（材料加工工程专业论文）聚合物气体辅助口模挤出成型的理论及实验研究.pdf

摘要 摘要 挤出是聚合物加工的一种重要成型方法，塑料制品中4 0 是通过挤出加工成型。c 由于聚 合物熔体的高粘性、粘弹性，传统挤出成型时易出现挤出胀大，由于挤出熔体和挤出口模的 非滑移粘着导致挤出口模压降大，当挤出速度超过材料的临界挤出速度时挤出物表面产生“鲨 鱼皮”和挤出破裂等现象，以上三大难题严重影响挤出制品精度、限制挤出速度提升，导致 挤出能耗高。产生以上问题的根源在于传统挤出技术采用非滑移粘着剪切口模挤出方式，使 得口模壁面对挤出熔体的阻力大。气辅挤出技术通过气体辅助控制系统和气体辅助挤出口模， 使挤出时在挤出口模壁面产生一稳定的气垫膜层，挤出由非滑移粘着剪切口模挤出方式转换 为完全滑移非粘着剪切口模挤出方式，从而将口模壁面对挤出熔体的摩擦阻力降到最低限度， 熔体在口模中呈柱塞状流动。本文从实验和数值模拟两方面对气辅口模挤出成型进行了系统 而深入的研究，主要研究工作概述如下： 1 对有关挤出胀大、减粘降阻、熔体破裂及壁面滑移的研究进展进行了综述，指出气辅 挤出技术是解决以上问题的有效方法。 2 建立了气辅挤出实验装置。根据气辅挤出对气体压力和温度控制要求，建立了气辅挤 出成型压力控制系统和温度控制系统，设计加工了气辅挤出口模，完成了整套实验装置的安 装和调试。 3 进行了深入的实验研究。研究了工艺参数( 气体压力、气体流量、气体温度、挤出流 量) 、口模结构参数( 口模有气辅段长度幻、环形缝隙万) 以及操作顺序( 气阀和挤出螺杆的 开启顺序) 对气垫膜层的建立及其稳定性的影响；分别研究了气体压力、气体流量、环形缝 隙艿、有气辅段长度幻对挤出速度( 熔体从口模中挤出的线速度) 、挤出流量和挤出物直径的 影响；采用和传统挤出相对比的方式研究了气辅挤出对口模压降、挤出胀大和挤出物表面质 。 。量的影响。 4 基于流体力学三大方程和r i v l i n e r i c k s e n 粘弹本构方程建立了气辅e l 模挤出成型的机 理模型，根据气辅挤出过程的特点，通过合理的简化与假设和方程的无量纲化，形成了有限 元方程，以壁面剪切应力为零的边界条件代替气垫膜层作用，自由表面采用脊线法更新，应 用s u c c e s s i v es u b s t i t u t i o n 和q u a s i n e w t o nu p d a t e s 迭代技术，利用通用的cf d 有限元软件 f i d a p 实现了对有限元方程的求解。分别对轴对称结构口模、方形截面口模和l 形截面口模 的气辅挤出过程进行了数值模拟，得到气辅挤出成型口模内外的速度场、温度场、压力场、 应力场和剪切速率的分布，并和传统挤出过程进行了对比；研究了不同口模截面形状的气辅 挤出中挤出流量、气辅挤出1 2 1 模有气辅段长度如、本构方程中反映挤出熔体粘性和弹性的参 南昌大学博士学位论文：聚合物气体辅助口模挤出成型的理论及实验研究 和聚合物材料具有广泛的适应性。 5 提出了气辅口模挤出的工艺条件和气辅挤出口模的设计准则。 关键词：气辅挤出、实验研究、数值模拟、气垫膜层、稳定性、流场分布 n a n c h a n gu n i v e r s i t yd o c t o r a ld i s s e r t a t i o n ： 1 1 h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo l p o l y m e rg a s - a s s i s t e de x t r u s i o n f r o m d i e s a b s t r a c t e x t r u s i o ni so n eo ft h eb a s i cm e t h o d si np o l y m e rp r o c e s s i n g m o r et h a n4 0 o f p l a s t i cp r o d u c t s a r ep r o d u c e dt h r o u g he x t r u s i o n h o w e v e r , i nn o r m a le x t r u s i o n ，s e v e r a lp r o b l e m sa p p e a r f i r s t l y , d u e t ot h eh i g hv i s c o s i t ya n dv i s c o e l a s t i c i t yo fp o l y m e rm e l t s ，a p p e a r si ne x t r u s i o nt h ed i es w e l lw h i c h m a k e si tm o r ed i f f i c u l tt oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fe x t r u d e dp r o d u c t s t h en e x ti st h el a r g ep r e s s u r e d r o pw h i c hl e a d st