聚合物擠出口模設(shè)計(jì)的數(shù)值研究進(jìn)展

陳晉南,彭 濤

(北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,北京100081)

0 前言

進(jìn)入21世紀(jì)后,聚合物成型工藝迅速發(fā)展,高效率、自動(dòng)化、高精度成為擠出口模設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向,口模設(shè)計(jì)制造水平直接影響著聚合物制品品質(zhì)。在聚合物擠出口模擠出成型過(guò)程中,要保證聚合物在口模內(nèi)流速足夠高,產(chǎn)生的推力足夠克服壁面和熔體流動(dòng)的阻力,使聚合物熔體滑移向前運(yùn)動(dòng)離開(kāi)口模,否則口模內(nèi)黏附在壁面的聚合物將過(guò)塑變性,影響制品品質(zhì)。在口模內(nèi)聚合物流速又不能太高,否則制品受到的預(yù)應(yīng)力太大,導(dǎo)致制品離模變形大,也影響制品品質(zhì)。因此,擠出口模擠出的聚合物制品品質(zhì)與口模結(jié)構(gòu)、工藝條件、壁面條件和聚合物性質(zhì)密切相關(guān)。研究擠出口模擠出機(jī)理對(duì)提高我國(guó)聚合物制品品質(zhì),進(jìn)而提高行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,在計(jì)算工作平臺(tái)上使用計(jì)算流體軟件,根據(jù)制品截面尺寸反向擠出數(shù)字設(shè)計(jì)口模結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬聚合物擠出口模擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算口模內(nèi)熔體的流場(chǎng)和聚合物的離模變形,將數(shù)值計(jì)算與理論和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合,優(yōu)化擠出口模結(jié)構(gòu)和工藝條件,縮短了擠出口模的研發(fā)周期,提高了擠出口模品質(zhì)。本文綜述了近10年來(lái)數(shù)值研究聚合物擠出口模的進(jìn)展。

1 壁面無(wú)滑移條件下數(shù)值研究聚合物擠出口模

由于難以準(zhǔn)確測(cè)量壁面粗糙度和聚合物的滑移速度,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,早期數(shù)值研究聚合物的螺桿擠出過(guò)程,一般均假設(shè)壁面無(wú)滑移。在壁面無(wú)滑移的條件下,數(shù)值模擬了低密度聚乙烯(PE-LD)和高密度聚乙烯(PE-HD)、硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC-R)、聚丙烯(PP)、丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯乙烯(PS)和橡膠等聚合物熔體擠出口模擠出過(guò)程,優(yōu)化設(shè)計(jì)了環(huán)形、圓形、矩形、狹縫型、衣架型、十字形等管材、棒材、板材、異型材擠出口模。下面分別介紹壁面無(wú)滑移條件下,數(shù)值研究聚合物管材、棒材、板材和異型材擠出口模的進(jìn)展。

傳統(tǒng)的管材擠出口模(如支架型口模和籃式口模)內(nèi)存在滯流區(qū),易導(dǎo)致擠出管材的熔融結(jié)縫現(xiàn)象。Huang等[1]使用 FIDAP軟件數(shù)值模擬了 PE-LLD管材口模擠出過(guò)程。為避免出現(xiàn)熔融結(jié)縫現(xiàn)象,數(shù)字改進(jìn)設(shè)計(jì)了支架型口模。研究表明,改進(jìn)的支架型口模性能和制品的表面狀況均優(yōu)于傳統(tǒng)的支架型和籃式口模。李宏生等[2]使用Matlab軟件數(shù)值模擬了 PVC-R熔體管材擠出過(guò)程,分析了管材擠出的偏中現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)整口模與芯棒的間隙優(yōu)化了口模的結(jié)構(gòu),獲得了厚度均勻和幾何形狀規(guī)則的制品。謝興陽(yáng)等[3]使用Polyflow軟件數(shù)值模擬了PP熔體管材口模擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算了不同環(huán)形口模流道內(nèi)PP熔體的壓力場(chǎng)、黏度場(chǎng)和剪切應(yīng)力場(chǎng)。研究表明,口模與模芯間隙為4 mm時(shí),環(huán)形口模流道入口處的熔體壓力已小于臨界壓力,容易導(dǎo)致PP熔體提前發(fā)泡?？谀ｉg隙降為2 mm時(shí),發(fā)泡點(diǎn)往后移到流道中間位置,能獲得理想的制品。

