壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究李志彪 刘 彪 王自赟 陈天荣 邓小珍 江诗雨 徐 芳(南昌工程学院机械工程学院 江西省精密驱动与控制重点实验室 江西 南昌)摘要:基于壁面滑移条件 建立了微小流道内聚合物黏弹三维共挤出流动模型 并运用有限元方法对流动模型进行了模拟计算 为探究壁面滑移条件下聚合物熔体工艺条件和物性参数对成型的影响 分别设置芯、壳层熔体不同的流率比和黏度比通过分析流道内外的熔体速度分布及层间界面形貌 探究了无滑移和完全滑移两种壁面条件下 熔体流率和黏度对聚合物微共挤成型层间界面的影响规律 结果表明 无滑移壁面条件下 熔体层间界面不稳定 口模内和口模外界面均发生偏移 且在口模出口处发生突变 熔体离开口后存在胀大和变形现象 其胀大和变形程度随着熔体入口流率比和黏度比的变化而变化 完全滑移壁面条件下 口模内熔体层间界面发生偏移 但口模外界面稳定 不存在挤出胀大和变形 且不受熔体入口流率比和黏度比的影响 这对实现聚合物微复合制品的精密成型具有重要意义关键词:壁面滑移 聚合物 微共挤 气体辅助技术 机理探究中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():():().:挤出成型是聚合物加工领域应用最广泛的成型方法之一 而聚合物传统挤出制品存在的胀大变形、界面不稳定等问题制约了该项技术的进一步发展 为提高聚合物挤出制品质量 等首次将氮气作为辅助介质引入聚合物挤出成型 由于气体介质的润滑作用 口模内的熔体为完全滑移流动 能有效改善挤出制品质量 受到相关领域研究者的关注逐渐成为聚合物加工领域的研究热点随着微/纳米科学技术的蓬勃发展 产品逐渐向微型化、精密化方向发展 近年来 诸多研究者将气体辅助技术应用于聚合物微挤出成型 研究结果表明 气体辅助技术能有效克服传统微挤出制品存在的胀大变形、熔体破裂等固有缺陷 还能有效提高制品的表观质量和透明度 且不受挤出物料特性和工艺条件的影响 然而 目前有关气体辅助技术在聚合物微挤出的应用主要集中于单层挤出 如微管挤出和江西省自然科学基金面上项目()江西省教育厅科学技术研究项目()通信作者:邓小珍 女 年生 博士 主要从事聚合物加工方向研究工作 作者简介:李志彪 男 年生 硕士 主要从事机械设计制造方向的研究工作 第 卷第 期李志彪 等:壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究细丝挤出 在多层共挤中的应用研究鲜有公开文献报道 气体辅助技术对聚合物微共挤成型的影响机理尚不明了本文以微小尺寸圆形截面棒材挤出流动过程为研究对象 通过分析流动口模内外熔体的速度场分布探究熔体流率和黏度对微复合制品层间界面稳定性的影响规律 以期进一步揭示气体辅助技术对微共挤成型的影响机理 机理模型 模型建立及网格划分研究用微共挤模型及几何尺寸如图 所示 其中 和 分别为壳层和芯层熔体入口边界()和 分别为壳层和芯层熔体口模出口边界 和 分别为壳层和芯层熔体自由胀大末端 沿 轴方向即熔体流动方向 将微共挤流动模型分为熔体流动区()和自由胀大区(为使自由胀大完全体现 )两部分 由于模型关于 轴和 轴均对称模拟取/区域计算 模型有限元网格划分如图 和 所示几何模型和尺寸三维有限元网格二维有限元网络图 几何模型及有限元网格 控制方程和本构方程设定微流道内熔体的流动为等温全展层流 不可压缩 熔体流动的控制方程为:连续方程:()动量方程:()式中 哈密尔顿算子 速度矢量/表示芯、壳两层不同的熔体 压力 偏应力张量 采用 ()微分黏弹本构方程 其表达式为:()()()()()式中 和 为材料参数 松驰时间 黏度比 零剪切黏度 ()方阵 的迹偏应力张量 的上随体导数 右上角的 表示向量 的转置的下随体导数 形变速率张量()本文研究用材料 本构模型参数如表 所示表 材料 本构模型参数 材料/()/边界条件设置边界条件中 为法向速度 为切向速度 为法向应力 为切向应力)熔体入口(图 中的 和):满足/、)微共挤壁面(图 中的):采用 滑移模型 ()其中 滑移系数 壁面切向速度 材料参数 取值)熔体层间界面(图 中):满足动力学条件、和运动学条件、)自由胀大表面(图 中的):自由胀大表面 )对称面(图 中):)自由胀大末端(图 中 无牵引力):塑 料 工 业 年 模拟结果与分析 熔体流率对微共挤成型层间界面的影响为研究熔体流率对微共挤成型过程的影响 设置 组不同的芯层和壳层熔体流率比 并将边界条件分气辅微共挤(完全滑移壁面)和传统微共挤(无滑移壁面)分别设置 气辅微共挤时 因气垫层的润滑作用 设置 传统微共挤时 考虑到熔体流率较小 设定熔体与口模壁面间无滑移 即 此算例中 芯层为 熔体 入口体积流率设为 /壳层为 熔体 入口体积流率分别设为 、/图 为壳层熔体流率对微共挤出两熔体层间界面形貌的影响 图 为芯层和壳层熔体线性流速比为 (芯 /壳 /)时 传统和气辅微共挤流动熔体层间界面形貌图 壳层熔体流率对微共挤出层间界面形貌的影响 由图 可知 传统微共挤时 口模内外熔体层间界面随着壳层熔体流率的变化而变化 当芯层和壳层熔体线性流速比为 时 口模内界面由黏度较高的壳层熔体向黏度较低的芯层熔体侧偏移 偏移量随着壳层熔体流率的增大而增大 口模外界面由芯层向壳层偏移 偏移量随着壳层熔体流率的增大而增大但随着壳层熔体流率变化的持续增大 界面偏移量增量减小 最后将趋于稳定 熔体层间界面在口模出口处发生突变 且在熔体离开口模约 ()后趋于稳定 气辅微共挤时 当芯层和壳层熔体线性流速比为 时 口模内界面稳定在 处 即界面不发生偏移 但随着壳层熔体流率的增大 口模内界面在熔体入口处由壳层向芯层偏移 壳层熔体流率增量越大 界面偏移量越大 界面偏移量均在熔体进入口模约 ()处达到最大随后界面偏移量逐渐减小 在口模出口处()界面偏移量减至零值 口模外界面始终稳定在 处 即界面不发生偏移 且不随着壳层熔体流率的变化而变化传统微共挤气辅微共挤图 熔体层间界面形貌 熔体黏度对微共挤成型层间界面的影响为研究熔体黏度对微共挤成型过程的影响 设置 组不同的芯层和壳层熔体黏度比 边界条件设置同 此算例中 设置芯层为聚苯乙烯()熔体壳层分别聚丙烯()、和高密度聚乙烯()熔体 芯层和壳层熔体线性流速比设置为 图 为壳层熔体黏度对微共挤出两熔体层间界面形貌的影响图 壳层熔体黏度对微共挤出层间界面形貌的影响 由图 可知 传统微共挤时 口模内熔体界面由高黏度壳层向低黏度芯层一侧偏移 且壳层熔体黏度越大 偏移量越大 界面在口模出口附近发生突变熔体离开口模后 界面迅速由芯层向壳层一侧偏移且壳层熔体黏度越大 偏移量越大 在熔体离开口模约 ()后趋于稳定 气辅微共挤时沿熔体挤出方向(轴方向)芯、壳两层熔体界面始终稳定在 处 即气体微共挤过程中熔体界面不发生偏移 且与熔体黏度大小无关第 卷第 期李志彪 等:壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究 熔体速度分析为进一步探究气体辅助技术对微共挤成型的影响机理 分别设置芯、壳层熔体不同流率比或黏度 对口模内外熔体速度场进行了分析图 图 分别为芯层熔体入口体积流率为 /壳层熔体入口体积流率分别为 、/时 