（机械设计及理论专业论文）气辅共挤成型界面稳定性数值模拟及实验研究.pdf

摘要 摘要 气辅共挤成型是一种将气辅挤出技术和共挤成型技术结合在一起新型的共 挤成型技术，它是通过气体辅助控制系统和气体辅助共挤出口模，使挤出时在 挤出口模壁面形成一层稳定的气垫膜层，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，以降低剪切应力，改善共挤成型的 界面稳定性。本文在前人研究的基础上对气辅共挤成型进行了三维粘弹非等温 理论及实验研究，主要研究工作如下： 1 、针对气辅共挤成型的特点，以及黏性耗散和口模壁面与熔体可能存在的 热量交换，基于流变学，流体动力学理论及聚合物热性能，经合理假设，建立 描述气辅共挤成型过程的全三维非等温粘弹性数学模型。 2 、采用g i e s e k u s 粘弹本构方程、针对黏性耗散及界面不稳定性模拟传统 共挤出与气辅共挤出中熔体在口模内的流动以及共挤界面情况。 3 、通过数值模拟，得到不同工况、不同物性参数条件下的各种场量分布， 分析粘弹流变性能参数和工艺参数对传统共挤出成型和气辅共挤出成型界面不 稳定性的影响规律。 4 、通过对传统共挤出与气辅共挤出成型过程对比，分析气辅共挤相对于传 统共挤在界面稳定性上的优点。 5 、通过实验对模拟结果进行验证。 关键词：气辅共挤出成型、三维非等温数值模拟、界面不稳定性、粘弹性、实 验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t g a s - a s s i s t e dc o e x t r u s i o ni san e wt y p eo ft e c h n o l o g yo np o l y m e rc o e x t r u s i o n i t p r o v i d e sag a sl a y e rb e t w e e nt h em e l ta n dd i ew a l l ，s ot h ef l o wb o u n d a r yo f c o e x t r u d e dm e l tc h a n g e st of u l ls l i pi nt h e d i ea n dt h ef r i c t i o nb e t w e e nt h em e l ta n d d i ew a l li st h e r e b yr e d u c e dg r e a t l y ，s od o e st h ei n t e r r a c i a li n s t a b i l i t y o nt h eb a s i so f t h ef o r m e rs t u d i e s ，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 fg a s a s s i s t e d c o e x t r u s i o nh a v e b e e nc o n d u c t e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r ki sl i s t e db e l o w ： 1 、b a s e do nt h ev i s c o u sd i s s i p a t i o na n dh e a te x c h a n g ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so f g a s a s s i s t e df u l ls l i pc o e x t r u s i o nm o l d i n ga n dt h et h e o r i e so fr h e o l o g y , h y d r o k i n e t i c s a n dp o l yc a l o r i f i c se t c ，u n d e rr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n s ，af u l lt h r e ed i m e n s i o ns t e a d y n o n i s o t h e r m a lv 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 fd e s c r i b i n gg a s - a s s i s t e dc o e x t r u s i o n m o l d i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e d 2 、c o n s i d e r i n gt h ev i s c o u sd i s s i p a t i o na n dh e a te x c h a n g e ，t og e tt h er e s u l to f t h e i n t e r f a c i a li n s t a b i l i t y , s i m u l a t i o n so nt r a d i t i o n a lc o e x t r