oh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h et h i r di st h ea p p e a r i n go f “s h a r k s k i n ，a n dm e i t r u p t u r ew h e nt h ee x t r u s i o ns p e e de x c e e d st h el i m i to ft h ep r o c e s s e dm a t e r i a l s ，w h i c ha s t r i c t st h e e f f i c i e n c yo fe x t r u s i o n t h es t i c k i n gp o i n ta b o u tt h ep r o b l e m si st h e n o s l i pa d h e s i v es h e a r i n g e x t r u s i o nm e c h a n i s ma d o p t e di nn o r m a le x t r u s i o na n db i gr e s i s t a n c ea p p e a r sa tt h ei n t e r f a c eo f d i e w a l la n dp o l y m e rm e l t i ng a s a s s i s t e de x t r u s i o n ，as t a b l eg a sl a y e ri s s e t - u pa tt h ei n t e r f a c eo ft h e p o l y m e rm e l ta n dd i ew a l lb ym e a n so ft h eg a sc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dg a s a s s i s t e de x t r u s i o nd i e s o t h ee x t r u s i o n p r o c e s sf a l l si nf u l l ys l i pn o n a d h e s i v es h e a r i n ge x t r u s i o ni nt h ed i e ，t h ef r i c t i o n b e t w e e nt h em e l t sa n dt h ed i ei st h e r e b yr e d u c e dg r e a t l ya n dt h ef l o w i n gm o l t e np o l y m e ri nt h ed i ei s l i k ear o d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ng a s a s s i s t e de x t r u s i o nh a v eb e e n c o n d u c t e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r k si sl i s t e db e l o w 1 t h er e s e a r c ha d v a n c e sa b o u td i es w e l l ，t h er e d u c t i o no ff r i c t i o n b e t w e e nd i ew a i ia n d p o l y m e rm e l t ，w a l ls l i pa n dm e l tf r a c t u r ei np o l y m e re x t r u s i o na r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r 2 ag a s 。a s s i s t e de x t r u s i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c e h a sb e e nb u i l t ag a sp r e s s u r ec o n t r o l l i n gu n i t a n da g a st e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gu n i th a v e b e e nd e s i g n e dt ok e e pt h eg a sp r e s s u r ea n d g a s t e m p e r a t u r eu n d e ra p p r o p r i a t el e v e la n dag a s a s s i s t e de x t r u s i o nd i eh a sb e e n d e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h ed e v i c ei su s e