塑料異型材氣體輔助共擠出成型的實(shí)驗(yàn)和理論研究.pdf

1、氣輔共擠成型技術(shù)是一種新型的塑料成型工藝,因?yàn)榭谀?nèi)壁與塑料熔體表面之間存在穩(wěn)定的氣墊膜層,使得熔體在口模內(nèi)的擠出方式由非滑移的黏著剪切流動(dòng)轉(zhuǎn)換為完全滑移的非黏著剪切流動(dòng),可有效減小共擠出脹大、黏性包圍和界面不穩(wěn)定等現(xiàn)象,基本能實(shí)現(xiàn)規(guī)則截面制品的精密共擠。本文將氣體輔助技術(shù)與不規(guī)則截面塑料異型材共擠技術(shù)結(jié)合在一起,形成不規(guī)則截面塑料異型材氣輔共擠成型技術(shù),并采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法對(duì)其進(jìn)行深入研究,以期實(shí)現(xiàn)不規(guī)則截面制品的精密

2、共擠。本文主要研究?jī)?nèi)容概括如下:
　　1.搭建了直線型異型材氣輔共擠實(shí)驗(yàn)裝置,設(shè)計(jì)加工了L型截面異型材上下分層和芯殼分層氣輔共擠口模,完成了整套直線型異型材氣輔共擠實(shí)驗(yàn)裝置的安裝和調(diào)試,并進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:(1)除氣體壓力、溫度、螺桿與氣閥的開啟順序外,口模設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的氣墊層厚、熔體流率(單位流率比)、物料特性、牽引力等都是影響穩(wěn)定氣墊膜層形成的重要因素;(2)在相同的工藝條件下,氣輔共擠比傳統(tǒng)共擠產(chǎn)量要大,而且

3、產(chǎn)量增幅隨著擠出熔體黏度的增大而增大,如兩種PP共擠時(shí),氣輔共擠產(chǎn)量增率為1.76％~4.65%,而PP和比之黏度較高的HDPE共擠時(shí),氣輔共擠產(chǎn)量增率高達(dá)12.95%;(3)實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)共擠成型的影響較大,而對(duì)穩(wěn)定氣輔共擠成型的影響較小,無論實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)如何變化,氣輔共擠成型過程中,在無外力的作用下,熔體離開口模時(shí),其截面形狀和尺寸均能與口模截面形狀和尺寸保持一致,實(shí)現(xiàn)了直線型異型材的精密共擠;(4)傳統(tǒng)共擠制品與穩(wěn)定氣輔共擠制

4、品表面質(zhì)量無明顯差異,且當(dāng)兩熔體流率相等、氣體壓力和溫度接近熔體壓力和溫度時(shí),氣輔共擠制品表面質(zhì)量達(dá)到最佳。
　　2.將氣體簡(jiǎn)化為不可壓縮流體,建立了L型截面異型材上下分層氣-液-液多相共擠成型的三維非等溫?cái)?shù)值模型;將氣體簡(jiǎn)化為完全滑移邊界條件,建立了兩相氣輔共擠成型的三維非等溫?cái)?shù)值模型。采用CFD軟件對(duì)兩種模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。研究結(jié)果表明:(1)氣輔共擠段前設(shè)有5mm傳統(tǒng)共擠段時(shí),能保證兩熔體在氣體

5、進(jìn)入口模前已粘合緊密,共擠出過程中即使氣壓稍大也不會(huì)產(chǎn)生氣槽;(2)在能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣輔共擠的條件下,選擇較小的氣壓和較小的氣墊層厚均有利于提高制品的形狀和尺寸精度;(3)以兩種不同方式簡(jiǎn)化氣體模擬所得口模內(nèi)熔體的流場(chǎng)基本一致,但兩者模擬所得口模出口端熔體邊界和層間界面形貌略有不同。
　　3.建立了不規(guī)則截面形狀異型材雙層共擠成型口模內(nèi)外熔體流動(dòng)的三維數(shù)值模型,并對(duì)其進(jìn)行了模擬研究。研究結(jié)果表明:(1)傳統(tǒng)共擠成型時(shí),因口模出口端面上

6、熔體存在二次流動(dòng),使得熔體離開口模后出現(xiàn)離模膨脹現(xiàn)象,因沿?cái)D出方向的速度呈梯度分布,且低黏度熔體速度大于高黏度熔體速度,使得熔體離開口模后出現(xiàn)低黏度熔體向高黏度熔體一側(cè)偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,而氣輔共擠成型時(shí),口模出口端面上熔體不存在二次流動(dòng),且沿?cái)D出方向的速度均勻一致,使得熔體離開口模后既無離模膨脹行為,亦無偏轉(zhuǎn)變形行為;(2)傳統(tǒng)共擠成型時(shí),口模內(nèi)熔體壓力從入口處到出口處基本成線性減小至零值,且壓力降隨著熔體黏度的增大而增大,如黏度為15000

7、Pa·s的HDPE熔體在口模內(nèi)的壓降為0.20MPa,黏度為4688Pa·s的PP熔體在口模內(nèi)的壓降為0.11MPa,而氣輔共擠成型時(shí),口模內(nèi)整個(gè)氣輔共擠段熔體的壓力接近零值,不存在壓力降;(3)傳統(tǒng)共擠成型時(shí),口模內(nèi)壁熔體的剪切速率和應(yīng)力分布不均勻,并在直線型異型材內(nèi)直角處和曲線型異型材直線與圓弧交接處、圓弧與圓弧交接處集中且達(dá)到最大值,剪切速率和應(yīng)力集中的部位即為熔體離開口模后變形最嚴(yán)重的部位,而氣輔共擠成型時(shí),口模內(nèi)壁熔體的剪切速