u s i o na n dg a s - a s s i s t e d c o e x t r u s i o nw e r ec a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h es t a b l ef i n i t ee l e m e n td i s c r e t e t e c h n i q u e so f g i e s e k u sm e t h o d 3 、t h r o u g ht h es i m u l a t i o n a l lk i n d so ft h ef l o wf i e l d su n d e rd i f f e r e n t p r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e d t h ei n f l u e n c i n gr u l e so f t h ev i s c o e l a s t i c i t yp r o p e r t yp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ei n t e f f a c i a l i n s t a b i l i t yo ft h eg a s a s s i s t e df u l ls l i pc o e x t r u s i o nm o l d i n g a n dt r a d i t i o n a lc o e x t r u s i o n a r ea n a l y z e d 4 、c o m p a r e d t h et w o p r o c e s s e s ， g a s - a s s i s t e df u l ls l i pc o e x t r u s i o nm o l d i n g t h a nt r a d i t i o n a lc o e x t r u s i o n 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 e p r o c e s sh a st h eb e t t e ri n t e r f a c i a li n s t a b i l i t y 5 、c a r r y e do nt h ee x p e r i m e n t sa n dc o m p a r e dt h er e s u l tw i t ht h es i m u l a t e d r e s u l t k e y w o r d s ：g a s - a s s i s t e d c o e x t r u s i o n ，t h r e e d i m e n s i o n a l n o n i s o t h e r m a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i n t e r r a c i a li n s t a b i l i t y , v i s c o e l a s t i c ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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，除了文中特另j3 0 n 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，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工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c 手瓢赠签字隅 锄7 年 | 月终同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权南昌大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 、 、 l a 守 签字日期：以钟年么月l 多 l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名( 手写) ： 日 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 共挤技术( c o e x t r u s i o n ) 在最近的一、二十年问得到了很大的发展。采用共挤 出技术能够使多层具有不同特性的物料在挤出过程中彼此复合在一起从而使一 种制品兼有几种不同材料的优良特性，共挤出加工可以在一个工序内完成多层 复合材料的挤出成型，而用其它方法生产则需要多个工序才能完成【。在某些特 定情形下，比如，0 2 5 m m 以下的多层薄膜i 引，很难用共挤出加工技术以外的其 它方法生产，因此共挤出加工技术在制作新产品中是非常有吸引力的。在复合 薄膜的加工中，采用共挤出复合技术无需粘合剂黏结基材，生产成本低，能耗 少，生产效率耐引。复合材料能够把具有不同性能的材料合理组合，互相取长补 短，从而提高复合制品的整体性能，最大程度地满足使用要求。