d s u c c e s s f u l l yi nt h eg a s a s s i s t e de x t r u s i o ne x p e r i m e n t s 3 t h ee x t e n s i v e e x p e r i m e n t s o ng a sa s s i s t e de x t r u s i o nh a v e b e e nc o n d u c t e d w eh a v e i n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sc o n d i t i o n s ( s u c ha sg a s p r e s s u r e ，g a s f l o wr a t e ，g a s t e m p e r a t u r e ， m e l tf l o wr a t e ) ，t h ed i m e n s i o no fe x t r u s i o nd i e ( l 2 ，l e n g t ho f g a s a s s i s t e de x t r u s i o nd i e ，艿，s i z eo f t h eg a si n l e t ) a n dt h et u r n i n go no r d e ro f g a sv a l v ea n de x t r u s i o ns c r e wo nt h ee s t a b l i s h m e n ta n d s t a b i l i t yo fg a sl a y e rb e t w e e nt h ed i ew a l la n dt h em o l t e np o l y m e r w eh a v ea l s os t u d i e dt h ei m p a c t o fg a s 。p r e s s u r e ，g a s f l o wr a t e ，万a n dl 2o nt h ef l o wr a t eo fm o l t e np o l y m e r , o nt h ed i a m e t e ro f e x t r u d e dr o d s b yc o m p a r i n gt ot h en o r m a le x t r u s i o na n dg a s a s s i s t e de x t r u s i o n ，t h ei n f l u e n c eo nt h e d i es w e l la n ds u r f a c eq u a l i t yh a sb e e ns t u d i e dt o o 4 - b a s e do nt h et h r e ee q u a t i o n s ( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ，m o m e n t u me q u a t i o n ，e n e r g ye q u a t i o n ) a n dr i v l i n e r i c k s e nv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n ，t h r o u g hr e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o na n d i i i a b s t r a c t 1 1 y p o t n e s e s ，t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n si n g a s 。a s s i s t e de x t r u s i o na r c p r e s e n t e d t h ee qu a t i o n sa r c 8 0 i v e db yaf i n i t ee l e m e n tm e t h o du s i n gc f dp r o g r a mf i d a p b yr e p l a c e m e n to fg a s1 a y e rw i t l lz e r o t a n g e n t l a is t r e s s b o u n d a r yc o n d i t i o n s t h r o u g h s i m u l a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o n so fv c i o c i t yn e l d t e l l l p e r a t u r ef i e l d , p r e s s u r ef i e l da n dt a n g e n t i a ls t r e s sf i e l di ng a s a s s i s t e de x t r u s i o nd i e a r eo b t a i n e d jh ei n f l u e n c e so fp o l y m e rf l o wr a t e ，三2 ，p a r a m e t e r s r e f l e c t i n gf i l ev i s c o s i t ya n de l a s t j c i t yo fm o l t e n p o l y m e 。