為提高聚合物棒材品質(zhì),減小擠出口模擠出棒材制品的離模變形,趙良知等[4]數(shù)值模擬了聚合物熔體棒材口模擠出過(guò)程,分析了口模長(zhǎng)徑比(L/D)對(duì)聚合物熔體離模膨脹的影響。研究表明,隨著口模L/D的增大,聚合物的離模膨脹比減小。當(dāng)L/D增大,入口效應(yīng)引起的熔體彈性形變?cè)诳谀Ｆ街倍蔚玫交謴?fù),熔體的剪切流動(dòng)引起熔體彈性形變較弱,熔體離模膨脹較小。呂靜等[5]使用Polyflow軟件數(shù)值模擬了2種聚合物熔體的共擠出過(guò)程,討論了2種熔體的流率比和牽引速度對(duì)共擠出熔體的流場(chǎng)、界面位置和離模膨脹比的影響。研究表明,隨著流率比的增大,2種熔體的壁面平均剪切黏度比增加,流動(dòng)性差異增加,界面位置向流率小的一側(cè)偏移,偏移量也增加。牽引速度對(duì)口模流道內(nèi)熔體速度場(chǎng)影響不大,隨著牽引速度的增加,沿?cái)D出方向2種熔體的界面平直段長(zhǎng)度增加,離模膨脹比減小。但是,制品牽引速度不能太大,否則易導(dǎo)致擠出制品表面品質(zhì)下降。周秀民等[6]采用黏彈性本構(gòu)方程數(shù)值模擬了聚合物矩形口模擠出過(guò)程,指出機(jī)頭壓力、口模結(jié)構(gòu)和聚合物的松弛時(shí)間,較大地影響了聚合物熔體的應(yīng)力。由于壓力變化,在離口模入口處相當(dāng)長(zhǎng)的一段范圍內(nèi)聚合物應(yīng)力波動(dòng),到口模平直段某一臨界長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)力衰減結(jié)束。不同性能聚合物的松弛時(shí)間不同,應(yīng)力衰減的快慢也不同,松弛時(shí)間短的聚合物應(yīng)力在口模內(nèi)很快衰減至平穩(wěn)。因此,口模平直段的長(zhǎng)度必須大于某個(gè)臨界長(zhǎng)度值才能保證聚合物口模擠出的穩(wěn)定性。秦貞明等[7]使用Polyflow軟件數(shù)值模擬了聚合物異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿棒材擠出過(guò)程,分析了轉(zhuǎn)速對(duì)擠出口模過(guò)渡段和穩(wěn)流段聚合物熔體等溫流場(chǎng)的影響。研究表明,在口模過(guò)渡段和穩(wěn)流段內(nèi),螺桿轉(zhuǎn)速是影響聚合物熔體流變性能的最大因素,在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,熔體流速、剪切速率增大,熔體黏度降低,有利于擠出成型。肖建華等[8]使用Polyflow軟件數(shù)字設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)過(guò)渡段的口模,數(shù)值模擬了聚合物熔體棒材口模擠出過(guò)程,分析了口模過(guò)渡段結(jié)構(gòu)對(duì)熔體流場(chǎng)的影響。研究表明,過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)明顯影響口模擠出的壓力,在圓滑過(guò)渡的流線型口模內(nèi)熔體受到的阻力小,擠出壓力最低。隨著口模長(zhǎng)度的增加,擠出的熔體離模膨脹比先增大后降低到趨于穩(wěn)定;隨著流量的增大,離模膨脹比增大。胡敏等[9]數(shù)值模擬了PVC-R雙螺桿扁口、圓口和多孔口模擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算了各種截面流道內(nèi)熔體的流場(chǎng),用口模平衡系數(shù)評(píng)價(jià)了口模出口熔體速度均勻性。研究表明,不考慮聚合物離模膨脹,扁口口模出口流速的梯度小于圓口口模。圓口三角排列多孔口口模出口邊界上PVC-R熔體的口模平衡系數(shù)小,出口速度均勻性高于圓口一字排列多孔口模。

