聚合物發(fā)泡與擠出脹大過程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大工業(yè)支柱是材料、能源和信息，沒有材料工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展。隨著社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，塑料已發(fā)展成為在國民經(jīng)濟(jì)中與鋼鐵、木材、水泥三大傳統(tǒng)材料并駕齊驅(qū)的重要材料，并在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里發(fā)揮著越來越重要的作用，成為儀器儀表、交通運(yùn)輸、無線電、電訊器材及日用品生產(chǎn)不可缺少的新型材料。塑料制品的成型加工方法很多，例如注塑、擠出、吹塑、壓延等等。其中擠出成型具有效率高、投資少、制造簡便、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、占地面積小和環(huán)

2、境清潔等優(yōu)點(diǎn)而成為塑料制品的主要成型方法之一。擠出成型工藝和模具設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不能很好地滿足生產(chǎn)指導(dǎo)的需要，而隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算流體力學(xué)理論的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)顯示出了巨大優(yōu)勢，為工藝設(shè)計(jì)和模具優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
　　 本文建立了擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡在粘性不可壓縮流體中非穩(wěn)態(tài)等溫長大的有限元模型，針對氣泡長大過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了發(fā)泡過程中氣泡壓力和氣泡尺寸的變化規(guī)律

3、，并得到了聚合物熔體內(nèi)發(fā)泡劑濃度場的分布規(guī)律。討論了氣泡長大的驅(qū)動力以及影響氣泡長大的材料因素和工藝因素，預(yù)測了擠出微孔發(fā)泡過程中氣泡長大規(guī)律，對擠出微孔發(fā)泡工藝具有一定的指導(dǎo)意義。在擠出微孔發(fā)泡工藝中，聚合物熔體離開口模后，氣泡長大引起聚合物熔體膨脹，與此同時(shí)，聚合物熔體本身也存在擠出脹大現(xiàn)象，且聚合物熔體自身的擠出脹大對產(chǎn)品尺寸的影響不容忽視。針對聚合物擠出脹大過程，建立了不可壓縮流體三維穩(wěn)態(tài)等溫流動的有限元模型，考慮了不同聚合物流

4、變模型，對非牛頓流體擠出脹大過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了聚合物熔體的速度分布規(guī)律，并獲得了口模幾何形狀、材料參數(shù)以及工藝參數(shù)對擠出脹大率的影響規(guī)律。
　　 以聚合物流變學(xué)和流體動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡在非牛頓聚合物熔體內(nèi)等溫長大過程的幾何模型和數(shù)學(xué)模型。利用伽遼金加權(quán)余量法離散控制方程，并通過高斯積分變換獲得數(shù)值計(jì)算的有限元方程。由于氣泡長大過程時(shí)間短，長大速度快，發(fā)泡劑濃度梯度急劇增加，增加了數(shù)學(xué)求解的困難

5、，數(shù)值結(jié)果振蕩嚴(yán)重。針對以上情況，對控制方程進(jìn)行無量綱化處理，有效提高了數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性。
　　 基于有限元模擬技術(shù)，對擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡長大過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了氣泡在非牛頓聚合物熔體內(nèi)的等溫長大過程。分析了擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡長大的動力來源，獲得了氣泡壓力和氣泡半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究了氣液界面處發(fā)泡劑濃度梯度以及“細(xì)胞”內(nèi)外壁處發(fā)泡劑濃度的變化規(guī)律。討論了幾何模型(氣泡初始半徑以及“細(xì)胞”外徑尺寸)、材料參數(shù)(零剪

6、切粘度、擴(kuò)散系數(shù)、亨利常數(shù)以及表面張力系數(shù))以及工藝參數(shù)(發(fā)泡溫度和氣泡壓力)對氣泡長大過程的影響。
　　 以流體力學(xué)有限元理論為基礎(chǔ)，建立了粘性不可壓縮流體擠出脹大的有限元模型。采用罰函數(shù)法將連續(xù)性方程代入動量方程，從而避免了對壓力項(xiàng)直接求解，減少了同時(shí)計(jì)算的變量數(shù)，有效提高了計(jì)算效率。擠出脹大問題的求解困難在于聚合物脹大部分的自由表面位置是事先未知的，給數(shù)值求解額外增加了非線性。本文采用解耦合方法求解自由脹大表面位置，先假設(shè)

7、一個(gè)自由表面的位置，利用流線方程更新自由表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)從而得到真實(shí)表面位置?？紤]聚合物熔體的非牛頓特性，采用冪律本構(gòu)流變模型，針對常見的正方形口模進(jìn)行擠出脹大過程的數(shù)值模擬。引入的罰數(shù)是一個(gè)不確定量，通過系統(tǒng)地?cái)?shù)值計(jì)算獲得罰數(shù)的最佳取值。分析了聚合物熔體離開口模后的速度分布規(guī)律，探討了非牛頓流體擠出脹大現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。同時(shí)研究了體積流量對擠出脹大率的影響。討論了相同體積流量和相同口模截面面積的情況下口模截面形狀對擠出脹大率的影響。

8、　　 粘彈性是聚合物熔體的一種重要特性，在實(shí)際加工生產(chǎn)中，對塑料產(chǎn)品的形狀及尺寸具有較大影響。本文采用PTT本構(gòu)方程，充分考慮聚合物熔體的粘彈特性，建立了粘彈流體的擠出脹大有限元數(shù)學(xué)模型。通過引入?yún)⒖颊扯葘恿糠匠踢M(jìn)行了橢圓化處理，提高了方程求解的穩(wěn)定性。采用Streamline Upwind/Petrov-Galerkin formulation(SUPG)方法構(gòu)造非對稱權(quán)函數(shù)，克服了本構(gòu)方程對流項(xiàng)占優(yōu)時(shí)導(dǎo)致的數(shù)值解的振蕩。針對圓環(huán)

9、截面及橢環(huán)截面口模的擠出脹大過程進(jìn)行數(shù)值模擬。針對圓環(huán)口模，分析了聚合物熔體內(nèi)外邊界處第一法向應(yīng)力差的分布規(guī)律。在口模外徑尺寸相同的情況下，選取了不同的口模內(nèi)外徑比例，分析了相同體積流量下，口模尺寸對擠出脹大率的影響。討論了體積流量對擠出脹大率的影響規(guī)律。針對橢環(huán)形口模，研究了與材料本身性質(zhì)有關(guān)的零剪切粘度、松弛時(shí)間以及拉伸參數(shù)對擠出脹大率的影響，同時(shí)也考慮了體積流量對擠出脹大率的影響。
　　 采用能夠精確控制工藝參數(shù)的間歇法發(fā)

10、泡工藝中的快速降壓法，以實(shí)驗(yàn)中常用的聚苯乙烯為基體，超臨界CO2為發(fā)泡劑進(jìn)行了微孔發(fā)泡實(shí)驗(yàn)研究。通過飽和吸收/解吸實(shí)驗(yàn)獲得了發(fā)泡劑擴(kuò)散系數(shù)和亨利常數(shù)；采用毛細(xì)管流變儀測定了150℃下純聚苯乙烯的粘度；利用WLF方程計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)條件下PS/CO2均相體系的粘度；采用專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus對發(fā)泡樣品的SEM照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，獲得泡孔密度和泡孔平均直徑。根據(jù)間歇法發(fā)泡實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，得到了相同溫度下壓力對發(fā)泡工藝過程的影