聚合物双层微管单双侧气体辅助微挤出成型差异性研究.pdf
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1、第 37 卷 第 8 期2023 年 8 月中国塑料CHINA PLASTICSVol.37,No.8Aug.,2023聚合物双层微管单双侧气体辅助微挤出成型差异性研究邓小珍,刘彪,肖兵,江诗雨,陈天荣(南昌工程学院机械工程学院,南昌 330099)摘要:将气体辅助技术应用于空心双层微管挤出成型,利用有限元方法进行分析研究,建立传统微管共挤、气辅微管共挤、单内腔壁面气辅微管共挤、单外腔壁面气辅微管共挤4种不同的挤出成型模型,研究其在挤出胀大率、速度、压力、剪切速率等方面的差异性。结果表明,在空心微管双层共挤过程中,空心双层微管双侧均使用气体辅助技术对挤出过程中产生的挤出胀大、速度分布不均、剪切
2、速率分布不均、压降过大等问题均具有良好的改善作用;而单内腔壁面气辅微共挤并不能对传统微共挤所产生的问题起到改善作用,其挤出胀大率为105.41%,单外腔壁面气辅微共挤会出现挤出收缩现象,在剪切速率分布和压降等方面也无改善作用。关键词:双层微管共挤成型;气体辅助技术;单侧气辅挤出;挤出胀大中图分类号:TQ320.66 文献标识码:B 文章编号:10019278(2023)08005506DOI:10.19491/j.issn.10019278.2023.08.008Study on difference of singleside and doubleside gasassisted techn
3、ology in polymer microtubule coextrusion moldingDENG Xiaozhen,LIU Biao,XIAO Bing,JIANG Shiyu,CHEN Tianrong(School of Mechanical Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)Abstract:The gasassisted technology was applied for the polymer extrusion molding of a hollow doublelayer
4、 microtubule,and the finite element method was used to analyze and study the microtubule coextrusion molding process.Four different coextrusion numerical models were established,which included the traditional microtube coextrusion,gasassisted microtube coextrusion,single inner wall gasassisted micro
5、tube coextrusion,and single outer wall gasassisted microtube coextrusion.The differences in die swell rate,velocity distribution,pressure distribution,and shear rate distribution were studied.The results indicated that the doubleside gasassisted technology effectively improved the extrusion swell,un
6、even velocity distribution,uneven shear rate distribution,excessive pressure drop,and other problems during the hollow doublelayer microtube extrusion process.However,the gasassisted micro coextrusion with a single inner wall cannot resolve the problems caused by the traditional micro coextrusion,an
7、d its extrusion expansion rate was 105.41%.The gasassisted micro coextrusion with a single outer wall can lead to extrusion shrinkage,and there is no improvement effect on the shear rate distribution and pressure drop.Key words:doublelayer microtubule coextrusion molding;gasassisted technology;singl
