聚合物氣體輔助口模擠出成型的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、擠出是聚合物加工的一種重要成型方法，塑料制品中40％是通過擠出加工成型。由于聚合物熔體的高粘性、粘彈性，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)易出現(xiàn)擠出脹大，由于擠出熔體和擠出口模的非滑移粘著導(dǎo)致擠出口模壓降大，當(dāng)擠出速度超過材料的臨界擠出速度時(shí)擠出物表面產(chǎn)生“鯊魚皮”和擠出破裂等現(xiàn)象，以上三大難題嚴(yán)重影響擠出制品精度、限制擠出速度提升，導(dǎo)致擠出能耗高。產(chǎn)生以上問題的根源在于傳統(tǒng)擠出技術(shù)采用非滑移粘著剪切口模擠出方式，使得口模壁面對(duì)擠出熔體的阻力大。氣輔擠出技

2、術(shù)通過氣體輔助控制系統(tǒng)和氣體輔助擠出口模，使擠出時(shí)在擠出口模壁面產(chǎn)生一穩(wěn)定的氣墊膜層，擠出由非滑移粘著剪切口模擠出方式轉(zhuǎn)換為完全滑移非粘著剪切口模擠出方式，從而將口模壁面對(duì)擠出熔體的摩擦阻力降到最低限度，熔體在口模中呈柱塞狀流動(dòng)。本文從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面對(duì)氣輔口模擠出成型進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，主要研究工作概述如下： 1.對(duì)有關(guān)擠出脹大、減粘降阻、熔體破裂及壁面滑移的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，指出氣輔擠出技術(shù)是解決以上問題的有效方法

3、。 2.建立了氣輔擠出實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)氣輔擠出對(duì)氣體壓力和溫度控制要求，建立了氣輔擠出成型壓力控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)加工了氣輔擠出口模，完成了整套實(shí)驗(yàn)裝置的安裝和調(diào)試。 3.進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。研究了工藝參數(shù)(氣體壓力、氣體流量、氣體溫度、擠出流量)、口模結(jié)構(gòu)參數(shù)(口模有氣輔段長度L2、環(huán)形縫隙δ)以及操作順序(氣閥和擠出螺桿的開啟順序)對(duì)氣墊膜層的建立及其穩(wěn)定性的影響；分別研究了氣體壓力、氣體流量、環(huán)形縫隙δ、有

4、氣輔段長度L2對(duì)擠出速度(熔體從口模中擠出的線速度)、擠出流量和擠出物直徑的影響；采用和傳統(tǒng)擠出相對(duì)比的方式研究了氣輔擠出對(duì)口模壓降、擠出脹大和擠出物表面質(zhì)量的影響。 4.基于流體力學(xué)三大方程和Rivlin-Ericksen粘彈本構(gòu)方程建立了氣輔口模擠出成型的機(jī)理模型，根據(jù)氣輔擠出過程的特點(diǎn)，通過合理的簡化與假設(shè)和方程的無量綱化，形成了有限元方程，以壁面剪切應(yīng)力為零的邊界條件代替氣墊膜層作用，自由表面采用脊線法更新，應(yīng)用Succ

5、essiveSubstitution和Quasi-NewtonUpdates迭代技術(shù)，利用通用的CFD有限元軟件FIDAP實(shí)現(xiàn)了對(duì)有限元方程的求解。分別對(duì)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)口模、方形截面口模和L形截面口模的氣輔擠出過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到氣輔擠出成型口模內(nèi)外的速度場、溫度場、壓力場、應(yīng)力場和剪切速率的分布，并和傳統(tǒng)擠出過程進(jìn)行了對(duì)比；研究了不同口模截面形狀的氣輔擠出中擠出流量、氣輔擠出口模有氣輔段長度L2、本構(gòu)方程中反映擠出熔體粘性和彈性的參數(shù)