為獲得幾何形狀規(guī)則、厚度均勻的板材制品,張先明等[10]使用Matlab軟件數(shù)字改進(jìn)設(shè)計(jì)了啞鈴型口模,數(shù)值模擬了PP熔體狹縫口模擠出過(guò)程,比較分析了原狹縫口模和改進(jìn)的啞鈴形口模內(nèi)熔體的速度場(chǎng)。研究表明,在改進(jìn)的啞鈴形口模內(nèi),PP熔體流場(chǎng)梯度減小。通過(guò)預(yù)測(cè)口模截面上熔體的速度分布來(lái)調(diào)整口模的結(jié)構(gòu),最終能獲得滿足品質(zhì)要求的制品。Lebaal等[11]用Rem3D軟件數(shù)值模擬了ABS樹(shù)脂板材擠出過(guò)程,用控制口模出口的最大許用壓差來(lái)控制出口壓力。研究了口模流道入口寬度、高度和擴(kuò)張段寬度等3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠出過(guò)程的影響。研究表明,口模流道的入口寬度、擴(kuò)張段寬度對(duì)出口壓差的影響較小,而口模入口高度值越小,對(duì)出口壓差影響越大。當(dāng)口模結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為96.6、25.47、76.15 mm時(shí),出口壓力為入口的50%,降壓能力提高了52%。當(dāng)3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為103.08、31.4、72.74 mm時(shí),出口壓力僅為入口的35%,降壓能力提高了62%。Choudhary等[12]實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同溫度下PS的黏度隨剪切速率的變化,建立了非等溫本構(gòu)模型,使用 Polyflow數(shù)值模擬了 PS熔體板材擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算了流道方形和圓形入口截面的衣架型口模流道內(nèi)PS的流場(chǎng),討論了口模結(jié)構(gòu)對(duì)熔體速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。研究表明,流道入口為圓形的衣架型口模與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