8、e side gasassisted extrusion;die swell0 前言 聚合物作为一种应用广泛的工程材料,具有许多独特的性质。气体辅助挤出成型技术是聚合物加工的一种新型成型工艺,自2001年英国的Liang1等首次提出并进行了研究后,在本世纪得到了越来越多的应用研究。该技术创新性地将气体注入到挤出口模壁面和熔体之间,使其成为一层稳定的气垫膜层,从而使得原本传统挤出的不完全滑移转变为完全滑移,因此有效减少了挤出过程中过大的压降和应力,改善甚至消除了传统挤出中出现的离模膨胀2、界面不稳定及熔体破裂、“鲨鱼皮”34等现象。随着科学技术的发展,聚合物的应用越来越广泛,不仅共挤技术的应用越
9、来越多,也逐渐向微型化发展58,不乏涉及包括电子、医疗、汽车等领域913,祝志芳14、任重1519、Wan20等对微挤出过程中的各类影响挤出成型的因素进行了探究,包括 加工与应用 收稿日期:20230206江西省自然科学基金面上项目(20202BABL204025);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ190950)第一作者:邓小珍(1977),女,副教授,从事聚合物加成型新技术、新方法研究,P中国塑料管壁厚度、气体压力21、气体流量等,文章中指出适当的气体压力、气体长度、管壁厚度、模型改进等因素的改进和控制,都有助于成型物的品质提高,减少挤出过胀大等问题。但是,随着应用范围的扩展,聚合物需要
10、适应内外不同的物理、化学等方面的要求,如在光电材料和医学材料的应用中,因此内外采用不同的材料是使其能够满足复杂的内外物化要求的较好方法之一,也就是本文所采用的方法。本文建立泛用性较好的空心双层圆管挤出模型,将气辅技术应用于双层圆管微共挤过程,同时横向对比传统微共挤、双侧气辅微共挤、单内腔壁面微共挤、单外腔壁面微共挤4种不同的挤出方式,采用有限元方法研究不同挤出方式所产生的不同成型结果,分析其中的差异性以探究气体辅助技术的优点,同时重点探究单侧气体辅助技术与双侧气体辅助技术的差异性,为后续的聚合物气辅微管共挤成型的应用和推广提供理论指导。1 模型和边界条件设置1.1 几何模型和有限元模型本文研究
11、使用的几何模型如图 1(a)和图 1(b)所示,为中空双层圆柱状微管,内层材料为聚丙烯(PP),外层材料为低密度聚乙烯(PELD),其中 PP 层内径(内腔壁面)、PP层外径(熔体层间界面)、PELD层外径(外腔壁面)分别为 0.5、1、1.5 mm,即为半径差为0.25 mm的同心圆,沿熔体流动方向(Z轴)分为口模内流动区和口模外自由胀大区两部分,这两部分长度分别为5 mm和10 mm。有限元网格划分如图1(c)所示,由于模型为对称结构,因此模型取1/4进行计算,以此节约计算资源。同时因内外表面处、出入口处、内外口相交处等地方熔体流场变化较大,故进行适当的网格划分加密处理以增加计算的精确性。
12、1.2 数学模型根据微流道中聚合物熔体在共挤状态下的流动特点,可进行如下合理假设。聚合物熔体为不可压缩的非牛顿流体;熔体的流动过程始末态温度相等;熔体始终处于稳态层流的流动状态下;忽略熔体重力和惯性力对成型效果所产生的影响;因此,根据上述假设控制方程可以简化如式(1)(连续方程)(2)(动量方程)所示:Vi=0(1)-p+ij=0(2)式中 哈密尔顿算子 Vi熔体的速度分量,m/s p静压力,Pa ij剪切应力,Pa为了表征低剪切速率下聚合物熔体的牛顿行为,Carreau提出了 BirdCarreau模型,是近些年在科学研究和实际工程中应用越来越广泛的聚合物熔体本构模型,其表达式如式(3)所示
13、:=+(0-)1+()2n-12(3)式中 0零剪切黏度,Pas 无穷剪切黏度,Pas 松弛时间,s n非牛顿指数本文研究采用PELD和PP 2种聚合物特性参数,选用 BirdCarreau 模型表征聚合物熔体的黏度变化规律。1.3 材料物性本文所有的模型和研究中的材料均设定内层为PP,外层为 PELD,具体材料的本构模型参数 2223 如表 1所示。在微小尺度下,熔体的流动情况和熔体的流动状况均与在宏观尺寸下的流动状况有一定程度的差别,包括熔体的壁面滑移、黏弹性、流变特性等因素对挤出图1双层圆柱状微管几何模型和有限元模型Fig.1Geometric model of doublelayer
14、cylindrical microtubule and finite element model 56聚合物双层微管单双侧气体辅助微挤出成型差异性研究2023 年 8 月过程的结果影响更加显著24,因此为了研究的准确性本次研究参考的材料模型数据均为微小尺寸下的参数。1.4 边界条件在边界条件的设置中,用vn和vs分别表示边界面的法向速度和切向速度,单位为m/s,用 fn 和 fs 分别表示边界面的法向应力和切向应力,单位为Pa,该有限元模型的具体设置如下:1.4.1 入口面假设入口处熔体为完全发展流,即满足vz/z=0,vx=vy=0。其中,vx,vy,vz分别为熔体在x,y和z方向的流速,单