o nt h ed i es w e l la n dd i ep r e s s u r ed r o ph a v eb e e ns t u d i e di nt h ed i e so f d i 骶r e n ts h a d e t 1 1 e r e s u l t sh a v es h o w nt h a tg a s a s s i s t e de x t r u s i o nc a l lb eu s e dw i d e l v 5 1 1 h et e c h n i c a lp r o c e s s e so fg a s a s s i s t e de x t r u s i o nh a v eb e e n p r e s e n t e da n dt h ep r i n c i p i e sf o r d e s i g n i n gg a s a s s i s t e de x t r u s i o nd i ea r es t a t e d h u a n gx i n g y u a n ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uh e s h e n ga n dp r o f y a n gx i a n g j i e k e y w o r d s ：g a s - a s s de x t r l l s i 。n ，e x p e r i m e n t a ls t u dy ，n u l l l e r i c a l s i n u l a t i 。n ，g a s1 a y er ， s t a b i l i t i e s ，d i s t r i b u t i o no f f l o wf i e l d i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我- - i 司f 作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名寺爱毛签字吼加谚r 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直邑太堂有关保留、使用学位沦文的规定， 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权书) 学雠文储签名毒泼 y b 签字日期：稚多月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： in 剔槛轹研 签字日期：彩年z 月侈日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 , 1 引言 第一章绪论 挤出成型由于其变化多、用途广、生产效率高、投资少、生产连续等优点成为聚合物加 工业的基本成型方法之一。聚合物制品约4 0 是由挤出加工成型的，因此挤出成型在聚合物 加工中起着举足轻重的作用 i - 7 】。但是，传统挤出成型存在以下问题： 1 ) 挤出胀大，挤出胀大是指挤出物截面尺寸比挤出口模尺寸大的现象。挤出胀大增加了 挤出口模设计难度，影响制品精度。 2 ) 挤出口模压降大，由于聚合物材料的高粘性，挤出时需要很大的口模压力来克服口模 内壁对挤出物的阻力，造成口模压降大，从而使得挤出制品内应力增加，导致变形增加，同 时也增加了能量消耗。 3 ) 挤出物表面质量缺陷，当挤出速度超过某一极限时，挤出物表面出现“鲨鱼皮”和挤 出破裂等现象。挤出物表面质量缺陷的出现限制了挤出速度的提高，影响生产效率。 随着科学技术的发展，聚合物制品向高性能、高参数、多功能方向发展，同时成型工艺 将向高效率、低能耗、高精度和绿色环保方向发展。传统挤出成型技术由于存在以上问题而 难以适应这种发展趋势。长期以来人们对于以上制约挤出成型发展的因素进行了大量研究， 以下就这些方面的研究进行综述。 1 2 挤出胀大 1 2 1 产生机理及影响因素 1 产生机理 对于牛顿流体挤出中的小程度胀大，认为是由于从口模内的测粘流到流出口模后成为具 有自由表面的射流流场变化、重构引起的。对于粘弹性流体的挤出胀大，认为由弹性恢复引 起的。当聚合物熔体进入口模时，由于流线收缩，在流动方向上产生速度梯度，即产生拉伸 变形，如果在口模中停留时间短，来不及松弛，离开口模后产生回缩，导致挤出胀大，即由 聚合物材料的弹性变形效应或记忆效应引起的挤出胀大。此外，熔体在口模内流动时，承受 剪切变形，在垂直于剪切方向上存在正应力，引发挤出胀大，此为法向应力差导致的挤出胀 大。有研究表明8 - 叩：长径比较小时，前一种原因起主要作用，长径比较大时，后一种起主要 作用。