因此，共挤出 成型方法被广泛的用于生产复合管材、复合薄膜、异型材、板材、电线、电缆、 光纤等制品等。 气辅挤出成型技术是由英国的r el i a n g 5 j 等人于2 0 0 0 年首次提出并进行 了研究。该技术的创新之处就在于通过气体辅助挤出控制系统和气体辅助挤出 口模，在口模挤出过程中，使聚合物熔体和口模之间形成气垫膜层，从而将现 有的非滑移黏着剪切口模挤出方式转化为气垫完全滑移非黏着剪切口模挤出方 式，该技术是一种有效的口模减黏降阻的手段【鲫】，研究表明【9 - 1 0 】采用这种口模 挤出方式，不仅可以使得口模压降减低4 0 左右，而且还可以将聚合物挤出产 品的内应力和翘曲变形大为降低，离模膨胀也基本上得到消除。 将气辅挤出技术应用于同益普及的聚合物共挤出工艺中，取长补短，改善 共挤成型出中经常出现的界面不稳定性，是本文研究的目的。 1 2 气辅共挤成型原理 1 2 1 共挤成型技术 聚合物共挤成型技术是一种使用数台挤出机分别供给不同的熔融料流，在 一个复合机头内汇合共挤出得到多层复合制品的加工过程，它是当代广泛应用 的先进的塑料成型加工方法之一u 川。采用共挤出技术生产复合制品是为了能够 进一步发挥各种物料所具有的综合特性，各种组分材料在特性上进行互补以便 扩大高聚物复合制品应用范围“。 1 2 2 气辅挤出成型技术 气辅挤出成型技术由英国的r el i a n g 1 3 】等人于2 0 0 0 年首次提出并进行了 1 第1 章绪论 研究。该技术的创新之处就在于通过气体辅助挤出控制系统和气体辅助挤出口 模，在口模挤出过程中，使聚合物熔体和口模之间形成气垫膜层，从而将现有 的非滑移黏着剪切口模挤出方式转化为气垫完全滑移非黏着剪切口模挤出方 式，该技术是一种有效的口模减黏降阻的手段，研究表明1 1 4 j 采用这种e l 模挤出 方式，不仅可以使得口模压降减低4 0 左右，而且还可以将聚合物挤出产品的 内应力和翘曲变形大为降低，离模膨胀也基本上得到消除。 1 2 3 气辅共挤出成型原理 鉴于气辅挤出成型技术的众多优点，特别是其有效的减粘降阻性，所以将其 应用于传统共挤成型技术，即在共挤成型过程中，使聚合物熔体和口模之间形 成气垫膜层，将传统的非滑移粘着剪切口模共挤出方式转化为气垫完全滑移非 粘着剪切口模共挤出方式，产生一种全新的同时具有气辅挤出成型与共挤成型 优点的成型工艺一气辅共挤成型。由于气辅共挤成型将气辅挤出成型与传统的 共挤成型融为一体，所以它的挤出口模和气辅挤出口模相似，不同的是它将气 辅装置和共挤出设备有机地结合起来。气辅共挤成型系统主要由气辅共挤出控 制系统、传统的挤出机( 多台) 和气辅共挤出口模三部分组成，气辅共挤成型流程 如下图1 1 所示： 图1 1 气辅共挤成型原理图 2 第1 章绪论 1 3 聚合物共挤成型界面不稳定性 1 3 1 聚合物传统共挤出成型界面不稳定性 在共挤成型加工中，经常会遇到挤出制品分层界面的扭曲变形甚至三维波 动现象。这些不规则分层界面的产生都是由于界面不稳定性导致的。所谓界面 不稳定性是指在聚合物共挤成型过程中，各层熔体间由于流变性能、工艺参数 的差异在共挤熔体分层界面处产生类似水波状三维波动，以及粘性包围现象。 许多关于多层共挤出的技术和基础性方面的研究在文献中被报道。贾明印【1 5 】 等对共挤出技术在聚合物成型加工中的应用及其设备的最新进展进行了探讨。 朱文利i l6 j 等对共挤复合成型的界面不稳定性进行了研究，并对粘度比、口模温 度、流道几何形状、口模出口间隙、聚合物相对分子质量分布和层比等因素对 于界面形貌的影响做出了分析。武停启【1 。7 j 等对复合共挤出熔体中界面位置进行 了三维模拟。张敏i l8 】等对双层聚合物共挤出过程进行了二维和三维的数值模拟。 吴晓芳【1 9 】等还对双组分共挤出成型机头进行了设计和数值模拟。周宏志【2 0 】等对 复合共挤喂料块的三维流动进行了分析。 s c h r e r l k l 2 1 1 等从理论和实验上研究了薄膜共挤出的界面稳定性问题，描述了 共挤出中的界面不稳定性，将它作为界面上波纹状不规则现象的开始。h a i l 和 s c h r e n k 2 2 j 等的关于在界面不稳定区域的多层共挤出薄膜的光学显 翻累片表明 了界面波纹的特性特征和光学征象。lf i e d l e r 2 3 】等则以p p p e 薄膜为例提出一 种光学统计分析的方法检测共挤出塑料薄膜的边界层的分析。 m a v r i d i s l 2 4 1 等对聚合物熔体非等温多层流动的界面不稳定性进行了的实验 和理论研究，给出了三层( ( p s e v a p s ) 薄膜共挤的流变和实验数据，并通过光 学显微技术来确定它对薄膜光学性能一透明度的影响。w i l s o n t 2 5 j 等对p p h d p e 系统的界面稳定性进行了实验性的研究。 x l l u 2 6 等还报道了共挤出多层流动的一个数学模型，他们采用该模型和相 关实验以分析影响界面不稳定开始的因素，结论是：当界面的剪切应力超过一个 临界值时会发生界面不稳定。然而，还没有详细的数据来支持该说法。 h a n 【z7 j 等报道了关于平面薄膜共挤和电线电缆包覆共挤中产生界面不稳定 的实验和理论研究结果。