（材料加工工程专业论文）pe木塑复合材料制备及性能研究.pdf

摘要 摘要 木粉经处理后，可以用适当的方法与高分子材料复合加工成木塑复合材料。 木塑复合材料不仅有着像木材一样大自然的外观，还有木材的性能，例如可据、 可订、可涂漆。同时，它的吸水性比木材小，不开裂，还可防止白蚁等害虫的 侵蚀。面对越来越少的森林面积，研究木塑复合材料的制备和各项性能指标对 推动天然纤维复合材料在现实生活中的运用意义重大。 本文通过实验和数值模拟对p e 木塑复合材料进行了较全面的研究，现对全 文研究结果总结如下： 1 、面对单螺杆挤出机混合效果不佳的问题，采用先造粒后挤出的方法。为 了顺利能够造粒，本章对造粒系统、切粒机的工作原理进行了深入研究并进一 步提出造粒装置造粒不规则的原因及解决问题的对策。 2 、以螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体为研究对象，用流体有限元分析 软件p o l y f l o w 模拟得到了螺杆与流道之间非等温流变行为的温度场，并分析 了螺杆转速，料筒温度等参数对螺杆与流道之间的非等温流变行为的温度场分 布的影响。 3 、在模拟的基础上，利用单片机测温仪和数显调节仪测出了螺杆与流道间 熔体实际温度与设定温度之间的温差，结果为：温控程序测出当螺杆处于低转 速时，螺杆转动导致的剪切生热和摩擦生热产生的温度大概在1 3 1 9 左右； 当螺杆处于高转速时，剪切生热和摩擦生热会对温度产生重大影响，此时上升 的温度大概在4 0 一4 8 。 4 、得到温度的变化情况后，顺利解决了木粉烧焦的问题，成功挤出正常颜 色的木塑复合材料。在此基础上自行设计造粒装置，经过多重方案的尝试，得 到了木塑复合材料造粒方案。 5 、当木粉与塑料的比例为3 0 1 2 时，木粉含量达到最大值。 6 、对木塑复合材料的耐热性、吸水率及吸水后的尺寸稳定性进行了较全面 的研究。结果如下：当偶联剂含量占全部原料质量的1 2 7 的时候偶联剂的作用 达到比较好的效果，偶联剂的加入对其耐热性、吸水率及吸水后的尺寸稳定性 摘要 等性能都有一定改善；当塑料含量木粉含量为o 9 2 时，：术塑复合材料性能达到 最佳状态；偶联剂的加入可以改善木塑复合材料的吸水率；p p 塑料和木粉的界 面结合性能要好于p e 塑料，但由于p p 塑料的熔点要比p e 高很多，木粉更容易 烧焦。 关键词：木塑复合材料，p e ，木粉颗粒，偶联剂 垒曼垒里坠竺! ： 一 一 a b s t r a c t a f t e rt r i a lt r e a t m e n ta n du s i n gt h ea p p r o p r i a t em e t h o d ，t h ew o o df l o u r c a nb e d r o c e s s e di n t ow o o dp l a s t i c sc o m p o s i t e sw i t hh i g hp o l y m e rm a t e r i a l n o to n l y d o w o o dp i a s t i c sc o i n p o s i t e sh a v et h es a m ea p p r e a n c eo f n a t u r ea sw o o d ，b u ta l s oi th a s t h ew o o d ，sp r o p e r t i e s f o ri n s t a n c e ，i th a st h ep r o p e r t i e so fb e i n gs a w e d ，n a i l e d a l l d d a i m e d m e a n v ，h i l e ，i t sw a t e ri m b i b i t i o n i sl o wt h a nw o o da n di t n e v e rc r a c k m a d d i t i o n i tc a np r e v e n tt h ee r o s i o nf r o m t e r m i t e so ro t h e rp e s t s c o n f r o n t i n g1 e s sa n d 1 e s sf o r e s ta r e a ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo fp r o m o t i n g t h ea p p l i c a t i o no fn a t u r a lf i b e r c o m p o s i t e st or e s e a r c ht h ep r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c e o fw o o dp l a s t i c sc o m p i o s i t e s i no u rr e a ll i f e t h i s 觚i c l ec o n d u c t sar e l a t i v ec o m p r e h e n s i v es t u d yt h r o u g he x p e r i m e n t sa n d n u i n e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ep e w o o dc o m p o s i t e s ，a n dt h er e s u l t s a r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 c o n f r o m e dw i t ht h ep r o b l e mo fp o o rm i x i n g e f f e c to ft h es i n g l e 。