由于異型材截面形狀不規(guī)則,口模結(jié)構(gòu)和熔體流場(chǎng)的關(guān)系比較復(fù)雜,許多文獻(xiàn)數(shù)值模擬研究了聚合物異型材擠出過(guò)程。Carneiro等[13]根據(jù)流率平衡原則數(shù)字設(shè)計(jì)口模結(jié)構(gòu),在計(jì)算平臺(tái)上正向擠出數(shù)值模擬了十字形口模內(nèi)PP均聚物的擠出過(guò)程。研究表明,最佳的口模結(jié)構(gòu)是平直段長(zhǎng)度和出口高度之比為1,壓縮角為30°。彭炯等[14]使用 Polyflow軟件,反向擠出數(shù)字設(shè)計(jì)了十字形和矩形口模,數(shù)值研究了2種模具擠出聚合物的離模膨脹現(xiàn)象,計(jì)算了聚合物的離模膨脹比。劉斌等[15]用有限元法數(shù)值模擬了聚合物熔體型材擠出過(guò)程,分析了口模壓縮段結(jié)構(gòu)對(duì)擠出過(guò)程的影響。研究表明,壓縮段結(jié)構(gòu)影響流道內(nèi)熔體的流場(chǎng)。壓縮角為16°～24°時(shí),壓縮角增大,熔體流速下降明顯;壓縮角為25°～36°時(shí),熔體流速下降不明顯。壓縮角一定時(shí),壓縮比增大,流道面積增大,在流道總長(zhǎng)度一定時(shí),平直段長(zhǎng)度減小,流動(dòng)阻力減小,熔體流速增加。因此,在保證產(chǎn)品擠出所需的壓差下,截面簡(jiǎn)單、厚度均勻的異型材口模的壓縮比較小,反之壓縮比較大。朱敏等[16]使用Polyflow軟件數(shù)值模擬了橡膠熔體的異型材擠出過(guò)程。分析了口模直流道與非直流道對(duì)熔體流場(chǎng)的影響。研究表明,對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的異型材,可采用直流道口模,邊界條件的某些簡(jiǎn)化對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差的影響不大。但是,對(duì)于形狀復(fù)雜的異型材,不宜采用直流道結(jié)構(gòu)的口模,非直流道口模的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際尺寸相對(duì)誤差小。柳和生等[17]數(shù)值模擬了PE-HD熔體L異型材擠出過(guò)程。研究表明,口模過(guò)渡段結(jié)構(gòu)影響了穩(wěn)流段和成型段熔體的流動(dòng)狀態(tài),過(guò)渡段熔體高分子鏈段產(chǎn)生了拉伸取向,需要一定的成型段長(zhǎng)度使其得到充分松弛,否則異型材制品中可能存在較大的殘余應(yīng)力,導(dǎo)致擠出制品品質(zhì)降低。吳曉等[18]使用Ansys軟件數(shù)值模擬了L形口模入口處受周期性振動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)的聚合物擠出過(guò)程。研究表明,由于振動(dòng)場(chǎng)的引入,熔體流場(chǎng)具有明顯的振動(dòng)特性,入口處低頻高幅振動(dòng)的壓力能提高熔體流場(chǎng)的振幅。熔體速度場(chǎng)振幅的衰減比壓力場(chǎng)慢。因此,口模的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)以口模出口處速度場(chǎng)振幅值的衰減為依據(jù)。麻向軍等[19]數(shù)值模擬了PE-LD異型材擠出過(guò)程,以口模出口處PE-LD熔體速度梯度最小為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化設(shè)計(jì)了該異型材口模的壓縮段結(jié)構(gòu)。研究表明,改進(jìn)后口模出口處熔體的速度梯度明顯減小,其口模平衡系數(shù)比原口模降低了59.6%。陳晉南等[20]使用 Polyflow軟件反向擠出數(shù)字設(shè)計(jì)了汽車密封件口模,數(shù)值模擬了橡膠熔體異型材擠出過(guò)程,討論了溫度對(duì)口模流道內(nèi)橡膠熔體流變行為的影響。研究表明,非等溫的數(shù)值模擬更接近口模擠出的實(shí)際情況。沿熔體流動(dòng)的方向,非等溫熔體的平均速度和平均壓力比等溫的大,平均剪切應(yīng)力和平均黏度均低于等溫的。非等溫條件下數(shù)字設(shè)計(jì)的口模尺寸與實(shí)際產(chǎn)品截面相比較,相對(duì)誤差僅為1.63%。

綜上所述,在壁面無(wú)滑移條件下,數(shù)值研究聚合物擠出口模擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算聚合物熔體流場(chǎng),分析口模結(jié)構(gòu)與聚合物物性、加工工藝條件間的關(guān)系,與傳統(tǒng)試湊方法相比,在一定程度上縮短了口模的研發(fā)周期,降低了成本,提高了口模設(shè)計(jì)品質(zhì)。但是,在擠出口模擠出成型聚合物制品時(shí),在口模壁面聚合物必然發(fā)生滑移現(xiàn)象。由于聚合物復(fù)雜的流變特性,制品離開(kāi)口模后膨脹變形。因此,有必要深入研究聚合物熔體壁面滑移行為,探討壁面滑移和聚合物離模膨脹的關(guān)系。