实验数据表明界面不稳定发生在界面剪切应力超过一 个临界值时，h a n 等指出在一个三层系统( ( p s l d p e p s ) 和一个五层系统 ( p s l d p e p s l d p e p s ) d p ，同样的物料，临界剪切应力是不同的。因此，临界 剪应力看来不像是两种聚合物界面间的一个特征，它可能受到诸如层的排列和 厚度等因素的影响。 江波【n 驯等对缝隙口型中的两层和两相三层复合共挤出流动进行了理论和实 验研究，他采用二维有限元方法( ( f e m ) 来研究等温多层层流问题，研究中在流 3 第1 章绪论 体间的界面上均采用取结点技术来保证速度和压力的连续性并捕捉压力的不连 续点。 t o 玎e s 【2 9 】等用三维有限元方法来模拟两种成分的共挤出过程，并用归纳法研 究了接触边界条件：滑动边界条件和粘附边界条件对界面形状的影响。拟结果表 明不同的边界条件会产生不同的界面形状。t o r r e s 3 0 】还采用三维计算机模拟研究 了多层聚合物熔体共挤出中的温度对界面的影响。 1 3 2 气体辅助共挤出成型界面不稳定性 2 0 0 6 年南昌大学蔡奎对气辅共挤界面稳定性进行了三维纯黏合和二维粘弹 模拟数值研究，模拟结果发现气辅共挤成型过程能有效地消除传统共挤成型中 的粘性包围现象，同时气辅共挤成型过程仍然存在由于流变性能和工艺参数等 的差异所导致的界面不稳定性现象，但其不稳定的程度明显较相同条件下传统 共挤成型时小。蔡奎认为聚合物熔体气辅共挤成型过程中界面不稳定的机理可 总结为：各层熔体流变性能的差异和不恰当的层厚分布使得成型过程中速度场在 空问上分布不均匀，并具有时间依赖性，从而导致熔体粘度和切变速率的不均 匀、不定常，而聚合物熔体内应力与压力、粘度和切变速率直接相关，具有时 间依赖性的不均匀的速度场、应力场将导致二次流动的出现，不均匀的二次流 动必然导致模腔中各相熔体层厚的重新分布，从而产生熔体分层界面的不稳定， 并使得三维波动界面不断发展变化【3 1 1 。 2 0 0 7 年南昌大学的尹智龙对气辅共挤进行了较为全面的二维粘弹数值模拟 研究。研究结果表明：气辅共挤的挤出胀大远远小于传统共挤，气辅共挤有助于 熔体界面的稳定和口模压降的减小【3 引。 以上研究均是在等温的假设下进行的，而且均没有做三维粘弹的数值模拟 研究。 1 4 课题来源、内容 本课题来源于黄兴元教授主持的国家自然科学基金项目“气辅共挤成型机理 研究 ( 项目号：2 0 6 6 4 0 0 2 ) 以及江西省自然科学基金项目“超高分子量聚乙烯 气体辅助挤出成型的理论及实验研究 ( 项目号：2 0 0 8 g z c 0 0 6 4 ) 。 气辅技术是有效消除粘性包围、界面不稳定性、提高制品表面质量和生产 率的手段，前人对此己进行了一些研究，取得了一些进展，但此前的研究局限 于粘性、等温情况，本文在此基础上对三维非等温粘弹性气辅共挤成型的界面 稳定性进行深入地研究： 1 对粘弹性、三维非等温共挤口模中的流体在气辅共挤出条件下建立有限 4 第1 章绪论 元模型，并进行计算机模拟； 2 对气辅共挤成型过程中的界面稳定性进行实验研究； 3 研究物性参数、工艺参数对气辅共挤界面稳定性的影响。 1 5 本章小结 1 综述了聚合物共挤出成型的研究现状、气辅共挤成型原理，共挤成型界 面不稳定性及其研究现状。 2 提出了本文的课题来源和研究内容。 5 第2 章气辅共挤出口模流动的数学模型 第2 章气辅共挤出口模流动的数学模型 2 1 流体力学基本方程 2 1 1 连续性方程 连续方程由质量守恒原理推导出 o p + a ( p u a ：0 以 阮 式中：p 一表示聚合物熔体密度， t 一表示时间， u ；表示速度失量在坐标方向的分量， 疋表示坐标分量。 ( 2 1 ) 2 1 2 动量万崔 按照控制体方法推导动量守恒方程，可以得到动量方程，亦称c a u c h y 方程。 。 p 詈一肛射鼍懈z ( 2 2 ) 式中：一表示速度梯度张量，即6 甜；丝，d 娩表示总应力分量， 。d x ： g i - - 表示重力加速度在坐标轴鼍方向上的分量。 结合流体力学和高聚物的动力学可知，总应力与偏应力有如下关系： ；+ p 6 0 ( 2 3 ) 式中：一表示偏应力张量， 岛一表示融。n e c k e r 符号，岛一譬：；，p 表示静压。 2 1 3 能量方程 聚合物加工中存在流动能量的变换，也就是加热与冷却等热量的传递过程， 从而使聚合的从一种状态过渡到另一种状态，根据能量守恒定律有： p g 鲁一一( v q ) 川瓤( v 训吲v “ ( 2 4 ) 式中：p c v 鲁一单位时间内流体的质点携带的温度变化引起的热量变化量； 6 第2 章气辅共挤出口模流动的数学模型 巾训= k v 2 t = k ( 窘+ 害+ 警) - - 位置的温差引起热传导产生热量变 化； r 皓) ，( v 比) 一温度变化而引起的膨胀或压缩能量的变化。对于气体或泡沫 体等可压缩体系是很重要的。但对高聚物熔体和高弹性体等可以忽略； f 。：v u 一剪切应力作用于流体时黏性摩擦产生热效应引起温度的变化。 控制体中热能的变化包括传导、对流及外力做功所产生的热量三个部分。 在聚合物加工过程中，熔体流动是不等温的，通过能量方程，结合连续方程和 运动方程，可以分析流动场的温度分布，温度不同，则粘度不同，则流动状态 也不同，因此，能量方程对于不等温流动是一个非常重要的基本方程。 