还有一种解释是熔体在口模内流动时处于一个高剪切力场内，大分子在流动方向上取 向，当离开口模后发生解取向，聚合物分子链的回缩引起挤出胀大，即挤出胀大是由于取向 l 南昌火学博士学位论文：聚合物气体辅助口模挤出成型的理论及实验研究 效应引起的【1 0 l 。 2 影响因素 挤出胀大程度通常用挤出胀大比b 来衡量，曰可用挤出物直径、断面、有关部位尺寸和口 模相应的尺寸之比来表示。挤出胀大的程度主要取决于流动时产生的可恢复弹性变形量的大 小和松弛时间长短，其影向因素除分子量、分子量分布、分子结构等聚合物本身结构特性外i i ， 还包括【1 2 一3 1 ： 1 ) 剪切速率：挤出胀大随之增加而增大，并在发生挤出熔体破裂前有一最大值1 4 i 。 2 ) 温度( 模壁温度、熔体温度、环境温度) ：增加温度可以显著降低挤出胀大，但有些 特殊材料如聚氯乙烯最大膨胀比随温度的升高反而增加【1 0 叫5 1 。 3 ) 体积力和表面张力：文献 1 6 1 讨沦了惯性力、重力对挤出胀大的影响，对聚合物熔体， 一般可以忽略体积力和表面张力m 。 4 ) 1 3 模长径比：在恒剪切速率时，挤出胀大随口模长径比的增大而减小，但在长径比超 过某一数值时挤出胀大比艿趋于一稳定值1 0 l5 i 。 5 ) 1 3 模中的停留时间：挤i j j t l 圭大随熔体在e l 模中的停留时间的增加而减小1 0 1 。 6 ) e 1 模的几何结构( 形状、尺寸、入口角等) 侣_ 2 。 因此，影响挤出胀大的因素很多，影响关系也很复杂，涉及到聚合物材料特性、工艺条 件和模具结构，而挤出胀大是挤出e 1 模设计的重要依据，为了得到所希望的挤出物截面尺寸， 必须对挤出胀大进行预测。长期以来人们通过实验和经验来对挤出胀大进行预测和计算，近 年来随着计算技术和计算机技术的发展，数值模拟方法已成为预测挤出胀大的重要计算方法。 1 2 2 理论预测和计算 1 经验公式 对挤出胀大的研究，早期大多集中在对圆形、狭缝口模挤出的研究上。由于圆形、狭缝 e 1 模截面规则，可以简化为一维流动，研究人员利用不同的本构模型推导出一些预测挤出胀 大的方程，并通过大量实验建立起一些预测挤出胀大比的半理论半经验关联式o9 、2 2 2 4 1 。 t a n n e l 在这方面作出了重要贡献，他提出了非约束弹性恢复理论，使对挤出胀大机理的 认识有了实质性的进步，并提出了一个与实验数据较符合的t a n n e r 方程式2 5 j ， 岛= ( ) z = 2 ( 7 01 ) 一1j ( 、- - 1 、) 厶。一 式中，& 一可恢复弹性应变，一第一法向应力差，一剪切应力，b 一挤出胀大比。 另一个具有代表性的模型是g r a e s s l e y 等基于弹性储能理论推导出的，由于方程较复杂， v l a c h o p o n l a s 等将其简化为便于应用的形式闭 一 7 s y = q3 ( 厉i 一2 厉! 一3 ) 2 - - 2 ) 梁基照通过研究聚合物熔体在长1 3 型挤出过程中的流变行为，提出了一个更为简便的数 2 第一章绪论 学模型1 9 l b = ( 1 + s 秽。2 s ( 、1 - 3 ) 华南理工大学郑融选用l o d e g 基于网格理论的单积分本构方程，得到一个与实验结果相 吻合的方程2 7 1 刀= 业乒坐 梁基照例研究了胶料短口模挤出中挤出胀大和入口弹性应变能的关系， 口模内壁剪切应力呈线性关系： b = 、七心。 ( 1 4 ) 得出挤出胀大和 ( 1 5 ) 式中，厶、五为与材料有关的常数。 自2 0 世纪8 0 年代以来，由于计算机技术的发展和粘弹性非牛顿流体力学的数值模拟方 法取得重大进步，数值模拟方法成为了挤出胀大定量研究的主要手段，对于复杂多变的挤出 过程，数值模拟方法以其特有的灵活性和广泛适应性具有其它研究方法无可比拟的优越性。 2 数值模拟 早期的挤出胀大数值模拟，主要是选用较为简单的粘弹本构模型进行二维稳态挤出胀大 数值模拟，而后逐渐采用较为复杂的粘弹本构模型模拟稳态挤出胀大。随着计算机性能的进 一步提高和并行计算技术的发展，三维挤出胀大和动态挤出胀大的数值模拟工作也逐步展开。 研究最初采用较为简单的m a x w e l l 粘弹本构模型进行稳态挤出胀大数值模拟。c h a n g 等【2 9 1 首先用粘弹m a x w e l l 流体模型对狭缝挤出胀大进行了有限元模拟，在w e i s e n b e r g 数( 粘弹性 流体弹性力和粘性力相比的无量纲参数，反映流体弹性的显著程度) 为0 6 时得到的胀大比为 1 7 。c r o c h e t 和k e u n i n g 等【3o 】采用混合格式有限元和微分型m a x w e l l 本构模型，分别模拟了缝 模和圆形口模的挤出胀大，在w e i s e n b e r g 数分别为0 7 5 和0 6 6 6 时得到了收敛解，挤出胀大 比分别为1 2 3 6 和1 1 7 2 。 随着粘弹性流体数值模拟方法的发展，挤出胀大数值模拟逐渐发展到采用较为复杂的粘 弹本构方程模拟较为真实的挤出胀大流动。c h r o c h e t 和k e u n i n g s 用o l d r o y d b 【3 | j 本构方程对狭 缝和圆形口模挤出胀大进行了模拟，得到可回复切变( w e i s s e n b e 电数的另一种表达形式) 达4 0 时的收敛解。