s c r e w e x t r u d e r ，t h em e t h l d do fe x t r u s i o na f t e rg r a n u l a t i o n i sa d o p t e d i no r d e rt om a k e g r a l l u l a t i o ns u c c e s s f u l l y t h i sc h a p t e rc a r r yo u tas t u d yo n t h eg r a n u l a t o r sw o r k i n g 研n c i p l ei n - d e p t h ，t h e nt h e c a u s e so fi r r e g u l a rg r a n u l a t i o na n di t s s o l u t l o n sa r e p r o p o s e d 2 t h em e l to fm ew o o dp l a s t i c sc o m p o s i t e sb e t w e e nt h e s c r e wa n dt l o w c h a i m e lw a su s e da st h eo b je c to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y i nt h i sc o n d i t i o n ，w e g e tm ed i s t r i b u t i o n o ft e m p e r a t u r ef i e l d o fn o n i s o t h e r m a lr h e o l o g i c a l b e h a v l o r b e t w e e nt h es c r e wa n df l o wc h a n n e lt h r o u g hu s i n g t h es o f - v c a r ep o l y f l o w ，a n d t h e i n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o n o ft e m p e r a t u r ef i e l do fn o n i s o t h e r m a lr h e o l 0 9 1 c a l b e h a v i o rb e 僦e e nt h es c r e wa n df l o w c h a n n e lb yt h es c r e ws p e e d a n db a r r e l t e m p e r a t u r eh a sb e e na n a l y z e d 3 a r e rs t i 瑚【u l a t i n g ，w eu s es i n g l ec h i pm i c y o c ot h e r m o m e t e ra n d d i g i t a l d i s p l a yr e g u l a t o rt om e a s u r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr e a l a n dn u m e r i c a ls l m u l a t l o n t e m p e r 栅eo fs c r e wa n df l o wc h a n n e l t h er e s u l t s a r e a sf o l l o w s ：w h i l et h es c r e w r o t a t e sa t1 0 ws p e e d ，t h es h e a r i n ga n df r i c t i o nt h e r m a lc a u s e db y r o t a t i o nl sr o u g h l y i i i a b s t r a c t 一 13 t 。19 。c w h i l et h es c r e wr o t a t e s a th i g h s p e e d ，t h es h e a r i n ga n df i c t i 。n t h e r m 以p l a ys i g n i f i c a n tr o l e so nt e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r ei s 锄a z i n 9 1 y 4 0 。