所以我们可以假设微元受力是平 衡的。将图中各力顺螺槽方向和垂直螺槽方向分解，根据受力平衡计算有： ec o s ( 口+ ) + l = + 易+ c ：+ b 只s i n ( 口+ 妒) + 只。= ，： 故有： p w d z f sc o s ( o + 庐) + p 阡可= ( p n d z + ，) 正+ v h d z f , + 矸7 - ( p + 勿) + p 嘲 p w d z f , s i n ( o + 妒) + p h d z = p h d z + f 由上面两式可得： p w d z f b ( c o s ( 口+ ) 一s i n ( 口+ 矿) ) = w h d p + p d 玩( 矽+ 2 h ) 整理上式可得： 玎无【c 。s ( 口+ ) 一s i n ( 口+ 妒) 】一l ( w + 2 h ) d z ：w h i d p 上式积分有： 。 悟p 删埘一只泖硎咧铡z ”巨 如z = o 处压力为p = 只，则有： 鲁【p c o 即埘一只泖埘卜正等) z - o 乩p 地最 于是我们得到了 h 百p = 净删删坤岬钠h ( 乞芋) z 易睥唧胁c o 印卅一侧州肌 铡h 3 ) j = l 、2 其中j = 1 指开槽段，j = 2 指压缩机筒段中的平滑段。 建立一压力影响系数足：，一j ， 令托，( 见乡乞) = b s ( p + 力一无s 血( 口十纠一正 缈+ 2 月刃名 乙，则 最，= 一。虢 【c o s ( 口+ ) 一厶s i n ( o + 妒) j - f # ( w + 2 * ) w h 】) z ：j ( 2 4 ) 1 6 武汉工程大学硕士学位论文 j - - 1 、2 其d p j = l 指开槽段，j = 2 指压缩机筒段中的平滑段。 2 3 在挤出段挤出压力只的计算 由于在挤出段 胁胛e 已被压成致密的带状熔融“固体塞”，i 删肿e 熔 体在计量段的输送基本上是只沿螺杆方向的一维运动。在该段的挤出压力 的计算可采用2 2 中类似的方法来计算。此时的机筒和螺杆与熔融“固体 塞”之间的摩擦系数近似相等为厂，。 b = b 托岛h c o s ( o + ) 一厶+ s i n ( 护+ 妒) j 一厶 ( w + 2 h ) w h 】j z 2 ( 2 - 5 ) 建立了超高分子量聚乙烯单螺杆挤出成型过程中挤出压力数学模型， 详细分析了带螺旋形沟槽帆简单螺杆挤出机在各段所产生挤出压力，以及 挤出机结构参数对挤出压力的影响，丰富和完善建立具有高粘度材料挤出 成型理论，为超高分子量聚乙烯单螺杆挤出设备设计开发提供理论基础。 第3 章i i l m w p e 单螺杆挤出过程温度场的研究 第3 章u h m w p e 单螺杆挤出过程温度场的研究 3 1 边界温度分析 1 腿脚e 熔融过程分析的边界温度包括超高分子量聚乙烯外圈和内圈的 温度变化规律。 3 1 1 原料外圈的温度分析 原料外圈温度的变化规律：假设原料外圈温度等同于对应机筒加热器 的温度，从加料段开始到机头，沿螺杆轴方向由1 9 d 的距离，分为三个加 热区段，温度分布如图3 1 所示。 蓦” i i 。 i 翻 塑一 蔷一