b u s h 和t a n n e p 2 1 用p t t 本构方程计算挤出胀大，得到w e i s s e n b e r g 数达1 0 时的收敛解。南昌大学涂志刚、熊洪槐、柳和生等 3 3 - 3 4 采用p t r r 本构方程，利用一种去藕算 法对口模内的流动进行了三维挤出胀大模拟。a g a r c i a r e j o n 等1 1 8 、g b a r a k o s ，e m i t s o u l i s 3 5 1 、 范毓润等用k b k z 本构方程对挤出胀大进行了模拟。y a s u h i k o 等在环模挤出胀大的模拟 研究中用l a r s o n 、i 之b k z 和p t t 本构方程进行了对比研究，发现采用不同本构模型时计算得 南昌大学博士学位论文：聚合物气体辅助1 3 模挤出成型的理论及实验研究 i t ：l 的剪切流动基本相同，但粘弹性表现差异较大。华南理工大学黄树新等采用神经网络方 法计算模坯的挤出胀大并分析了h d p e 挤出中口模温度和挤出速率对挤出胀大的影响。 随着橡塑异型材使用的日益广泛，三维挤出胀大研究更具有实用性，而研究挤出胀大随 时问的变化历程，有利于更准确地了解挤出胀大的定量结果。另外研究动态挤出胀大有助于 对非牛顿流体挤出过程中的另外一个问题挤出破裂的研究。所以，近年来对三维挤出胀 大、动态挤出胀大的研究也活跃起来i ：3 3 3 9 - 45 1 。c o r m e n z a f l a 等4 2 1 用统计模拟技术和瞬态有限元 相结合的方法模拟了动态挤出胀大过程。y u a n 等1 43 j 用o l d r o y d b 和p t t 模型，采用差分格式 离散动量方程和质量守恒方程，用欧拉观点采用拟瞬态法求解每一个时间步长下的流场，再 用拉格朗日观点跟踪流体单元的运动和变形，获得流体单元在一段时间内的形变张量，同时 形成新的自由表面，获得不同时刻w e i s e n b e r g 数为5 3 时的挤出胀大表面。 3 减小措施 对挤出胀大如何进行预测和计算是问题的一个方面，而研究怎样减小或消除挤出胀大则 是问题的另一方面，从文献上看，这方面的研究很少。 n p h a nt h i e n 【4 6 1 ，g e o r i o sc g e o r g i o u 4 4 j ，p j a y 等【4 7 】1 采用数值模拟方法研究了存在壁面滑 移时的挤出胀大，发现当有壁面滑移发生时，挤出胀大会减小。钱百年【4 8 】，黄立【4 训等在胶料 挤出实验中，采用多孔质合金将气体引到口模内壁，利用空气进行口模润滑，实验结果表明 采用空气润滑可以使挤出胀大率比没有空气润滑时减小3 0 4 0 。 1 3 减粘降阻 1 3 1 润滑挤出1 5 0 l 润滑挤出成型技术是通过减小熔体雨11 - 5 1 模内壁间的摩擦阻力的方法来减小r s l 模压降。挤 出过程中，通过在熔体和口模内壁间形成一层低粘度液体润滑层，降低口模内壁对熔体的摩 擦阻力。 液体润滑分为自润滑和共润滑。挤出过程中利用e l 模温度变化在口模内壁形成高温低粘 度润滑层或在挤出原料中加润滑剂，挤出时润滑剂渗出在口模内壁，形成润滑层，这种方法 称为自润滑挤出。挤出过程中利用压力泵将低粘度液体送至口模内壁形成润滑层，或者将低 粘度原料和高粘度原料进行共挤出，低粘度原料兼起润滑层作用，这种方法称为共润滑挤出。 1 自润滑挤出 如热塑性聚氨脂类加工时，通过调节口模温度，使口模温度比聚氨脂类的熔融温度高出 5 6 - 11 0 。c ，聚氨脂在高温时会分解为含有多元醇的单体，这种单体的粘度很低，在口模内壁 和熔体问充当润滑层。当熔体离开口模后温度降低，表面的润滑层重新与主体结合为一体， 其性质基本不变。 对一些热敏性塑料难以通过提高加工温度来改善熔体的流动性和实现自润滑，可以在挤 4 第一章绪论 出过程中添加润滑剂，渗出在表面的润滑剂降低了口模与熔体之间的摩擦。i s a b e l l e f r a s ，p h i l i p p ec a s s a g n a u 等5 1 i 挤出p v c 时、e e r o s e n b a u m ，s k r a n d a 等5 2 1 挤出聚烯烃和氟聚 合物时加入润滑剂使临界挤出速率大大提高。刘秉志、孙晓林等1 5 3 1 用有机硅氧烷和丙稀酸脂 作复合润滑剂，实现了l l d p e 的高速挤出，挤出0 4 0 6 2 规格的电线绝缘料时的挤出速度达 到1 5 0 0 m m i n 。 2 共润滑挤出 共润滑挤出时，将润滑剂压入到模具中，并在口模内壁和熔体问形成润滑层，实现润滑 挤出。实现共润滑方法有两种途径：一种采用缝隙法，另一种采用微孔体法。 缝隙法如图1 1 所示1 5 。缝隙设置在垂直于熔体流动方向的全周长上面，缝隙宽度为 0 7 5 2 5 m m ，润滑剂通过共挤出支管由缝隙进入口模内壁形成润滑层。缝隙法几乎适合于所 有树脂材料，特别是那些需要在高粘度状态下成型的超高分子量聚合物。