ct o 4 8 4 o n c et h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r ei sk n o w n ，t h et r o u b l ew h i c hw o o di sb 啪tt o c h a r c o 越1 sw e l ls o l v e d ，w o o dp l a s t i c s c o m p o s i t e sw h i c ht h ec o l o ra r el o o k e d n o r n l a l l ya r es u c c e s s f u l l ye x t r u d e d w h a ti sm o r e ，w ed e s i g n e dt h eg r a n u l a t o ro no u r o w n ，t h ep r o g r a mo fe x t r u d i n gt h ew o o dp l a s t i c sc o m p o s i t e sw a s o b t a i n e d 5 w h i l et h ep r o p o r t i o no fw o o df l o u ra n dp l a s t i ci s 3 012 ，t h ec o n t e n t o fw o o d f l o u rc o m e st oam a x i m u mv a l u e 6 lh eh e a tt o l e r a n c eo fw o o dp l a s t i c sc o m p o s i t e s ，a b s o r b e n ta n d s t a b i l i t yo f s i z ew e r et h o r o u g h l yr e s e a r c h e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：w h e n t h ec o u p l i n ga g e n t w e i g h t s 12 7 ，t h e c o u p l i n ga g e n tp e r f o r m sb e s t ，i t i r n p r o v e sh e a tt o l e 啪c e a b s o r b e n ta n ds t a b i l i t yo fs i z et oac e r t a i nd e g r e e w h e nt h ep r o p o r t i o n o fp l a s t i ca n d w o o df l o u ri s0 9 2 ，t h ep e r f o r m a n c eo fw o o d p l a s t i c sc o m p o s i t e si sb e s t t h em i x i n g e f l e e to fp pp l a s t i cw i t hw o o df l o u ri s b e t t e rt h a np e h o w e v e rt h em e i tt e m p e r a t u r e o fp pi sm u c h h i g h e rt h a np e ，t h u st h ew o o df l o u ri se a s i e rt ob eb u r n t k 州o r ds w o o dp l a s t i c sc o m p o s i t e s ，p e ，w o o df l o u r , c o u p l i n g a g e n t i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 天然纤维复合材料概述 近些年，天然植物纤维因其有容易从自然界中得到、价格相对比较便宜、 重量轻、环境协调性好等诸多优点而被人们所关注，例如将天然纤维和树脂结 合制成木塑复合材料。天然纤维复合材料是指在塑料中添加一定量的天然纤维 填料和加工助剂，利用搅拌机混合，经螺杆挤出造粒机制成不同规格的颗粒， 最后使用模具加工出各种各样的复合材料制品。 但是，由于天然纤维的加入会造成材料流动性能降低，在挤出机中对温度 的变化敏感，这个过程中难免会对我们现有的设备、模具、各种工艺提出挑战。 而模具又是生产中决定质量好坏的最关键部位。挤出模具是挤出生产设备中关 键的成型部位，同时，模具的设计重点是模具内流道的设计，流道的好坏不但 影响料的流动和生产效率，而且还关系到制品的力学性能好坏、模具的使用年 限和加工成本等。 在各种天然纤维中，木粉应用最广泛。木粉是一种良好的可再生资源，分 布十分广泛，不仅价格低廉、还有抗拉强度高、取向性好、良好的可加工性等 优点，被称为高性能天然植物纤维【2 儿3 1 。基于木粉的这些天生优点，木塑材料得 到了人们的重视，因为其具有木材和塑料的双重特性，同时又超越塑料和木材 材料。一般来说，木塑复合材料的硬度是木材的两到八倍，耐磨性高四到五倍， 它不仅有着像木材一样大自然的外观，还有木材的性能，例如可据、可订、可 涂漆。同时，它的吸水性比木材小，不开裂，还可防止白蚁等害虫的侵蚀。