2 2 本构方程 聚合物材料品种多种多样、性能复杂，合理的本构模型的建立一直以来就 是聚合物材料的研究重点之一。目前，国际上提出的本构模型很多，主要有广 义牛顿流体模型曲4 。3 5 1 和粘弹流体模型，其中粘弹模型又分为微分型和积分型两种 m 。3 引，积分型多用于流变学理论方面的研究，数值计算时收敛相当因难，微分型 大多适合于实际工程应用中的数值模拟。常用的粘弹模型有m a x w e l l 模型汹。4 川、 o l d r o y - b 模型h 2 。4 5 1 、p h a n t h i e n - t a n n e r ( p ，r t ) 模型嘲1 等。 尽管现有的本构模型非常多，但目前还没有一个本构模型完美得足以预示出 复杂流体在各种流动条件下的行为，有些预示能力较强的模型，对解决工程流 动问题而言，在数学上都太复杂。t a n n e r 对本构模型的选用问题提出了精辟的 见解，他认为，无论对什么问题都坚持“最真实 的本构关系，不但没有必要， 而且费事，应当选用那些对所研究问题适宜的模型喳，因此，应针对不同的研 究课题来选择相应的本构方程。 在本研究中，研究的对象是聚合物异型材挤出口模，这是典型的三维问题， 本文将采用前人研究中较成功的一种非线性粘弹性流体本构方程即g i e s e k u s 模 型对聚合物熔体在挤出口模内外的三维流动进行计算机模拟。它是最真实的本 构模型之一，并能预示高剪切速率下的剪切变稀效应及非二次的第一法向应力 差。其本构方程为： 7 $ z d y 宣 d a+ k 卜 乃 堕 + 量张位单为 卜 中式 第2 章气辅共挤出口模流动的数学模型 a 一为无量纲材料参数。 2 3 基本假设 本文将采用如下假设 1 稳态层流假定 稳态假定指在整个物理过程中，观察不到系统的物理量随时间的变化，数 学上的提法为在描述过程的场方程中必需所有a 砸项都为零，实际上，真正的 稳定过程是极少见的，边界条件、系统的阻力、高分子链构象的变化都有少量 的周期、无规或单调的变化，这些变化会引起过程物理量的波动。但聚合物挤 出成型研究中，一般仍使用稳态假定。由于聚合物熔体粘度较大，雷诺数r e 值 一般均较小，所以，层流假定是可取的。 2 恒定的物理性质假定 在液体流动和传导传热中，通常热传导系数k ，热容e 或g 和密度p 作为 独立于温度，、压力p 的不变量来处理，在挤出成型中，挤出压力不大，对动量 方程和能量方程，假定熔体为不可压缩流体不会导致很大的误差，因此本文假 设熔体不可压缩，即密度p 恒定。此外，在挤出过程中，熔体温度变化不大， 因而可以认为熔体的热容c 。或c ，和热传导系数k 为常数。 3 忽略惯性力和重力假定 许多研究都忽略了惯性力和重力的影响，在聚合物挤出成型加工中，雷诺 数非常小，相对重力、惯性力而言，粘性力很大，因此，在高粘度的聚合物挤 出研究中，这一假定可以接受。 根据以上假设，方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以简化为 堕；0 ( 2 6 ) a 鼍 堕：望 ( 2 7 ) o x j o x , 式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 在笛卡尔坐标系中展开为： 堕+ 丝+ 丝；0 ( 2 8 ) 搬 a y a z 8 第2 章气辅共挤出口模流动的数学模型 ( a ) ( b ) ( c ) 写成张量的形式即为： v u = 0 一v p + v = 0 式中：v 一哈密顿算子 以上两个方程加上本构方程即为研究对象的数学模型。 2 4 热力学特征 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 4 1 粘度对温度的依赖性 在聚合物加工过程中，温度是一个非常重要的因素，并在很大程度上影响 着聚合物产品的质量和产量。 z 随着温度升高，聚合物分子间的相互作用力减弱，粘度下降。但是各种聚 合物熔体对温度的敏感性有所不同，而且同一聚合物在不同的温度范围内，温 度对粘度的影响并不一样。 在温度范围为丁 疋+ 1 0 0 0 c 时，聚合物熔体粘度对温度的依赖性，可以用 阿伦尼乌斯( a r r h e n i u s ) 方程来表示。视剪切速率恒定或剪切应力恒定的粘性 流动的活化能不同，粘度分别表示为： ，7 一a e x p ( e y r t ) ( 2 1 2 ) ，7 = a e x p ( e ，r t ) ( 2 1 3 ) 式中： a 、a7 与材料性能、剪切速率与剪切应力有关的黏度常数： e 产疋一在恒等剪切速率、恒定剪切应力下黏流活化能； r 一气体常数，8 3 2 j ( m o e k ) ： 丁一绝对温度 2 4 2 黏性耗散 由前式( 2 4 ) 能量方程，假设聚合物熔体在加工过程中不可压缩的，观一0 。 有黏性耗散的计算方程 9 妒一缸印一砂印一拓 量 = 皇 忆i 魄i 忆i 竖妙垃砂监妙 丝缸蔓缸堡魂 第2 章气辅共挤出口模流动的数学模型 p c v d _ f ，_ r = 一( v ，q ) 川罟以v 训+ ：v u = - v q ；+ g 。 ( 2 1 4 ) 式中：g 称为黏性耗散速率，是单位体积流体的剪切摩擦化为热能的速率。