2 壁面滑移條件下數(shù)值研究聚合物擠出口模

壁面滑移[21]也稱為邊界滑移,是指固體表面上的聚合物熔體與固體表面之間存在的相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)。擠出口模擠出聚合物時(shí),在壁面滑移的條件下聚合物全部擠出,不存在絕對(duì)的壁面無(wú)滑移條件。從材料力學(xué)角度看,聚合物熔體不可能承受無(wú)限大的剪切應(yīng)力,聚合物擠出口模擠出過(guò)程的壁面滑移條件與聚合物的物性、口模壁面條件和擠出速度等密切相關(guān)。目前,主要有3種不同的理論解釋聚合物熔體的壁面滑移行為:第一種認(rèn)為,壁面滑移發(fā)生靠近壁面熔體的低黏潤(rùn)滑層,主要是口模流道壁面的微觀粗糙度影響了流動(dòng)中相互纏結(jié)的大分子團(tuán)的運(yùn)行,即壁面滑移的纏結(jié) -解纏機(jī)理;另一種則認(rèn)為,壁面滑移發(fā)生在口模壁面上,在壁面處熔體的剪切應(yīng)力超過(guò)某一臨界剪切應(yīng)力時(shí)熔體就會(huì)產(chǎn)生滑移,即滑移的吸附-解吸附機(jī)理;還有一種理論認(rèn)為,熔體的壁面滑移行為存在上述2種現(xiàn)象,用2種滑移機(jī)理解釋聚合物熔體壁面滑移行為。下面介紹實(shí)驗(yàn)研究聚合物流變行為和數(shù)值研究聚合物擠出口模的進(jìn)展。

熔體的壁面滑移行為與熔體本身的黏彈性和所受的壁面剪切應(yīng)力有關(guān),即與聚合物的物性和壁面條件有關(guān)。Tchesnokov等[22]研究了聚合物流動(dòng)邊界層內(nèi)熔體微團(tuán)的動(dòng)態(tài)行為,建立了描述邊界層內(nèi)熔體微團(tuán)的附著 -脫附模型,用矢量分布概率函數(shù)(BVPDF)描述不同流量的流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng),數(shù)值計(jì)算了邊界層的厚度。研究表明,邊界層厚度、壁面剪切應(yīng)力等參數(shù)可視作BVPDF的二階矩。隨著流量增加,邊界層厚度減小。壁面剪切應(yīng)力是剪切速率的非單調(diào)函數(shù),在口模壁面的熔體微團(tuán)附著和脫附競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制達(dá)到平衡時(shí),剪切速率有最大值。王克儉等[23]提出了Z-W滑移模型,即界面分子鏈與壁面處于動(dòng)態(tài)吸附 -解吸過(guò)程,界面分子團(tuán)和本體分子團(tuán)間處于動(dòng)態(tài)的解纏-重新纏結(jié)的過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn),解釋了毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)中熔體流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象,解釋了小應(yīng)變振幅的聚合物剪切流的線性流變行為和大振幅的聚合物流動(dòng)中的非線性行為。