这 些足以说明该材料在将来会有很好的市场前景，将为保护森林、促进国民经济 发展做出一定的贡献。从2 0 世纪末以来，北美、欧洲等诸多国家对木塑复合材 料进行了许多实质性的深入研究并取得了许多骄人的成绩，近些年来国内对此 材料的研究也在不断增加【4 j 。 第1 章绪论 1 2 天然纤维复合材料加工成型方法、设备与工艺 1 2 1 天然纤维复合材料加工成型方法与设备 在现代成型方法中，挤出、注塑、热压成型是目前天然纤维复合材料加工 的主要方法。在这些方法中，由于挤出成型有着工艺要求简单、加工成型周期 短和效率高等优点，它在木塑复合材料生产中受到了更广泛的运用。复合材料 挤出成型方法大致分为一步法【5 】和多步法。一步法就是所：有的加工步骤在一个设 备中一次完成，没有多余的分支。多步法就是所有的加工步骤分多次完成，利 用多步法生产比一步法混合的更均匀、制出的产品结构要! 复杂、力学性能更好。 本课题使用多步法，先将料配方成所需的各种比例，然后利用造粒机构生产不 同的粒料，再用挤出机挤出成型。 目前最常用的木塑复合材料挤出设备有：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机。 1 、单螺杆挤出机 单螺杆挤出机主要用于挤出热塑性塑料，如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等。 当其经过单螺杆挤出机的输送段、压缩段、计量段之后就能够完成塑料的输 送和塑化任务【6 】。天然纤维加入之后，使得主要靠摩擦力输送的单螺杆挤出 机喂料困难，整个料在料筒中停留时间比较长，树脂因为加入了纤维而使其 粘度有所增大，纤维的水蒸气排除效果较差，混合效果不佳，所有这些不良 因素增加了挤出难度。综上所述，螺杆应该具备较好的输送和混合塑化能力， 否则会在天然纤维复合材料挤出成型中受到很大的制约，必要时可以为其设 计相应的螺杆【7 1 。本课题因为具备现有的挤出设备，考虑到混合效果不佳， 在挤出之前先进行混合造粒。 2 、双螺杆挤出机 双螺杆挤出机和单螺杆相比，一个是一根螺杆，一个是两根螺杆，但动力 都来源于一个电机。由于是两根螺杆一起搅拌混料，所以其喂料和混料效果在 一定程度上会比单螺杆好，更适于木粉等共混粉状原料的加工。这些年来随着 木塑材料等共混材料的发展，生产的厂家也非常多【8 j ，并且已经陆续形成系列化 和商品化，分类一般如下： 按机筒与螺杆的结构，可分为组合和整体挤出机； 按螺杆旋转速度，可分为高速和低速挤出机； 按两根螺杆的旋转方向，可分为异向和同向挤出机； 2 第1 章绪论 按两根螺杆啮合程序，可分为啮合型和非啮合型挤出机； 按螺杆两根轴线相对位置，可分为锥形和平行挤出机。 在双螺杆挤出机的基础上，为了更进一步适应加工热稳定性差的共混复合 材料，许多厂家又加大研究力度开发出多螺杆挤出机，如行星挤出机等。 双螺杆挤出机的优点归纳如下【9 j ： 可以分顺序加料，例如平行双螺杆挤出机，有两个加料口，其前面一段 为脱水装置，当我们将天然纤维加入到挤出机前段主料口进行脱水处理 后，然后再把塑料、加工助剂通过侧加料口加入并一起塑化挤出。这样 就可以总体上降低熔融温度，避免了天然纤维烧焦的危险。同时也可以 轻松掌控各自的加料比例； 双螺杆挤出机在输送物料的过程中原理是正位移输送，所以与普通的单 螺杆相比无压力回流，加料相对比较容易； 混合效果出众，两个螺杆互相啮合时热源更多，剪切作用明显，物料停 留在一个位置的时间短，天然纤维不容易烧焦。 1 2 2 天然纤维复合材料挤出加工工艺 1 、螺杆转速 挤出机温度、压力、螺杆转速等是材料加工工艺的主要设置参数。固体输 送理论和粘性流体输送理论中有公式表明转速与生产效率成正比。随着转速的 增加，一方面可以有效的改善生产能力，另一方面也给天然纤维复合材料的加 工增加了一些不稳定因素，例如在p p 木塑复合材料的加工过程中，p p 塑料和木 粉都是热敏性材料，如果转速过高，产生的摩擦热和粘性热难以控制，最终导 致p p 塑料和木粉的烧焦和剪切糊化。所以只有满足在物料所能承受的降解温度 之下才能更合理的控制螺杆转速以提高生产效率。 2 、挤出机温度和压力 挤出机温度和压力的控制在天然纤维复合材料加工过程中非常重要。温度 和压力的变化是相互影响的。如果在加工的过程中温度设置过高，原材料极易 发生降解，同时原材料流动很顺畅即粘度很低，最终造成料筒内挤出压力不足， 结果产品的质量受到严重影响，例如：表面粗糙、界面结合性差、强度差等。 相反，如果在加工的过程中温度设置过低，原材料不能充分塑化，跟木粉混合 的过程中不能很好的包裹纤维，最终也会对制品的力学性能造成影响。考虑到 3 第1 章绪论 摩擦热和粘性热，为了能有效的改善天然纤维复合材料的挤出加工性能，较为 合理的措施是适当的降低螺杆转速、提高模具机头压力、降低挤出机的料筒加 热温度。 1 3 天然纤维填充改性塑料国内外研究现状 无论何种天然纤维，从化学式的角度来看结构都是相似，只是含量不同。 木粉的基本化学成分包括半纤维素、纤维素、果胶、木质素及可腐蚀提取成份， 其中可腐蚀提取成份主要包括无机物、蛋白质、果胶质等1 0 】。木粉细胞壁的纤 维素、半纤维素的化学结构如图1 1 。从化学式可以看出，其含有很多o h ( 烃 基) 和。