它 是剪切应力张量与速度梯度双点积。g 的展开式如下： 2 4 3 口模壁面传热 聚合物熔体在传统共挤口模内以口模内壁属于压力接触，且具有相对运动， 因此，如果熔体与口模有温差，它们之间的热量传递将不能被忽略，其热量传 递满足方程： q = q c + 以叹丁一乙) + f 呵口一瓦) 4 一( t + 瓦) 1 ( 2 1 6 ) 式中： q ，为恒定热源，一般为零； 口咿一t ) 为热传递； 叮仃一瓦) 4 一( + 瓦) 1 为热辐射，一般可以忽略不计。 2 5 本章小结 1 根据流体力学三大基本方程和本构方程，经合理假设，建立了全三维非 等温粘弹气辅共挤出口模流动的有限元数学模型。 2 阐述了非等温模拟涉及到的热力学因素。 1 0 毗i ” + j业缸q + 毗一砂 + 蔓汜 + 哆i + 毗一砂 + 峨i 吃 + 毗可 ” 监船 k = g 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 第3 章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 本章采用计算流体力学方法，以专用于粘弹性流体的c f d 有限元分析软件 p o l y f l o w 对气辅共挤口模共挤出过程进行数值模拟，研究聚合物熔体在共挤 口模内挤出时1 ：3 模内的界面稳定性并与传统共挤的模拟结果进行比较。 3 1 气辅共挤口模结构 3 1 1 口模构型 口 图3 1 气辅共挤口模三维图( 单位m ) 图3 1 为以x z 平面为对称面的口模的上半部分：低粘度熔体与高粘度熔体 在汇合前熔体垂直于流动方向的截面积比为1 ：3 ，口模采用小收敛角设计，避 免死角，有利于降低流动过程中的强烈扰动所带来的总压力降，减少流动缺陷， 提高制品质量，取x z 平面为对称面是为了降低计算量，节省计算时间。 3 2 物性参数、工艺参数 本文模拟采用的原料为p p ( 聚丙烯) 和p s ( 聚苯乙烯) ，牌号分别为6 0 3 2 5 a 2 l 和s b 8 2 5 t v 。密度分别为9 1 3 k g m 3 和1 0 3 0 k g m 3 ，共挤成型温度2 0 0 。c 。经过测量 熔融指数分别为1 0 0 和4 0 表3 1 为模拟所需的模型参数( 参数来源于l u o 以及t a n n e r ( 1 9 8 7 ) ) ： 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 3 3 有限元网格划分 由于口模结构比较简单规整，故选取正六面体结构化网格进行刚格划分， 在划分网格时，在速度、压力及应力等参数变化较大的e l 模入口，辅助气体入 口和口模出口处加密，网格划分如图3 2 所示。 3 4 边界条件 ( 1 ) 入口边界条件 口模入口选取流量入口，体积流量分别为q 1 = 3 l f f 7 m 3 s 和q 2 = 9 x 1o _ 7 m 3 s ，入口速度为充分发展流。 入口处热力学边界条件为恒温：t = 4 7 3 k 圈3 2 口模的删格划分 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 ( 2 ) 非气辅段口模壁面边界条件 非气辅段口模为黏着非滑移边界条件 = 0 屹= 0 ( 3 1 ) ( 3 ) 气辅段口模壁面边界条件 气辅段口模壁面为壁面完全滑移边界条件，以模拟气垫膜层对熔体的润滑 作用 厂5 = 0 ， ，。万= 0 ( 3 2 ) 热力学边界条件：热通量边界条件，由经验数据【5 1 】选定给热系数 a = 7 0 0 0 a w ( m 2 ) 1 ( 4 ) 共挤界面上：速度场是连续的，即没有熔体穿透界面。 ，l = 0 ( 3 3 ) 沿乔面材料之间没有相对滑动，界面上两种材料的切向速度相等，不考虑 表面张力的影响。 热力学边界条件：中间界面上温度连续，热通量连续。 ( 5 ) 出口边界条件 。s = 0 ，y 。，l = 0 ( 3 4 ) 式中：v 为速度矢量； 甩为边界单位法向矢量； f 为边界单位切向矢量。 热力学边界条件为：出口全展流。 3 5 模拟结果与传统共挤成型的比较 为了对气辅和传统共挤的结果做对比，传统共挤采用和气辅共挤一样的材 料参数，除共挤段边界条件改为完全黏着外其他的边界条件也一样。 图3 3 、3 4 和3 5 分别为气辅共挤和传统共挤两熔体在口模内的界面分布 情况( 本文长度单位均为m ) ： 一一 唾 嚼每；。 = 毛迅逄一“= = ，_ i 、： 气辅共挤界面 传统共挤界面 图3 3 气辅与传统共挤界面的对比 1 3 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 x 图3 4 气辅共挤在出口端面的共挤界面示意图 y 图3 5 传统共挤在出口端面的共挤界面示意图 从图3 3 、3 4 和3 5 可以看出气辅共挤成型在其他参数都相同的情况下相 对于传统共挤其粘性包围现象得到了大幅度改善。 图3 6 、3 7 分别为气辅共挤和传统共挤的共挤界面在对称面上的分布： 1 4 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 x 图3 6 气辅共挤界面在对称面处沿z 向的分布 图3 7 传统共挤界面在对称面沿熔体流动向的分布 从图3 6 和3 7 可以看到气辅共挤界面的层厚比变化相对传统共挤得到了 极大地改善，但是仍然存在一些界面不稳定现象。 