在許多流變學(xué)測(cè)試中,一般將臨界剪切應(yīng)力作為發(fā)生壁面滑移的判據(jù),不同聚合物發(fā)生壁面滑移的臨界剪切應(yīng)力值不同。實(shí)驗(yàn)條件不同,同一種聚合物壁面滑移行為也不同。吳舜英等[24]理論分析了聚合物熔體擠出時(shí)的壁面滑移機(jī)理,建立了壁面滑移的數(shù)學(xué)模型,確定了聚合物發(fā)生界面和本體滑移的2種臨界剪切應(yīng)力的表達(dá)式,實(shí)驗(yàn)測(cè)定了 PE-HD、PE-LD、PP和PS的臨界剪切應(yīng)力值,驗(yàn)證了其合理性。用臨界剪切應(yīng)力式分別求解了發(fā)生界面滑移和本體滑移的速度表達(dá)式,但是沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其合理性。廖華勇等[25]用平行板流變儀研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基乙烯基硅氧烷(PMVS)、PE-HD和 PP熔體的壁面滑移現(xiàn)象,無(wú)振幅穩(wěn)態(tài)剪切流實(shí)驗(yàn)表明,PDMS、PMVS很易發(fā)生壁面滑移,不存在臨界剪切應(yīng)力值。大振幅動(dòng)態(tài)剪切流實(shí)驗(yàn)表明,4種聚合物熔體發(fā)生滑移時(shí),熔體的最大彈性應(yīng)力和線性黏彈性區(qū)復(fù)數(shù)模量的比值均在0.26～0.49范圍內(nèi),隨著角頻率的增加而緩慢降低。因此,熔體壁面滑移行為與應(yīng)變、角頻率、作用時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。Yao等[26]數(shù)值模擬了 PP熔體的毛細(xì)管擠出過(guò)程,理論分析了微通道中聚合物熔體的流動(dòng)行為。研究表明,在壁面滑移條件下,熔體擠出的壓力降比無(wú)滑移條件增加了20%～30%,更有利于熔體的充模流動(dòng)。Georgios等[27]用 PP熔體流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)值擬合得到了壁面剪切應(yīng)力與滑移速度之間的非單調(diào)函數(shù)模型。用該模型數(shù)值研究了可壓縮泊謖葉流體毛細(xì)管非穩(wěn)態(tài)擠出過(guò)程。研究表明,在出口處的自由表面上,流體出現(xiàn)高頻率、小振幅、放射狀的波動(dòng)。隨著雷諾數(shù)降低,波長(zhǎng)和振幅沿著輻射方向減小。Taliadorou等[28]數(shù)值模擬了長(zhǎng)度不同的毛細(xì)管內(nèi)可壓縮流體的非穩(wěn)態(tài)擠出過(guò)程。研究表明,隨著毛細(xì)管長(zhǎng)度減小,出口處熔體壓差和流速的振蕩頻率增大,振幅逐漸減小至曲線趨于平穩(wěn)。但是,振蕩波長(zhǎng)與毛細(xì)管長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。隨著入口流量增大,壓差振蕩周期先急劇降低至最小,然后緩慢升高至趨于平穩(wěn)。熔體發(fā)生壁面滑移的臨界剪切應(yīng)力為0.34 MPa,毛細(xì)管長(zhǎng)度不影響熔體的臨界剪切應(yīng)力值。徐斌等[29]修正了 Hatzikiriakos模型滑移系數(shù)用修正前和修正后的壁面滑移系數(shù),數(shù)值模擬了0.5 mm直徑微通道內(nèi)PP熔體的流動(dòng),數(shù)值計(jì)算了微通道中熔體的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),分析了微通道尺度效應(yīng)對(duì)壁面滑移的影響。與實(shí)驗(yàn)值比較得出,用修正滑移系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況。

模具流道內(nèi)熔體的壁面滑移行為顯著影響熔體流場(chǎng)。Ngamaramvarangul[30]研究了線纜包覆的短口模、長(zhǎng)口模和管狀口模,數(shù)值計(jì)算了3種口模內(nèi)熔體的流場(chǎng),研究了壁面滑移對(duì)熔體流場(chǎng)和離模膨脹的影響。研究表明,壁面滑移減少了長(zhǎng)口模出口制品應(yīng)力的奇異性,降低了管狀口模內(nèi)熔體應(yīng)力的峰值,管狀口模的離模膨脹比最小,考慮壁面滑移數(shù)值研究結(jié)果更接近實(shí)際的擠出過(guò)程。Ghoreishy等[31]用有限元法改進(jìn)了廣義的Navier滑移模型,數(shù)值模擬了圓形口模內(nèi)丁烯-丙烯腈共聚物熔體的等溫流動(dòng)。研究表明,考慮壁面滑移數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Rulande等[32]分析了口模壁面不確定因素對(duì)聚合物口模擠出過(guò)程的影響,在壁面滑移條件下,數(shù)值模擬了PE-LLD口模擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算了口模出口處熔體的拉伸應(yīng)力場(chǎng)。研究表明,在臨界拉伸應(yīng)力下PE-LLD熔體局部開(kāi)始破裂。為防止制品表面裂紋擴(kuò)展,設(shè)計(jì)口模時(shí)應(yīng)保證擠出聚合物的拉伸應(yīng)力在其臨界應(yīng)力值以下。在不同壁面滑移條件下,Mitsoulisa等[33]數(shù)值計(jì)算了擠出口模內(nèi)可壓縮聚四氟乙烯熔體流場(chǎng),定義了一系列無(wú)量綱參數(shù)來(lái)分析壁面滑移對(duì)聚合物熔體流場(chǎng)的影響。定義聚合物的可壓縮系數(shù)B(0＜B＜0.01)為可壓縮指數(shù)β乘以熔體的壓力和應(yīng)力的比值,物性參數(shù)ξ(0＜ξ＜1)為黏性聚合物中纖維組織的百分比,壁面滑移系數(shù)βsl(1.2＜βsl＜2.6)為壁面滑移系數(shù)βsl和平均流速的比值乘以熔體的壓力和應(yīng)力的比值,流動(dòng)形態(tài)參數(shù)ψ(-1＜ψ＜1)為應(yīng)變速率張量的模和渦流張量的模兩者之差比兩者之和。研究表明,聚合物不可壓縮B=0時(shí),壁面滑移條件下口模內(nèi)聚合物的ξ、ψ明顯減小;βsl=1.44時(shí),聚合物可壓縮性對(duì)ψ的影響不明顯。但是,B=0.006與B=0相比,出口壓差提高了20%,模具壁面處ξ增加了0.3。當(dāng)聚合物可壓縮系數(shù)B=0.006和壁面滑移系數(shù)βsl=2.55,隨著口模壓縮角增大,中心處ξ值達(dá)到最大值的位置與無(wú)滑移相比離入口較遠(yuǎn),而壁面處ξ小于1。隨著口模長(zhǎng)度增加,壁面處ξ也增大,但是ξ小于1。