c h 2 0 h ( 醇基) ，这些都是亲水性很强的极性化学基，由此可以知道木 粉在常态下就具有很强的吸水性，木粉中水含量超标，容易使木粉吸收粉尘， 导致木粉表面不洁净，最终会影响木粉与塑料的界面结合，进一步影响木塑复 合材料的性能【1 1 】。 揖杈妙崤p嶝闲潜辞咨。一 味汽辩奄争耷豁铲 图1 1 纤维素、半纤维素的化学结构 正因为含有很多亲水性很强的极性化学基，而许多填充天然纤维基体的塑 料是非极性的，经常导致他们之间的相容性不好。这往往是天然纤维填充改性 时要考虑的重要因素。如何改善它们之间不相容性的现状并且提高它们之间的 力学性能是当今研究的热点 1 2 】。 1 3 1 天然纤维改性填充聚乙烯 青岛科技大学的张丽，冯绍华等选择了乙烯丙烯酸共聚物处理l l d p e 线型 低密度聚乙烯制成木塑复合材料，从中发现乙烯丙烯酸能够很好的改善体系的 相容性，其拉伸强度和冲击强度得到明显提高【1 3 】。 日本科学家选择e v a 质量含量为2 5 ，熔体指数为2 6 的苯溶液为处理试 剂，将直径约0 2 m m ，长度1 0 m m 的稻草屑放在其中浸泡，处理试剂的含量占 第1 章绪论 稻草含量的5 ，干燥后填充聚乙烯【1 4 】。将其做成试样测试其力学性能，发现同 没有处理的试样相比其各种力学性能都有较大的改善。 英国学者r g r a i 和b v k o k t a l l 对植物纤维填料采用马来酸酐、矿物油、硬 脂酸进行处理【1 5 】，然后将改性后的纤维填充h d p e 制得改性聚乙烯。添加1 马 来酸酐改性后，植物纤维填料与h d p e 之间的相容性得到明显改善，但是当天 然纤维填充比例增加时，复合材料的冲击强度下降。当用脂肪酸处理时能改善 天然纤维的发布，提高拉伸力学性能。当用矿物油处理之后能提高塑料的冲击 强度。 1 3 2 天然纤维改性填充聚氯乙烯 中科院广州化学研究所郑玉涛等在聚氯乙烯中填充了改性甘蔗渣【16 ，实验 中运用了两种偶联剂，分别是硅烷k h 5 6 0 偶联剂和钛酸酯n d 2 3 1 1 偶联剂，分 析两种偶联剂对甘蔗渣聚氯乙烯复合体系各种性能的影响，例如加工性能、耐 水性能、界面粘合状态、力学性能等。研究结果表明两种偶联剂处理过的复合 体系要比未处理的各种性能都有较大提高，究其原因得出偶联剂改善了复合体 系的界面相容性，界面融合得到明显增强。他们进一步发现钛酸酯偶联剂的处 理效果比硅烷偶联剂效果更为显著，经其测试钛酸酯偶联剂含量为1 时，其拉 伸强度提高5 5 。 南京林业大学木材工业学院曹微虹等对稻壳粉改性填充聚氯乙烯进行了研 究【17 1 ，该团队利用量化理论，通过模压成型方法制得各种不同增塑剂、不同填 充量、不同偶联剂的试样，研究结果表明随着增塑剂含量的增大，复合材料的 冲击性能提高、拉伸强度降低；当采用硅烷k h 5 5 0 偶联剂处理时效果较其他偶 联剂好；当复合材料中稻壳粉用量为4 0 时，其综合力学性能较好。 在二十世纪初，f e l d m a n 对植物纤维改性填充聚氯乙烯进行了一定研究 1 8 - 2 0 。他的课题组选用了钛白粉和植物纤维为填充物，通过增加植物纤维同时 不断减少钛白粉的方法测试植物纤维与聚氯乙烯之间的化学反应。研究结果表 明天然纤维分子结构上的碳基或者烃基会和聚氯乙烯分子结构上的氢原子或氯 原予发生相互作用，而最终导致力学性能的提高。 1 3 3 天然纤维改性填充聚丙烯 天津轻工业学院化工系揣成智等同样对p p 木粉复合体系做了深入研究l 2 。 5 第1 章绪论 该团队主要采用改变其组织相容性、不同工艺参数来研究复合体系的机械性能。 研究结果表明，木质纤维的加入能够提高其耐热性能、拉伸强度。随着木质纤 维用量的增加，断裂伸长率和冲击强度逐渐减小；当木粉达到5 0 份时，拉伸强 度达到最大值。 青岛科技大学黄兆阁等在p p 聚丙烯中填充了木粉【2 2 1 ，采用改变木粉粒径、 木粉填充量来测试其各自的性能。研究发现当p p 中加入：术粉之后其力学性能都 有所提高，但是冲击性能和加工性能有所下降。 t o r i z 等将p p 和天然纤维中的木质素混炼制成复合体系【2 引。研究结果表明 如果单纯使用木质素填充，其与p p 塑料是不相容的，力学性能会比单纯的p p 塑料降低。当在p p 塑料和木质素中再增加一些无机填料一起混炼时，其力学性 能比p p 木质素有所增加。他们还用马来酸酐来处理p p ，其结果明显改善了复 合体系的界面相容性并提高了力学性能。 1 4 天然纤维复合材料加工与模拟研究现状 1 4 1 加工研究现状 黄媛媛，徐有明，熊汉国【2 4 】制备了竹纤维p c l ( 聚己内酯) 复合材料，探 讨了如何用偶联剂处理更好，使用什么样的工艺优化条件，并进一步研究其防 水性能和降解性能，结果如下： 采用质量分数为l 。5 的铝酸酯偶联剂、设置混炼机的搅拌速度为8 0 0 r m i n 、改性温度为9 5o c 、时间设为1 2 m i n ，此时得到的复合体系效果最 好。 在模压成型工艺中，将压力设为2 7 2 3 2 8m p a 、时间设为7 6 9 1m i n 、 温度设为11 5 9 1 4 4 1 ，复合体系的弯曲强度较其他情况大。 通过实验表明材料的耐水防水性能良好。 通过实验证明复合体系的微生物指标时间长达4 级，说明具有很好的生 物降解性。 