对于软化温度和分 解温度范围较窄，难以通过提高加工温度来降低粘度的聚合物，如聚苯醚、聚偏二氯乙烯类 聚合物特别适合于用共润滑挤出来进行成型加工。 液体润滑剂一般用粘度为1 0 3 p a s 以下的流体，常用的有液体石蜡、聚二甲基硅氧烷等各 种有机硅树脂；硬脂酸、硬脂酸金属盐等各种脂肪酸及其金属盐；各种表面活性剂、甘油、 聚乙二醇、低分子p e 等。李艳梅等1 5 4 】在双螺杆挤出机上采用液体润滑方法挤出u h m w p e 板 材，实现了连续高效挤出成型，挤出板材的表面光滑：平整。 微孔体法如图1 2 所示1 5 5 1 。模具内衬套用有细微连通孔的粉末冶金材料制造，从这里向 模腔内强制注入低粘度的液体形成润滑层。熔体进入口模前，有一低粘度润滑层在其表面生 成，改善了进入口模内的熔体流动性能。 异 润滑表面 图1 1 共润滑挤出用模具 |lf f | 1 匡 一 羹图匿 耪末冶金捌程 图卜2 微孔体口模 1 3 2 振动挤出技术 研究中发现，挤出过程中给熔体施加振动，可以使其粘度降低、挤出胀大减小、口模压 降降低，从而提高产量，降低能耗，提高制品质量。施加振动的方法有机械振动、超声波振 动和电磁振动等。 1 机械振动 在挤出过程中通过一定的机械装置将来自低频振动源的振动引入口模流动的边界上，在 5 南昌大学博士学位论文：聚合物气体辅助口模挤出成型的理论及实验研究 流场中引入振动。图1 3 所示为机械振动挤出1 2 1 模装置【56 1 ，熔体进入口模后，口模在电机的 驱动下一1 2 下移动和转动，移动和转l 动的振幅与频率可分别调整，从而给口模内的熔体施加振 动效应，以改善挤出性能和制品品质。瞿金平、彭响方等15 7 j 在挤出l d p e 时采用机械振动， 提高了挤出的临界剪切速率，改善了流动稳定性。在未施加振动时，当挤出流量为1 1 0 5 r a m 3 s 时，挤出物开始出现“鲨鱼皮”现象，而当施加振动时，在此流量下挤出物表面仍然光滑， 当流量增至1 2 8 3 m m 3 s 时，才开始出现“鲨鱼皮”现象。这种机械振动口模在实验室和实验 性工厂中有许多应用，但由于结构上的原因没有发展到商业应用。 2 超声波振动 超声波振动是高频小振幅振动，没有移 动元件，实施相对简单，又没有噪音，而且 具有较高的能量。对超声波在挤出中的研究 和应用日益广泛。p a n o v 等将超声波应用于 圆形流道的挤出机头，在范围较宽的多种机 头压力下挤出l d p e 和h d p e ，产量可分别 提高3 0 5 0 1 7 j o 通过对p p 、p s 、塑化的 p v c 及橡胶挤出中加入超声波的实验研究 表明p 刚，超声波可以降低熔体粘度，减小挤 出压力。对超声波在挤出过程中的研究主要 在实验方面，作用机理的研究较少。 3 电磁振动 目鼋雾目 、r 】l卜j l ； l l l s l s l ； 一一一 ! ； 1 1 一_ _ 一 1 图1 3 机械振动口模 利用电磁线圈绕组产生交变磁场，通过计算机控制其振i n 币i i 频率。电磁振动使熔体粘度 降低，制品质量提高。华南理工大学瞿金平等人1 7 5 卜6 1 1 对电磁振动挤出进行了深入研究，并 将振动场作用于整个塑化挤出过程，研制出塑料电磁动态塑化挤出机并实现产业化，比传统 螺杆挤出机降低能耗3 0 5 0 ，并且对物料的适应性好，挤出温度低，制品质量好。 1 4 熔体破裂及壁面滑移 1 4 1 熔体破裂 挤出过程中，当熔体剪切速率较低时挤出物表面光滑，形状均匀，当剪切速率达到某一 值时，挤出物表面开始失去光泽，且表面粗糙，俗称“鲨鱼皮”；当挤出剪切速率再升高时， 挤出物表面开始出现许多竹节状、扭曲变形甚至是断裂，这类现象称为熔体破裂现象。 熔体破裂现象可大致分为l d p e ( 低密度聚乙烯) 型和h d p e ( 高密度聚乙烯) 型6 2 - 6 3 j 。 l d p e 型破裂的特征是先呈现出粗糙表面，当剪切速率超过临界剪切速率发生熔体破裂时，呈 现出无规则破裂状。此类材料多为带支链或大侧基的聚合物，如聚苯乙烯、聚苯橡胶等。 6 第一章绪论 m r m a c k e r y 等 6 4 1 通过流动双折射测量和用p o l y f l o w 软件研究了l l d p e 的挤出过程，发 现口模出口处的熔体变形、速度梯度和应力都达到最大，表明不稳定流动在口模出口处产生。 h d p e 型则在出现粗糙表面后，随着剪切速率的提高，熔体逐步出现有规则的畸变，如竹节状、 螺旋形等。从流变曲线看，l d p e 型的流变曲线是连续的，而h d p e 型的流变曲线是不连续的， 且要复杂得多。h m u u s t e d t l 6 5 1 等用激光多普勒测速仪研究h d p e 挤出时发现，随着挤出速度增 加出现三个区域，在开始阶段，挤出过程平稳，挤出压力随着挤出速度增加而增加，挤出物 表面光滑；当挤出速度增加到一定程度时，挤出速度和挤出压力开始出现波动，挤出物也出 现变形；当挤出速度再增加时，挤出压力和挤出速度波动消失，流变曲线又变得平滑，出现 第二光滑区。 1 产生机理1 6 6 i 熔体破裂的产生机理至今仍没有统一认识。一种观点认为是由于口模入口处应力过大造 成的。