另外,口模流道內(nèi)熔體壁面滑移影響聚合物熔體的離模膨脹行為。呂靜等[34]使用Polyflow軟件數(shù)值模擬了2種熔體共擠出過(guò)程,數(shù)值計(jì)算了熔體二維等溫流場(chǎng),研究了壁面滑移對(duì)共擠出過(guò)程、界面位置和離模膨脹的影響。研究表明,口模兩側(cè)壁面滑移不同時(shí),滑移速度大的一側(cè)熔體流動(dòng)性好,滑移速度小的一側(cè)熔體流動(dòng)性差?；扑俣炔顒e越大,2種熔體分界面的位置變化越顯著,界面偏向滑移速度小的一側(cè)熔體。滑移速度大的一側(cè)熔體離模膨脹現(xiàn)象顯著。因此,在聚合物口模共擠出過(guò)程中,可以通過(guò)提高口模壁面光滑度來(lái)改變2種熔體界面位置的變化,改善離模膨脹情況,提高產(chǎn)品品質(zhì)。壁面滑移條件下數(shù)值模擬得到的結(jié)果比無(wú)滑移條件更接近實(shí)際情況,得到了廣泛驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

聚合物的流變性、口模結(jié)構(gòu)和壁面條件等均影響口模內(nèi)熔體的流動(dòng),工藝條件和邊界條件的準(zhǔn)確程度直接影響數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,早期數(shù)值模擬研究聚合物擠出口模的擠出過(guò)程,一般均假設(shè)壁面無(wú)滑移。在壁面無(wú)滑移的條件下,數(shù)值模擬了 PE、PVC-R、PP、ABS、PS和橡膠等聚合物熔體擠出口模擠出過(guò)程,優(yōu)化設(shè)計(jì)了環(huán)形、圓形、狹縫形、衣架形、十字形等管材、棒材、板材和異型材擠出口模。但是,在擠出口模擠出成型聚合物制品時(shí),在口模壁面聚合物必然發(fā)生滑移現(xiàn)象。由于聚合物復(fù)雜的流變性能,制品存在離模膨脹現(xiàn)象。

近年來(lái),在壁面滑移條件下的數(shù)值研究表明,改善壁面條件有助于減小聚合物制品的離模膨脹,有利于提高制品品質(zhì)。但是,目前聚合物熔體的壁面滑移機(jī)理的研究仍不夠充分。因此,為了提高擠出口模設(shè)計(jì)水平和聚合物擠出制品品質(zhì),在壁面滑移條件下,研究壁面滑移條件和工藝條件對(duì)口模內(nèi)流道內(nèi)熔體流場(chǎng)的影響,深入研究制品的離模膨脹行為十分必要。

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