胡圣飞，陈文，陈华【2 5 等利用m m a ( 甲基丙烯酸甲酯) 在微波的作用 下改性稻壳粉填充p v c 并研究其流变特性，结果如下： 剪切速率的影响：剪切速率为2 3 0s ，制品表面光滑；剪切速率为3 2 4 s ，制品表面出现轻微的鲨鱼皮，出现波纹型的畸变，呈蜂窝状；剪切 6 第1 章绪论 速率达到5 2 3s ，出现规律性鲨鱼皮，经检测表面的波纹平均深度和平 均波长分别为2 0um 、9 0um 。总结得出随着剪切速率的增大，挤出物 畸变的平均深度和波长均有所增加。 在加工范围之内提高加热温度和增加稻壳粉的填充量可以明显减小挤 出胀大率。 适当降低挤出速率、增加润滑剂、提高温度可降低制品畸变的平均波长 和深度。 王玉梅、季建仁【2 6 】等探讨了挤出成型工艺对木塑复合材料成型的影响。影 响因素主要包括设备、挤出机温度和压力、螺杆转速、模具温度、木塑复合材 料在螺杆中的停留时间等。总结的结果表明木塑复合材料的设备主要为双螺杆 挤出机；挤出机各段加工温度一般设为：加料段1 5 0 , - - , 1 7 0 ，压缩段1 6 0 - - - 1 9 0 ，均化段1 7 0 1 9 5 ；转速与生产效率成正比，随着转速的增加，一方面可 以有效的改善生产能力，另一方面也给天然纤维复合材料的加工增加了一些不 稳定因素，例如在p p 木塑复合材料的3 h - r 过程中，p p 塑料和木粉都是热敏性材 料，如果转速过高，产生的摩擦热和粘性热难以控制，最终导致p p 塑料和木粉 的烧焦和剪切糊化。所以只有满足在物料所能承受的降解温度之下才能更合理 的控制螺杆转速以提高生产效率；模具温度18 0 2 0 5 ；木塑复合材料在螺杆 中的停留时间越短越可以有效地避免原料的烧焦碳化，并得出在螺杆中总的停 留时间最好少于1 5 m i n 。 孔展，张卫勤，洪筱茜 2 7 】等研究了助剂硬脂酸对加工性能的影响及偶联剂 d o p ( 邻苯二甲酸二辛醋) 、c p e ( 抗冲击改性剂抓化聚乙烯) 等对w p c 性能 的影响，结果如下： 在所有的加工助剂中硬脂酸能够更好的提高w p c 的加工性能，在其含 量为1 2 时w p c 的综合力学性能最好。 偶联剂d o p 用量为木粉的1 5 时，w p c 综合性能最好，原因是d o p 在一定程度上改善了复合体系的界面相容性，从而提高力学性能。 c p e 是一种抗冲击改性剂，当其含量在1 0 0 左右时能有效的改进w p c 复合体系冲击强度差的弱点。 w p c 综合力学性能较好的原料配方是木粉与p v c 质量比为3 0 ：7 0 。 谭洪生，邢立学，刘俊成 2 8 j 对处理的椰壳纤维和复合体系形貌进行了微观 研究。经s e m 观察显示，经过碱溶液处理的椰壳纤维横断面呈蜂窝状，并且复 7 第1 章绪论 合体系的界面相容性明显优于未加偶联剂处理的复合材料。同时该团队还测试 了复合体系的力学性能，研究结果表明，i p c ( 抗冲共聚聚丙烯) 与处理的椰壳 纤维构成的复合体系拉伸强度、弯曲强度都有较大提高。部分结果图如图1 2 ， 图1 3 ，图1 4 ： 驯。曩垆 ：f 蠢拍tl ， ：， 8 、 l ， 、 图1 2 处理与未处理的椰壳纤维含量 对复合材料拉伸强度影响的柱状图 “ 魂 ；、蠊 t 州tr 豫 、 、； r4 图1 3 相容剂及椰壳纤维含量对 复合材料弯曲强度影响的柱状图 0z 4 味器 t 1 懈雄排t i 瓢 l 窑t 鲈p “； 图1 4 不同的椰壳纤维含量、相容剂对 复合材料拉伸性能的影响曲线 1 4 2 模拟研究现状 阚璐璐2 9 】通过有限元软件a d i n a 分析了影响流道构型的主要因素，借助 a d i n a 的c f d ( 流体分析) 和s t r u c t u r e ( 固体分析) 模块，模拟了速度场、 压力场和粘度场并分析各个因素对短纤维径向取向的影响。该团队重点研究了 原料在流动过程中压力场与速度场对短纤维取向分布的影响，得出的结果将为 指导模具流道改进和优化提供一定的理论根据。 施桢蓉，张中元，陈方等3 0 1 通过f l o w 2 0 0 0 软件分析口模的流动情况并提 8 第1 章绪论 出了一些设计口模的方案。最后得出的结果是边界效应使得中心部分原料流速 较快，周边流速较慢；当部件有拐角时，在拐角处的流速也较快。 郑泓利跚用l u d o v i c 软件模拟了挤出机内物料输送的全过程。研究结果表 明，模拟预测的温度场分布、压力场分布与实验结果很好地吻合，证明了模拟 软件的有效性。该团队重点研究了螺杆转速、料筒温度及喂料速率对挤出过程 的影响，发现螺杆转速、料筒温度对挤出机内部的温度场影响很大，而喂料速 率没有明显影响。但到底如何影响该团队并没有进一步作出更详细的分析。 1 5 天然纤维复合材料加工存在的问题 1 、天然纤维大部分是多孔性介质，当填充料的含量逐渐增大时，在挤出生 产的过程中相当容易出现质量问题，典型的如鲨鱼皮畸变、表面闷光甚至出现 熔体破裂。这也是目前困扰天然纤维复合材料快速挤出的一个重要原因。经实 验发现，鲨鱼皮现象主要在模具出口处形成，其形成机理大致概括为两点： 一种认为由于边界效应，模具出口处的界面不连续导致较高的应力而引 起； 一种认为是模具出口处模壁与物料之间的粘、滑状态的震荡产生。 2 、挤出量少。