气辅挤出口模中滑移段长度对压力降和第一法向应力差的影响

采用壁面滑移方程和EVSS/SUPG混合有限元方法,使用PTT流变学基本方程,对粘弹性高分子熔体在不同气体辅助挤出口模内的流动进行了数值模拟研究。考察了口模滑移段长度对压力降和第一法向应力差的影响。研究表明,气辅挤出可以有效减小压力降,并将应力集中的位置由口模出口处转移到气体的注入点。且随着滑移段长度增大,压力降和应力集中的程度得到减小;熔体在100%完全滑移段口模中流动时无流动阻力、压力降和应力集中现象,是一种理想流动状态。     

基于气液两相流的聚合物气辅挤出数值模拟

为了更准确地反映气辅挤出中气体对熔体成型的影响机理,建立了气液两相流模型,对不同气压作用下的熔体挤出成型进行了有限元数值模拟,得到了气辅作用下熔体的流速、压力降和第一法向应力差等分布。与完全滑移边界条件的模拟结果对比发现,基于气液两相流的气辅挤出,熔体的流速、压力降和第一法向应力差等物理场均存在较大变化。实验也验证了熔体挤出成型受气压的影响较大。对模拟和实验结果分析表明,气体的辅助作用对熔体产生的第一法向应力差,是造成熔体流速、压力降和成型产生变化的主要原因。而这些是以完全滑移边界条件气辅模拟方法无法体现出来的。因此,气辅挤出模拟需要考虑气体层对熔体成型的影响,并且在实际气辅挤出加工中,需要合理地设置气压等工艺参数。     

聚合物气体辅助挤出成型研究进展

挤出成型是聚合物加工领域出现得较早且应用最广泛的技术之一，聚合物传统挤出成型过程中存在的挤出胀大、扭曲变形等问题严重阻碍了该技术的进一步发展及推广应用。聚合物气辅挤出是本世纪初发展起来的一种新型成型工艺，通过在口模内壁与熔体表面间形成稳定的气垫膜层，使熔体以完全滑移非粘着方式挤出成型，改善了口模内熔体的流场分布，从而有效减小甚至消除了传统挤出过程中存在的影响制品质量的固有问题。该技术因具有节能、环保、改善制品质量等优良特性，自问世以来即受到聚合物加工领域诸多学者的广泛关注，相关研究成果对丰富和发展聚合物成型理论及其加工技术的进一步推广应用均具有重要的科学意义和工程价值。文中综述了聚合物气辅挤出成型问世以来国内外研究进展，主要介绍了该技术的成型机理和成型装置，气体辅助单层挤出、双层共挤、微管挤出及气垫膜层等方面的研究方法与研究成果，并在综述现有的研究基础上展望了气辅挤出成型的研究趋势。     

气体压力对气辅共挤成型界面的影响

将气体简化为广义牛顿流体,并作为单独一层,针对矩形气辅共挤口模,建立了三维粘弹有限元模型,对理论模型进行了数值计算,研究了气体压力对气辅共挤成型界面形貌的影响及形成稳定气垫层所需最小气体压力与气垫层厚度和熔体流率的关系。研究表明,当稳定气垫层形成后,随着气压力或气垫层厚度的增大,共挤制品挤出胀大率减小,粘性包围程度增大;形成稳定气垫层所需的最小气体压力随气垫层厚度的增大而减小,随着熔体流率的增大而增大。     

气体流量对管材气辅挤出的影响

将气体简化为广义牛顿流体,并作为单独的内外两层,针对管材型气辅挤出口模,建立了二维有限元模型,并进行了数值模拟,研究了气体流量对口模出口处剪切速率、熔体速度及口模流道中心处熔体压力的影响。研究表明,当气体流入口模流道内,聚合物熔体在口模出口处厚度为-0.85~0.85 mm剪切速率为零,为促使聚合物熔体既满足表面质量不因剪切速率不均引起表面质量缺陷,又满足在厚度方向的尺寸要求(即2 mm),故需将聚合物熔体与气体相汇处的流道沿厚度方向扩大0.3 mm;同时也为了进一步降低因速度梯度大而引起的表面质量缺陷,文中进气体流量为2.512×10-3m/s最佳。因此,当气体作为一种辅助工艺引入到聚合物挤出成型当中,需在两相流相汇处流道沿厚度方向预留足够的空间(本文是预留制品厚度的20%的尺寸)以满足制品的尺寸及表面质量要求。     

气辅共挤出流道中聚合物流动过程的数值分析

建立了气辅条件下两种聚合物在矩形流道中共挤出流动的三维非等温数值分析模型。用粘弹性流体模型(PTT模型)描述熔融聚合物的特性,Arrhenius方程表示流动对温度的依赖性,并且考虑聚合物相对于流道壁面的滑移以及不相容聚合物熔体间滑移的边界条件。用有限元方法数值模拟了聚合物成型过程,将计算结果与普通共挤出成型流动进行了对比分析。结果表明,气垫层的加入,将使聚合物熔体的压力降减低20%～40%;使流道出口处的速度场分布均匀,速度场的最大值下降约50%;气垫区聚合物的自由流动还将对共挤出界面的形状和位置有一定的影响。     