口模出口端面和沿挤出方向(轴方向)的熔体界面上 向速度分布及口模出口端面 向速度分布 由于棒材截面形状的轴对称性 熔体 向速度与 向速度分布一致 由图可知 传统微共挤时 口模出口端面上熔体 向速度大于零 向速度呈梯度分布(口模中心处速度明显大于壁面处)沿熔体挤出方向 熔体在口模入口和出口处的 向速度发生突变 且随着壳层熔体入口流率的增大而增大 这将引起口模内外熔体层间界面发生偏移 以及熔体离开口模后产生胀大和变形 熔体流率越大 界面偏移和胀大变形程度越严重 气辅微共挤时 口模出口端面上熔体 向速度为零 向速度分布均匀 且各点速率值相等 两熔体呈柱塞状挤出 沿熔体挤出方向 熔体在口模入口约 内 向速度发生突变 随后趋于零值 这虽会引起口模内熔体层间界面发生微量偏移 但熔体离开口模后界面趋于稳定 也不会产生挤出胀大和变形现象 这与图 结果吻合图 口模出口端面 向速度()()图 中小图图 中小图图 轴方向界面上 向速度()()图 口模出口端面 向速度()()图 图 分别为芯层熔体黏度为 壳层熔体黏度分别为 、时口模出口端面和沿挤出方向(轴方向)的熔体界面上 向速度分布及口模出口端面 向速度分布 由图可知 传统微共挤时 口模出口端面上熔体 向速度大于零 向速度呈梯度分布(口模中心处速度明显大于壁面处)且随着壳层黏度的增大而增大沿熔体挤出方向 熔体在口模入口和出口处的 向速度发生突变 这将引起口模内外熔体层间界面发生偏移 以及熔体离开口模后产生胀大变形 气辅微共挤时 口模出口端面上熔体 向速度为零 向速度分布均匀 且各点速率值相等 两熔体呈柱塞状挤塑 料 工 业 年 出 沿熔体挤出方向 熔体 向速度平稳且趋于零值 不会引起口模内外熔体层间界面发生偏移及熔体离开口模后的变形现象 这与图 结果吻合图 口模出口端面 向速度()()图 轴方向界面上 向速度()()图 口模出口端面 向速度()()结论)气辅微共挤 即完全滑移壁面条件下 口模内熔体层间界面产生小幅度偏移 随着熔体流率的变化而变化 但与熔体黏度无关 熔体离开口模后 层间界面趋于稳定 不产生偏移 也不会产生胀大和变形 能有效消除传统微共挤过程中 即无滑移壁面条件 存在的界面不稳定、挤出胀大和变形等影响制品质量的固有问题)气辅微共挤成型可有效改善聚合物微复合制品尺寸和形状精度 提高制品质量 且不受聚合物熔体流率和黏度影响 容易实现聚合物复合产品的精密成型 保证微复合产品质量 且共挤材料的选材变得简单易实现参 考 文 献 .:.黄雪梅 邓小珍.聚合物熔体层厚对黏性包围影响的数值分析.塑料工业 ():.():.:.():.():.:.邓小珍 柳和生 黄兴元.塑料异型材气辅共挤成型研究进展.塑料工业 ():.第 卷第 期李志彪 等:壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究 .():.():.肖建华 高延峰 陈思维 等.气体辅助微挤出模设计及加工.塑料工业 ():.():.任重 黄兴元 柳和生.塑料微管气辅挤出成型实验与机 理 分 析 .材 料 导 报 ():.():.肖兵 邓小珍 任重 等.基于 黏弹本构模型的聚合物气辅微共挤成型研究.南昌工程学院学报 ():.():.邓小珍.塑料异型材气体辅助共挤出成型的实验和理论研究.南昌:南昌大学.:.:.(本文于 收到)(上接第 页).():.():.():.张尧 陈露 黄小冬 等.阻燃聚氨酯的研究及应用进展.塑料助剂 ():.():.:.:.():.:.张延辉 姜百鸣.海泡石纤维增强酚醛复合材料的研制.工程塑料应用 ():.():./.():.:/.():.:.():.(本文于 收到)