据相关文献，普通6 0 锥的挤出机在全负荷状态下挤出速度 仅有1m m i n 左右，若为复杂截面的大尺寸型材还不到0 5m m i n ，而若使用国 外进口模具生产相同产品动辄4 5m m i n ，两者相差甚远，因此研制高速模具势 在必行。由于目前生产厂商现有的挤出机挤出量有限，使得挤出速度很低，导 致模具的设计复杂程度不能太高。随着社会的发展，高挤出量的天然纤维复合 材料专用挤出机的出现助推了木塑材料的发展，提高挤出效率的瓶颈逐渐转移 到模具上来，这对从事挤出模具研究人员来说既是个挑战也是一个机遇【3 2 j1 3 3 j 。 3 、型材制品挤出胀大。虽然在塑料中加入天然纤维填料可以减小挤出胀大， 但还是不能避免。当挤出胀大发生时会引起纤维的重新定型，从而进一步引起 与增强纤维粘结不良，树脂出现裂纹，对产品的力学性能带来破坏性的影响。 4 、天然纤维易烧焦。天然纤维是一种对温度相当敏感的填充物，在天然纤 维复合材料的生产中，除了外加热量外，螺杆和料之间以及料筒和料之间都会 产生剧烈的摩擦生热，还有一些粘性生热，所以为了精确控制温度的变化，必 须先预测摩擦生热与粘性生热等未知热量的范围。 9 第1 章绪论 5 、聚合物基复合材料存在增强材料在表面的团簇，捻度( 扭转) 不一，增 强材料在表面的体积含量和取向存在很大的差异，导致表面在受力时强度分散 性大，容易在受力时产生裂纹源，严重影响增强材料性能的一致性和产品质量 的稳定性，产生表面褶皱和折痕。 1 6 研究意义及内容 1 6 1 研究意义 在制取木塑复合材料时，加入的木粉极易烧焦，本课题利用p o l y f l o w 软 件对螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的三维非等温流变行为进行了模拟， 对整个过程的温度变化进行分析，这对解决木粉极易烧焦的问题有重大意义。 在木塑复合材料的现实运用中，该材料比较容易受潮，在受力后极容易变形， 这跟木粉是亲水性介质有直接关系，本课题对木塑复合材料的生产配比、耐热 性、吸水率及吸水后的尺寸稳定性等进行了深入探索，这对推动天然纤维复合 材料在现实生活中的运用意义重大。 1 6 2 研究内容 1 、用木粉作为天然纤维，在市面上购买木粉、偶联剂和p p 等之后，先用 偶联剂将木粉和塑料按比例进行一定时长的处理，然后二f 燥备料。自行设计造 粒模具和简易的切割装置，将备料利用挤出机造粒，从而得到自己所需的不同 比例的粒料。 2 、用p o l y f l o w 软件模拟螺杆、塑料之间的非等温流变行为，分析温度场的 变化。 3 、将得到的木塑复合粒料进行性能测试，主要包括耐热性、吸水率及吸水 后的尺寸稳定性等。 1 6 3 研究方案 具体研究方案如图1 5 ： l o 第1 章绪论 图1 5 研究方案 1 7 本章小结 1 、综述了天然纤维复合材料生产加工、天然纤维填充改性塑料及相关模拟 的研究现状，总结了天然纤维复合材料在加工中存在的问题。 2 、提出了本文的研究意义和研究内容。 第2 章螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的全过程三维非等温流变行为模拟与实验验证 第2 章螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的全过程三维 非等温流变行为模拟与实验验证 由于天然纤维对温度的变化非常敏感，所以温度的精确控制是个难点，本 章针对此项特意提出了螺杆与流道的非等温模拟，观察其温度的变化。由于料 的温度来源包括外施加热、粘性生热、摩擦生热等，这些不定因素使得温度难 以预料和控制，基于此模拟可以知道每一点的温度、得到温度的变化规律、温 度的变化范围，这对防止纤维烧焦、保证产品质量具有重大的意思。运用计算 流体力学原理，以有限元分析软件p o l y f l o w 对螺杆与流道之间的非等温流变 行为进行数值模拟，较深入研究螺杆与流道之间的非等温流变行为，分析螺杆 转速，料筒温度等参数对螺杆与流道之间的非等温流变行为温度场分布的影响， 并在模拟的基础上进行了实验验证研究。 2 1 流体力学数学模型 1 、连续性方程 竺牟塑盟：0 况 舐。 式中： “i 一在坐标方向速度矢量的分量， f 一时间， x i 一坐标分量， p 一流体密度， 2 、动量方程 p 警= - p u j b u p u + 等+ p g ， p 亍+ + ， ol()x 式中： 盯埔一总应力分量， g j 一在坐标轴t 方向上重力加速度的分量 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第2 章螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的全过程三维非等温流变行为模拟与实验验证 一速度梯度张量，即= 摹， 其中总应力与偏应力有如下关系： 勺= + p 吒 ( 2 3 ) 式中： p 一为静压 。一偏应力张量， 磊一岛= ：) ；三；k r o n e c k e r 符号， 3 、能量方程 p c v 百d t = 咖，川嘉m v 一) + 乃：v “， ( 2 - 4 ) 式中： p c v 面d t 一单位时间内聚合物熔体质点携带的温度变化引起的热量变化量。 丁( 而o p ) p ( v “，) 一温度变化而引起的膨胀或压缩能量的变化。对高聚物熔体等 不可压缩体系可以忽略。