聚合物多层气辅共挤精密成型机制的数值分析

基于传统共挤成型技术,提出一种先进的气辅多层共挤精密成型技术。研究表明,气辅共挤成型技术不仅可实现挤出制品尺寸的精确自动控制,而且还起到明显的节能降耗的效果。通过建立的稳态有限元数值算法,对传统共挤成型和气辅共挤成型的成型过程和离模膨胀过程进行了系统的对比分析研究,并探讨了气辅共挤成型消除整体离模膨胀的机制。结果表明,多层共挤成型芯壳层熔体的离模膨胀是由黏弹性熔体的二次流动引起,主要取决于芯壳层熔体二次流动的方向与强度。熔体二次流动的方向与第二法向应力差的正负号有关,而熔体二次流动的强度则与第二法向应力差大小成正比。气辅共挤成型的气辅口模段可通过气垫膜层的壁面完全滑移作用,有效减小或消除芯壳层熔体的第一和第二法向应力差,使其二次流动消失,从而达到消除口模整体离模膨胀的目的。因此,气辅多层共挤精密成型技术能精确地控制共挤成型的复合产品最终外形和尺寸与挤出口模的形状和尺寸完全相同。此外,研究结果还表明气辅共挤成型的挤出压力相对传统共挤成型可降低约30%以上。     

气体辅助工艺对曲线型异型材共挤成型的影响

基于流变学基本方程和PTT本构方程,建立了三维粘弹曲线型塑料异型材包覆共挤成型数值模型,运用有限元方法对数值模型进行了模拟计算,分析研究了气体辅助工艺对曲线型异型材共挤成型过程中挤出胀大、扭曲变形及口模内流场分布的影响。研究结果表明,传统共挤成型时,共挤制品的挤出胀大及变形、口模内熔体速度场、压力场、剪切速率及应力场等的分布均随着壳层熔体黏度的变化而变化,而气辅共挤成型时,共挤制品的挤出胀大和变形现象以及口模内熔体流场的分布均与芯壳层熔体的物性无关,能实现制品截面形状和尺寸与口模截面形状和尺寸保持一致的精密共挤。     

长玻纤维增强塑料管材挤出成型模拟分析

为提高现有塑料管材的力学性能,本文介绍了自主研究设计的长玻纤维螺旋在线复配塑料管材挤出机头专利的结构特点和工作原理.同时对口模内纤塑熔体的流动进行理论分析,并采用ANSYS软件对口模内熔体流动进行模拟,得出熔体的速度分布,模拟结果表明聚合物颗粒塑化熔融后在线混合入一定长度的玻璃纤维后,熔体分子和玻璃纤维沿所挤出圆形管材的管壁螺旋取向,达到提高管材周向强度的预期目标.     

气辅挤出成型中两相流界面的稳定性

使用南昌大学制备的气辅挤出成型设备,研究了气体压力和流量对熔体/气体两相流界面稳定性的影响,通过实验得出,实现气辅挤出的条件是口模内注气点处气体压力大于等于熔体的压力,而pmelt≈pgas是实现稳定气辅挤出的前提条件;实验还表明控制气体流量对实现稳定挤出非常重要,当气体流量为0.4 m3/s时,熔体以稳定层流形式挤出,气体流量增大到2 m3/s时,气体产生紊流并强迫挤出物以波纹状进行抖动挤出。     

聚合物气辅共挤成型中气垫层的建立及其稳定性分析

采用自行研制的气辅共挤成型实验系统和矩形截面气辅双层共挤口模,实验研究了气辅共挤过程中气体压力、气体温度以及气阀的开启顺序对气垫层稳定性的影响,得到了建立稳定气辅共挤气垫层的基本工艺准则。结果表明,气体压力和温度是影响气垫层稳定性的关键因素,要形成稳定气垫层,气体的压力和温度应尽量与聚合物熔体接近,气体和熔体的压力差不应超过0.1MPa,温度差不应超过10℃,先开启气阀时,要严格控制气体压力。     

聚合物在等温圆管口模中流动的数值模拟

以挤出圆管为研究对象,采用PTT粘弹本构模型和通用的有限元POLYFLOW软件,对塑料熔体在不同挤出口模内的二维粘弹性等温流动进行了数值模拟。通过数值模拟得出了CPU时间、压力和离模膨胀比等结果。研究表明,过渡段的设计会对挤出压力产生明显的影响,但对离模膨胀比没有影响,用三次插值多项式表征的流线型口模具有较小的挤出压力。     

美式复合聚合物异型材挤出成型关键技术

美式复合聚合物异型材(以下简称美式异型材)挤出成型设计包括挤出模头成型设计、定型模冷却成型设计以及水箱冷却定型块设计。挤出模头成型设计关键是挤出流道应平滑过渡,熔体流出模头时流速应均匀一致;定型模冷却成型设计关键是美式异型材冷却均匀、真空吸附压力均衡;水箱冷却定型设计关键是美式异型材局部功能区挤出阻力减小。通过有限元数值模拟和结合并行工程的CAD/CAE/CAM网络系统专家数据库,进一步优化设计,结果表明,熔体从模头出口处均匀挤出,经定型模、水箱冷却成型,美式异型材结构尺寸及性能完全符合要求。     