15、位为m/s。如果想要消除因内外层流速差所带来的影响因素,需要保证内外2层的单位面积上的入口流速近似相等,即内外熔体单位面积流率比约为1/1,因此再根据内外层入口面积之比为3/5,设定外层PELD的流率为QPELD=0.05 mm3/s,内层PP的流率QPP=0.03 mm3/s。1.4.2 壁面在中空圆柱形的模型中,熔体将与2个壁面接触,根据内外位置可将壁面分为内腔壁面和外腔壁面,采用简化的Navier滑移模型描述熔体与壁面存在相对滑移,表达式为fs=Fslip(vwall-vs)|vs-vwall|eslip-1,其中,fs为熔体切向应力,单位为Pa;Fslip为滑移系数,传统微挤出时取 F
16、slip=460 900,气辅微挤出时取 Fslip=0;vwall为壁面切向速度,取零值,单位为m/s;eslip为材料参数,取值参照表1。1.4.3 熔体层间界面2 个熔体之间的层间界面满足动力学条件fs()=fs()和运动学条件vs()=vs()、vn=0,其中和分别表示外层和内层熔体。1.4.4 自由胀大表面自由胀大表面满足条件为fn=0、fs=0、vn=0。1.4.5 对称面对称面满足边界条件为fs=0、vn=0。1.4.6 自由胀大末端自由胀大末端满足条件为fn=0、fs=0。2 结果与讨论 本文主要研究不同气辅形式对中空双层微型圆管挤出结果的影响,共进行了4种不同的挤出形式,分别
17、为传统微共挤、气辅微共挤、单内腔壁面气辅微共挤和单外腔壁面气辅微共挤。其中,气辅微共挤的挤出状态为双侧均使用气体辅助技术;单内腔壁面气辅微共挤的挤出状态为内侧PP层使用气辅技术,而外层PELD层为传统挤出状态;单外腔壁面气辅微共挤设置的条件与之相反,为内侧PP层为传统挤出状态,外层PELD层使用气辅技术。2.1 挤出胀大状态分析将原本1/4的模型还原成完整的圆柱形,并且选取具有代表性的熔体总体的中间层,即2种熔体的层间界面,可以明显看出4种不同挤出方式产生的挤出结果,如图2所示。对比图2(a)和(b)可以得知,即使是在微小尺寸下的共挤过程中,气辅技术依旧能够很好地消除离模膨胀现象,在内外侧同时
18、都有气辅的状态下,自由胀大区域的熔体依旧保持了和管内一致的较为稳定的流动状态。胀大率(B,%)是衡量熔体挤出胀大现象的重要数据,根据式(4)可以算得出:B=S-S0S0100%(4)式中 S熔体自由胀大末端横截面积,mm2 S0共挤口模横截面积,mm2根据测量和计算可以得出,传统微共挤和气辅微共挤的挤出胀大率分别为90.80%和零,即气辅挤出过程中内外层熔体均无明显挤出胀大现象,从挤出胀大率同样能体现出气辅技术在微挤出过程中对挤出结果良好的改善作用。图2不同挤出方式下的挤出结果Fig.2Extrusion results from different extrusion modes表1 熔体参
19、数及BirdCarreau模型参数Tab.1 Melt parameters and BirdCarreau model parameters材料PPPELD无穷剪切黏度/Pas99.62 010.6零切黏度/Pas00松弛时间/s0.003 20.364 0非牛顿指数0.329 20.060 3材料参数0.579 70.925 0 57中国塑料从图2(c)和(d)中可以看出,单内腔壁面气辅并不能有效消除离模膨胀现象,即使内层的气辅条件使得内壁的挤出条件转变为理想的滑移状态,但是外层的熔体依旧出现了挤出胀大现象并且使得整体在离开口模的自由胀大区域都出现了离模膨胀现象,通过计算其挤出胀大率为10
20、5.41%;而单外腔壁面气辅微共挤状况下,外壁面的气辅使得其拥有良好的流动状态,即使内层对外层带来了强烈的干扰,出模后依旧没有出现胀大现象,足以证明气辅技术对传统流动具有相当良好的改善作用。然而,在单外腔壁面气辅的状态下,内侧的熔体本身出现了收缩现象。图3为在单外腔壁面气辅的挤出状态下,口模出口处沿z轴的切面图,图中红色线条为内腔壁面上的中线,黑色线条为口模出口处,出口处左侧为口模内流动区,右侧为口模外自由胀大区。可以很明显看出图中内侧熔体PELD在离开口模后出现收缩现象,并且由于其对整体的影响导致整体流动状态的压力、剪切力等参数也并不算优秀。同时在任重25的研究中表明,在一定的流动条件和参数
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- 聚合物 双层 微管 单双侧 气体 辅助 挤出 成型 差异性 研究
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