但对于气体等可压缩体系需要关键考虑。 r v u ，一由于剪切应力作用，黏性摩擦产生热效应造成温度变化。 _ v g ，= 彬丁叫窘+ 鲁+ 窘) - - 由于位置的温差造成热传导产生热量 变化【3 4 】。 4 、基本假设 本文有二个假定，第一是在整个物理变化过程中为稳态层流，即随着时间 的变化各物理量基本保持不变。由于塑料熔体粘度总体上较大，雷诺数中的r e 值均较小，从而得出稳态层流假定是可取的。第二是惯性力和重力相对于粘性 力太小，故作出可忽略的假定。根据以上两个假定，以上方程可简化为表示非 等温流体的控制方程，用张量的形式表示如下： v u = 0( 25 ) v p + v r = 0 1 3 ( 2 6 ) 第2 章螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的全过程三维非等温流变行为模拟与实验验证 p q u v 丁= k a v 2 t + ! ：v 丝 ( 2 7 ) 式中： c p - - 比热容 p 一流体密度， p 一为静压 t 温度 一热导率 其中剪切应力向量丁和速度向量u 分别定义如下： = r = r p ( v u + v 丝7 11 ( 2 8 ) u u _ 2 l a i _ + u j + u k ( 2 9 ) 5 、本构方程 非等温c a r r e a u 模型运用了经典的温度转换函数，适用于从低到高的整个剪 切区域，弥补了幂率模型不能全面反映聚合物流变特性的不足，非等温c a r r e a u 模型公式如下【3 5 】： 一【n - i exp阱ti1i+zpw x p 5 0 ) 1 汜1 0 ) 7 7 = 7 7 0 【 e 1 1 一彳if ( 2 其中剪切速率户和剪切速率张量少分别定义如下： 户= ( 竺：尘2 ) 2 ( 2 1 1 ) 矿= v u + v u 7 1 ( 2 1 2 ) 式中：7 7 0 一在指定温度下剪切速率尹- + 0 时的黏度值； 彳一松弛时间： 磊一活化能； r 一理想气体常量； t o 一参考温度。 流动指数n 定义如下： 刀( 丁) = ( 2 - 1 3 ) 第2 章螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的全过程三维非等温流变行为模拟与实验验证 式中：a ，b 为材料常数，由实验测定。 以上本构方程加上式2 5 、2 6 、2 7 即为本文要研究的数学模型，数学模型 中的各个参数跟木塑复合材料的不同配比有关，本文由于篇幅有限，只取一个 配比参数来典型模拟，该组木塑复合材料的配比为聚乙烯8 3 0 9 ，木粉9 0 0 9 ，偶 联剂2 2 9 。 2 2 数值求解方法 有限单元法在非牛顿流体的数值模拟中运用很广泛，在处理复杂边界时非 常有效。但对于温度变化来说，近几年有限体积法受到了越来越多业界人士的 关注。有限体积法又称作控制体积法、有限容积法，其基本思路是将待计算区 域分成一系列不重复的体积控制单元，并要求每个网格点周围都有一个体积控 制单元；将待求解的微分方程对每一个体积控制单元积分，便求解出一组离散 方程。其中的未知变量是网格点上的因变量的数值。为了得出体积控制单元的 积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分布剖面。有限体积 法相对于有限单元法来说，最大的长处在于能够更简便地离散塑料熔体的流动 和传热控制方程。基于这些考虑，本文将基于交错网格的有限体积法离散能量 方程、动量方程、连续方程和本构方程。 2 3 建立几何模型及有限元网格划分 2 3 1 螺杆、流道的三维建模 螺杆的长度为1 1 7 0 m m ，螺距4 5 m m ，其中螺杆的加料段，压缩段，均化 段的长度分别为3 5 0 m m ，4 5 0 m m ，3 7 0 m m ，螺旋升角q = 1 7 0 4 0 。如图2 1 图2 1 螺杆结构图 1 5 粤 第2 章螺杆与流道间天然纤维复合材料熔体的全过程三维非等温流变行为模拟与实验验证 熔体的假想填充模型如图2 2 ，该模型假想为填充在料筒中的复合材料，模型 的外壁直径5 0 m m 等于料筒的内径，左侧直径3 3 m m 和右侧直径4 5 m m 分别对 应图2 1 螺杆结构的左右端直径。在模拟软件中需要将熔体的假想填充模型( 图 2 2 ) 和螺杆三维构型( 图2 3 ) 装配在一起，然后依次设定熔体模型物性参数和 螺杆模型物性参数进行有限元模拟分析。 一1 1 8 0 ，l 愿匡三三三三三三三三三二= = = 三二= 二 卜曲3 3 图2 2 熔体的假想填充模型 螺杆三维构型如图2 3 自泌i 一：j 毒鑫鑫0 0 囊0 0 0 0 0 0 0 “0 0 汹汹函江 图2 3 螺杆三维构型 2 3 2 有限元网格的划分 有限元分析软件p o l y f l o w 对网格的数量有一定的要求，由于螺杆长度长达 1 2 米，结构复杂，网格划分是个难点，本人采用先整体后局部的划分方法，选 取四面体结构化网格进行划分，在划分网格时，在温度参数变化较大的压缩段 进行局部细化，网格划分如图2 4 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。 ( b ) 1 6 第2