聚合物微挤出成型过程流动的均匀性

微挤出模具内聚合物熔体流动的均匀性直接决定着制品的成型质量,是挤出模具设计的基础。根据聚合物流变测试理论,基于Kelvin-Voigt本构方程,建立了相对微尺度黏度模型;基于Navier滑移定律,建立了壁面滑移模型;以双腔微管的挤出流动为例,研究了模具流道主要结构参数对挤出流动均匀性的影响,结果表明,各参数对流动均匀性影响的显著程度由强到弱的顺序依次是分流角、内筋定型段长度、压缩角和压缩比。根据确定的最佳流道结构参数,设计制造了双腔微管挤出模具,挤出实验结果验证了该方法的正确性和有效性。     

复合共挤成型中挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面共挤口模内外两种聚合物熔体流动的三维粘弹数值模型,有限元模拟了聚丙烯/聚苯乙烯(PP/PS)共挤过程中的挤出胀大现象,并用实验验证了模拟结果。研究表明:当入口体积流量相同时,两熔体挤出口模后会朝向黏度较高的PS熔体一侧偏转,型材截面呈非对称畸变。两熔体在垂直挤出方向上的速度分布导致了挤出胀大过程中熔体的偏转流动,而口模出口处的剪切速率分布基本决定了共挤型材截面的形状。实验结果与模拟结果基本相符,模拟所得挤出胀大率比实际值大8.6%。等温假设是影响共挤出胀大数值模拟准确度的主要因素。     

PMMA/PVC表面复合异型材共挤出成型设计优化

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚氯乙烯(PVC)表面复合异型材(以下简称复合异型材)是通过共挤出模头成型,以共挤出模头出口处复合异型材截面上各子区域的流速相等为优化目标,以对流动均匀性有较大影响的压缩段间隙为设计变量,有限元数值分析模拟并和ERP系统及并行工程的CAD/CAE网络系统挤出模头专家数据库相结合,通过实例设计优化证明,优化后共挤出模头出口处复合异型材熔体各区域流速均匀性显著提高,复合异型材的型胚质量显著提高,其结构尺寸、性能完全符合要求。     

挤出成型技术发展综述

挤出成型技术作为当今聚合物加工领域重要的成型手段之一,具有生产效率高、适应性广的特点,自问世以来受到了国内外学者的广泛关注。综述了挤出成型技术的发展概况,重点介绍了反应挤出成型技术、共挤出成型技术、气辅挤出成型技术的原理与发展现状,在此基础上对挤出成型技术的进一步发展进行展望。反应挤出成型技术将物料的制备与挤出合为一体,为聚合物的合成与改性提供了新的思路。共挤出成型技术将不同材料的优良性能集中于同一产品上,各材料特性互补,拓展了聚合物材料的应用范围。气辅挤出成型技术在口模内壁与熔体表面间形成气垫膜层,改善了制品质量。     

气辅挤出胀大比与滑移段长度的关系

采用参数渐变法和Thompson变换,对粘弹性高分子熔体在不同气体辅助挤出口模内的流动进行了数值模拟研究。考察了体积流量、松弛时间和滑移段长度对挤出物挤出胀大比的影响。研究表明,熔体在滑移段的停留时间与材料松弛时间之比与挤出胀大比之间存在指数衰减关系,其实质是熔体在滑移段处于形变衰减过程。理论分析与数值模拟具有高度的一致性,表明该方程可用于指导气辅口模设计。     

轮胎胎面胶料共挤出过程的数值模拟

以某复合胎面胶料(TWR/FB)的共挤出过程为研究对象,利用Polyflow软件,采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构模型和Navier滑移模型对2种胶料熔体在口模内外的流动进行了三维数值模拟,并将模拟得到的挤出断面和试验挤出断面进行了对比分析。同时分析了牵引速度和预口型板的收敛角对共挤出的影响,结果表明,牵引速度对胶料离开口模后的形状和面积胀大比的影响显著,但对胶料在口模内部的流动状态影响不大;适当地增加预口型板收敛角可以增强胶料在口模内的流动性,提高挤出制品的质量。     

叶片挤出机熔体压力响应及挤出特性EI北大核心CSCD

利用自行研制的叶片挤出机实验研究了工艺参数对熔体压力及挤出产量的影响,分析了叶片挤出机的挤出特性、成型加工过程中熔体压力的动态特性及响应。结果表明,在叶片挤出机中熔体压力随时间周期性脉动变化,实现了脉动压力诱导的挤出成型过程;熔体压力的脉动频率为转子轴角频率的4倍;脉动幅值随转子轴转速的增加而增加,沿挤出方向逐渐减小,口模压力对脉动幅值的影响较小。与常规单螺杆挤出机相比,叶片挤出机具有正位移输送特性,口模压力、物料特性等对产量的影响小,设备挤出特性"硬"。