3 6 流场结果与分析 3 6 1 速度场的分析 图3 8 和3 9 分别为传统工挤出z 向各截面z 向速度等值线图和气辅共挤出 1 5 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 z 向备截面z 向速度等值线图( 分析中涉及的速度单位均为m s ) 传统共挤出z 向各截面z 向速度等值线图 1 2 ：g = ；ij2 黯氍 - z = o o l 懈盘* o0 1 5 00 3 图39 气辅共挤出z 向各截面z 向速度等值线图 图3l o 、31 1 分别为传统共挤和气辅共挤的对称面上z 向速度的分布图 。i 乏i 三5 5 三三三i i 了三4 自畸- 图3l o 传统共挤在对称面上z 向速度的等值线图 叩i“iii 们 l，； ；l 12h ； 3 0 8 p i ldl ； 苎三塞三丝堂堂j ! 量望墨塑苎垫坐箜立里垂坌堑 图3 气辅共挤在对称面上z 向速度的等值线圈 o 、 00 0 ： 1 0 j ，f 玎 从以上各图可以看出：传统共挤出和气辅共挤出在熔体交汇处的速度分布 是相同的，在交汇以后，传统共挤出中熔体在口模中央部分的速度最大，壁面 处速度为零，而气辅共挤出中在熔体交汇以后熔体速度迅速趋于一致，没有速 度梯度。 在两熔体交汇处取三个点，点a ( 0 ，0 ，00 1 ) b ( o ，0 叭，00 1 ) c ( 0 ， 00 2 00 1 ) 对这三个点取其在气辅共挤中沿z 轴匕v ，也的分布网，即图31 2 、31 3 、 3 1 4 图31 2a ，b ，c 三点在z 向匕的分布图 wtu01 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 图3 1 3a ，b ，c 三点在z 向0 的分布图 图3 1 4a ，b ，c 三点在z 向匕的分布图 上图可以看出，以上三点在非气辅段壁面处速度为零，但是在进入气辅段 的时候，速度有一个突然变化，然后速度又逐渐下降，和其他熔体部分速度趋 于一致。由此可知，由于存在垂直于熔体流动方向的速度，虽然气辅共挤能改 善界面不稳定，却不能消除界面不稳定现象。 3 6 2 剪切速率的分布 图3 1 5 、3 1 6 为传统共挤出和气辅共挤出的剪切速率等值线图( 本文图中剪 切速率单位均为1 s ) ： 1 8 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 图31 5 传统共挤出的剪切速率等值线图 图31 6 气辅共挤剪切速率等值线图 图31 7 为熔体汇合处流动方向界面上气辅共挤和传统共挤剪切速率的等值 线比较图： 涮搿搿 蠢 u 0 0 0 0 p c h 一” 淄黧嘲 r ， 0 0 0 0 - ， g h j 。 9 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 传统共挤气辅共挤 2 = 0o l 剪切速率等值线图 图31 7 在熔体交汇处两种共挤出方式剪切速率等值线图的比较 图31 8 、31 9 分别为传统共挤和气辅共挤剪切速率在对称面上的等值线图 蔫函 j 毽莘 图31 8 传统共挤在对称面上剪切速率的等值线图 睽0 0a b 掰黧螂 0 0 0 0 0 蚓嚣绨u 0 0 0 0 0 p g h i j r 瞄n 一 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 h04 5 7 - 05 2 。i ! ：。g 1 | _ ，1 兰二堇； tr ? ，一 图31 9 气辅共挤在对称面上剪切速率的等值线图 从图31 5 31 7 中可以看出，气辅共挤口模内无气辅段剪切速率分布和传统 挤出相一致，沿挤出方向没有什么变化，且截面剪切速率分布也与传统共挤出 相一致，只不过，在气体入口位置之后，剪切速率发生变化，由内及外，剪切 速率迅速降为零。图31 9 为气辅共挤出对称面处剪切速率分布图，从图中也可 以看出，非气辅段剪切速率分布与传统挤出分布相似，在气体进入后，剪切速 率迅速降为零。减d y 熔体的二次流动，困而更有利于界面的稳定 3 6 3 压力场的分布 图32 0 至3 , 2 3 分别为传统共挤和气辅共挤在备子域上的压力等值线分布圈 ( 如无特殊声明本文图中压力单位均为见) 图3 2 0 传统共挤高粘度子域压力分布等值线图 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 图32 1 气辅共挤高粘度子域压力分布等值线图 圉32 2 传统共挤低粘度子域压力分布等值线圈 图32 3 气辅麸挤低粘度子域压力分布等值线圈 2 2 a7j h 一5 j 冀 f， i强拨_op 第三章三维粘弹非等温气辅共挤出的有限元分析 图3 2 0 和3 2 1 为传统共挤出中压力分布图，从图中我们可以看出，熔体压 力只沿着挤出方向线性降低，直至为零，在口模出口处有负压，是因为熔体流 入口模时，流速突然增加所致。图3 2 1 、图3 2 3 为气辅挤出压力分布图，在非 气辅段其变化趋势与传统挤相类似。