t o r d e l l a l 6 7 】通过流动双折射研究口模入e l 区附近熔体的应力集中效应，发现l d p e 型熔 体和h d p e 型熔体经口模时的应力分布状态不同，对l d p e 型熔体，其应力主要集中在口模 入口区，且入口区的流线呈喇叭型收缩，在口模死角区存在涡流，如图1 4 所示。当剪切速 率较低时流动稳定，死角区的涡流也稳定，对挤出物不产生影响：当剪切速率超过临界值时， 熔体由料筒进入口模前，在收敛的流场中流动速度迅速增加，由于熔体的粘弹性，在流动中 产生弹性变形，变形程度随剪切速率的增加而增大，当弹性变形达一定极限后，熔体一旦受 到更大弹性变形就产生破裂，这时经收敛区进入口模的流线断开，第二流动区的熔体就乘机 进入，而环流区熔体压力降低后又有收敛区的熔体进入，这两股不同区域的熔体轮流进入， 使得不同剪切历史的熔体相混合，造成挤出物的无规则畸变。 涡流 应力集中区 a ) 低t 托速 一 b ) 商流速 图1 4l d p e 型熔体在口模入口区流谱示意图 对于h d p e 型熔体，其流动时的应力集中效应主要在口模内壁附近，口模入口处不存在 死角，如图1 5 所示。在低剪切速率下，熔体流过口模内壁，在壁面上无滑移，挤出过程正 常。当剪切速率增大到一定程度，由于口模内壁附近的应力集中效应突出，此处流线断裂， 又由于应力集中使熔体贮能大大增加，当能量积累到一定程度，超过了熔体和口模内壁的摩 7 南昌大学博士学位论文：聚合物气体辅助口模挤出成型的理论及实验研究 擦力所能承受的极限时，就造成熔体沿口模内壁滑移，熔体突然增速，同时释放出能量。释 能后的熔体又重新和1 3 模内壁粘附，从而再次积累能量，再次发生滑移，这样造成熔体在口 模内壁上发生“粘一滑”，表现在挤出物出现周期性畸变。当剪切速率再增加时，熔体就会在 口模内壁上出现完全滑移，这时反而能得到光滑的挤出物，即出现所谓的“第二光滑区”。 另一种观点认为挤出中的熔体破裂现象是由于本构 方程不稳定造成的。这种解释是根据毛细管挤出时，无 论是恒速率型和恒压力型毛细管在挤出线性聚合物时都 会发生畸变，畸变的发生不依赖毛细管的推动方式，因 而认为是熔体内在的本构不稳定导致挤出的振荡和流 动的不连续例。l l u s e b y l 6 8 j 提出如果盯与) ，是一个非单值 函数，使用此本构方程可以解释“鲨鱼皮”等熔体流动 u 一 应力集中区l 图1 5h d p e 型熔体在口模 内壁附近的流谱示意图 不稳定现象。m c l e i s h 等6 9 1 根据此多值函数关系式对毛细管内的熔体流动进行了模拟，计算出 的g y 曲线与实验符合得很好。理论计算表明，在高剪切速率下，e l 模内壁附近有一极薄薄 层( 边界层) ，层内流体剪切速率非常高，而此边界层内熔体以近似于活塞流的形式流动，此 解释与壁面滑移理论中熔体在界面的滑动相对应。 2 影响因素 熔体破裂是聚合物熔体粘弹性的一种表现，因而影响熔体粘弹性行为的因素都对熔体破 裂产生影响，包括口模入口角、1 3 模长径比、挤出温度和聚合物分子结构的类型等6 5 0 。如 l d p e 型熔体在入口存在涡流，减小入口角可以减轻熔体破裂【6 2 1 。对支化型p e ，在同样剪切 速率条件下，用长径比小的口模比用长径比大的口模挤出熔体破裂严重得多，而对线性p e ， 随1 3 模长度增加熔体破裂更严型6 3 1 ，对挤出结果的不同影响是由于支化型p e 和线性p e 的破 裂机理不同的缘故i l l l o 另外，适当提高熔体温度，添加增塑剂，能够降低熔体的弹性，有助 于减轻熔体破裂1 1 。 1 4 2 壁面滑移 现有的挤出成型机理基本采用非滑移粘着剪切口模挤出，即壁面无滑移，挤出流动分析 也是以壁面无滑移为基本边界条件，然而大量的研究表明，在一定条件下熔体会沿着壁面滑 动，即产生壁面滑移。壁面滑移有两种形式，一种滑移是以滑一粘( s l i p - - s t i c k ) 的形式出现， 称之为壁面滑移，简称滑移；另一种滑移以完全滑移( f u l ls l i p ) 的形式出现，熔体的流动为 柱塞式运动，称为完全壁面滑移，简称完全滑移。研究发现，壁面滑移是诱发和产生挤出压 力与速度波动、表面裂纹、熔体破裂等流动不稳定的重要原因，而完全壁而滑移不但可以实 现稳定挤出，保证挤出物表面和内在质量，而且可以降低挤出压力，减小挤出胀大。 自上个世纪3 0 年代m o o n e y l 7 1 1 提出壁面滑移概念以来，人们对挤出过程中的壁面滑移现 象进# t t 各种实验研究和理论分析，据此提出了不同的机理和模型来对壁而滑移现象进行解 释和计算。 第一章绪论 文献 7 2 】采用彩色示踪物观察炭黑填充胶料的流动情况，当剪切速率超过某一临界值时， 会发生壁面滑移现象。梁基照【7 3 1 在r s b r 胶料挤出时发现当表观剪切速率达到某一值时出现 压力波动，认为这种压力波动是由于试样的壁面滑移行为引起的。文献 7 4 用一个可视的缝模 对p e 和p b 两种料进行了挤出实验，缝模的下半段口模内壁进行氟化以降低表面吸附能，通 过添加碳黑使熔体着色，研究发现聚合物黏附于e l 模的上半段，下半段出现滑移，说明滑移 的产生与口模内壁有关。 h m u n s t e d t 掣6 5j 用激光多谱勒流速计研究了聚乙烯熔体在挤出时e l 模