在气体入口处，压力迅速下降为零。 通过对比传统挤出与气辅挤出，我们可以看出，传统挤压降为 0 7 6 4 9 5 9 8 m p a ，气辅挤出压降为0 3 1 5 7 3 9 m p a 。气辅挤出压降减小了约5 8 7 。 3 。7 本章小结 1 以气辅共挤出口模为研究对象，建立了三维粘弹非等温气辅共挤的有限 元数值模型，用专用于粘弹性流体的c f d 有限元软件p o l y f l o w 对传统非等 温和等温共挤出过程进行了数值模拟，并和传统共挤模拟结果进行了比较。 2 对共挤界面的形貌与传统共挤做了比较，结果表明，和传统共挤出相比， 在气辅共挤出过程中界面稳定性，粘性包围现象都得到了很大的改善。 3 对气辅共挤速度场的分析结果表明：气辅共挤能改善界面不稳定和粘性包 围现象，但是不能消除。 4 对于共挤中各个场量与传统共挤做了比较，结果表明，气辅共挤能够迅 速将剪切速率和熔体压力降至零，能大幅度减小口模压降。 第四章气辅共挤出成型实验研究 4 1 实验原料 第四章气辅共挤出成型实验研究 实验原料为市面购置的p p ( 聚丙烯) 和p s ( 聚苯乙烯) ，牌号分别为6 0 3 2 5 a 2 l 和s r8 2 5 t v 。密度分别为09 1 0 9 c m ，l0 3g e m l ，共挤成型温度2 0 0 。c 。熔 融指数分别为1 00 和4 0 4 2 实验装置 42 1 实验系统构成 实验系统组成见11 和圈4 1 ，由以下几部分组成：挤出机、气辅共挤1 3 模 供气系统、加热和测量装置。 目41 实验设备 第四章气辅共挤出成型实验研究 1 挤出机 构建实验系统的挤出机为螺杆直径分别为5 0 r a m 和5 5 m m 的两台单螺杆挤 出机。挤出机主要有机头法兰、螺杆、机筒、电机箱、减速箱和电气控制柜等 几部分组成。 机头法兰用来组装并支承机头的各零件部，并且与挤出机筒连接。螺杆由 电机带动用于送料。机筒用于加热塑料，外面分为三段，每段有2 到4 个加热 圈和一个测温点。挤出机用三相异步电机来带动螺杆。减速箱通过励磁调速对 三相异步电机进行减速来达到螺杆所需速度。皮带轮、减速箱可使螺杆在一定 范围内实现无级调速。电气控制柜内温控仪通过电热偶与机筒上的测温点相连， 用于测定以及设定电热圈加热温度；电气控制柜又通过减速箱与电机相连，通 过电气控制柜上的刻度表我们可以直接调节电机转速。 2 气辅共挤口模 气辅共挤口模( 图4 2 ) 的作用是连接两台挤出机及供气系统，实现气辅 共挤出。其原理是通过在口模中通入气体使聚合物熔体和口模壁面之间形成稳 定的薄的气垫层，使原来传统的非滑移口模粘着挤出方式转化为气垫完全滑移 非粘着口模挤出方式。 9 共挤口模主要有3 大块组成( 如图4 4 ) 。第一块是汇料器( 图4 3 ) ，有个 台阶，上下分别是2 个直径为8 0 r a m 、1 4 8 r a m 的圆柱，小直径的圆柱两边对称开 了一个3 6 m i n x1 6 r a m 方形孔，用以连接两台挤出机的挤出口( 3 6 m i n x1 6 r a m ) ，大 圆柱则两边对称开了两个圆孔，用于安装压力温度传感器( 测口模加热温度以 及汽缸输入口模的气体的压力) ；第二块为气辅共挤气室及流道，气辅共挤气室 与汇料口的大圆柱为相同直径的圆柱，高为3 5 r a m ，其侧边开有1 个m 1 2 螺纹孔， 用以连接汽缸对口模输入气体，气辅共挤流道有一个方形孔( 3 0 r a m x2 0 r a m ) ，方 形孔的截面即为两挤出机挤出口并列的形状及面积，且该方形块可以拆为两半 ( 两半之间用石棉垫片密封，其用途是做完实验后拆开以观察完好的共挤物， 是该实验口模最主要的部分( 如图4 5 ) 。第三块为气室出口盖板，也是与气辅 共挤流道直径一样的圆柱，高l o m m 。其主要作用是和汇料口一起密封气辅共挤 气室形成气室。汇料器与气辅共挤气室之间、气辅共挤气室与气辅共挤流道盖 板之间都有一起密封作用的石棉垫片，都用螺栓和定位销连接。试验理论上用 的石棉垫片是l m m 厚的中温石棉橡胶制成。作用是密封，防止通气时口模漏气 而影响气垫膜层的形成，还有一个作用是使气室形成间隙，让气体能够进入到 聚合物流道形成实验所需气垫膜层。模具上的槽深是0 9 m m ，而我们购买的中 温石棉橡胶板是1 1 m m ，因此理论上的间隙是0 2 m m 。 第四章气辅共挤出成型实验研究 图44 气辅共挤出口模 图45 气辅若挤u 模流道和气窒 2 供气系统 供气系统包括空压机、储气罐、气体加热管。 实验室用的空压机为o g 0 6 f 型单螺杆空气压缩机，用来压缩空气并向储气 罐提供一定压力的气体。储气罐则向口模提供一定压力和流量的气体，实验室 所用l v 3 8 型空压机储气罐能够提供最大气压0 跏p a 、最大流量为04 拧h 的气体。 除了这几个主要部分，在气罐与口模连接的皮管上还连接有一个铜管，用 一剽 第四章气辅共挤出成型实验研究 陶瓷短管套在电阻丝上缠绕在铜管外壁，用玻璃纤维布包裹。 4 加热和测量装置 气辅共挤口模的加热圈 其功率由该公式确定： p ；m c ( t 2 - t 1 ) ( 4 1 ) 啦 式中i l - 一模具质量( k g ) ： c 钢的比热容( j k g ) ，可取0 4 7 k j k g ： n 加热器的效率