黏弹流体挤出胀大行为的研究进展

介绍了聚合物挤出胀大的理论机理及数值模拟,并综述了最近几年黏弹流体挤出胀大行为的研究进展。最后指出目前存在的一些问题,并展望发展前景。     

熔体层厚对聚合物共挤出胀大的影响

基于流变学理论和Phan-Thien-Tanne本构方程,建立了三维等温黏弹共挤成型流动过程的数值模型。运用有限元方法对数值模型进行了模拟计算,研究了熔体层厚对共挤成型的影响,分析了熔体层厚对挤出胀大率、偏转变形及界面形貌的影响。结果表明:熔体层厚对挤出胀大率和界面形貌的影响较大,随着熔体层厚的增加,挤出胀大率减小;随着共挤出熔体层厚差值的增大,界面形状趋于不稳定;熔体离开口模后产生低黏度熔体向高黏度熔体一侧偏转变形,但变形程度受熔体层厚的影响不大。     

塑料熔体三维流动的数值模拟

塑料熔体是具有记忆性的非线性黏弹性流体，为了准确分析板材挤出模具中熔体的流动，采用了积分型本构方程描述熔体的流变行为，同时给出熔体在狭缝流道中的控制方程。根据控制方程的特殊性，提出了把有限元半解析法应用于求解黏弹性流体流动问题这一思想，从而建立了有限单元体法，同时给出求解非线性有限元方程组的迭代方法，并采用以上方法对熔体在狭缝流道中的流动进行求解分析，将结果与三维有限元解法的结果相比较，证明结果是精确的，表明采用上述方法模拟熔体在狭缝中的流动是简便可行的。     

气辅对L形异型材包覆共挤胀大影响的数值模拟

采用PTT本构方程,运用有限元方法对低密度聚乙烯/高密度聚乙烯（PE-LD/PE-HD）熔体的包覆共挤过程进行了三维等温黏弹数值模拟。对比分析了2种熔体在传统和气辅包覆共挤过程中挤出胀大及在不同条件下气辅包覆共挤熔体的挤出胀大。结果表明,气辅包覆共挤过程中,当芯层与壳层熔体的单位体积流率相等时,整体、芯层及壳层胀大率不随松弛时间的增加而变化,一直保持为零,而当芯层与壳层熔体的单位体积流率不等时,单位体积流率较大的熔体表现为挤出胀大,较小的表现为挤出收缩。     

低密度聚乙烯熔体毛细管挤出的数值模拟

借助2种微分型黏弹性本构模型DCPP模型和S-MDCPP模型来描述支化高分子熔体的复杂流变行为,并采用离散的弹性黏性应力分裂方法（DEVSS）/迎风流线方法（SU）解决黏弹性流体流动过程中的对流占优问题以及缺少椭圆算子的问题,进而用基于有限增量微积分（FIC）方法的压力稳定型分步算法求解质量守恒方程、动量守恒方程,对低密度聚乙烯（PE-LD）熔体在毛细管中的流动情况以及挤出胀大过程进行模拟,并把模拟结果和实验结果进行比较。结果表明,在低剪切速率时,模型预测的挤出胀大比和壁面剪切应力与实验结果比较接近;2种模型预测的速度、应力以及主链拉伸的吻合程度较好,说明2种模型均能较好地预测PE?LD熔体在毛细管中的复杂流变行为;同时表明计算S-MDCPP模型时所采用的算法是可靠的。     

圆管气辅挤出中挤出胀大模拟研究

针对圆管型气辅挤出工艺,建立模拟分析几何模型,选用PTT黏弹性本构方程,采用Polyflow有限元仿真软件模拟研究不同挤出流量、管径、壁厚及气辅段长度时挤出制品的挤出胀大。结果表明,传统挤出时挤出胀大比随挤出流量的增加而大幅增大,气辅挤出时挤出胀大比随其提高而增长甚微,其值始终接近1,可忽略不计;气辅挤出时挤出胀大比随管径增大而微弱增加,随壁厚增大而微弱减小,且都可得到基本消除;挤出胀大随气辅段长度增长而减小,最终趋于1。     

Y型异型材气辅共挤出胀大的三维等温数值模拟

采用Phan-Thien-Tanner本构方程,建立Y型包覆挤出模型,通过有限元数值模拟聚苯乙烯、聚丙烯的三维等温高黏弹流动过程,对比不同进料组合条件下流体在传统和气辅流动中的速率场、剪切速率分布。结果表明:传统共挤出受不同进料方式的影响,挤出物胀大主要由其各向速率场量分布不匀造成,而气辅共挤出的挤出物胀大不受其影响,且胀大均基本得到消除;气辅共挤出时,其x轴、y轴方向的速率均几乎为零,没有二次流动,且z轴向的速率稳定,说明气辅共挤出能消除挤出物膨胀现象。     

聚合物流体入口自然收敛半角和涡流长度比方程的建立和初步验证

入口收敛流动是聚合物流体黏弹特性的重要表现,流体入口自然收敛半角和涡流长度比是表征入口收敛流动的重要参数。对已提出的基于等效思想和最小能原理推导的在圆形流道的入口收敛流动方程进一步分析,引入黏度因子,提出了流体的入口自然收敛半角和涡流长度比的方程。结果表明,基于推导的方程对流体入口自然收敛半角和涡流长度比的预测与实验数据相符。随着Bagley校正因子的增加,流体入口自然收敛半角减小,涡流长度比增加。随着流道收缩比的增加,流体入口自然收敛半角先增大,然后几乎保持不变,而涡流长度比随着流道收缩比的增加而减小。     

T型口模气辅段长度对挤出胀大的影响

用流体有限元分析软件Polyfl ow对T型口模挤出模型进行模拟,研究了口模内熔体的速度场和压力场,并结合熔体的速度场、压力场,着重分析了气辅段长度对挤出胀大的影响。研究发现,在气辅挤出的气辅段中,熔体的流动速度基本趋于一致;气辅挤出口模内熔体的最大压力远小于普通挤出,熔体内应力更小;当气辅段长度为10~30 mm时,挤出胀大比随气辅段长度的增加大幅度减小,当气辅段长度超过30 mm时,挤出胀大比随气辅段长度增加变化微小且逐渐趋于1。设计口模时,应根据需要设定合理的气辅段长度。     

干喷湿纺制备中空纤维膜的喷丝头结构优化模拟

在干喷湿纺法制备中空纤维膜的过程中,喷丝头作为关键的纺丝组件之一,其尺寸及内部几何形状对于聚合物分子链的取向和最终的膜形态有着重要影响,通过优化喷丝头结构有助于提高膜丝可纺性和产品质量。采用数值模拟的方法,建立三维喷丝头溶液流道模型,探讨了环隙直管长度、环隙间距、锥形流动角等流道结构参数对溶液在喷丝头内的剪切流动、出口挤出胀大以及气隙中拉伸流动的影响。模拟结果表明：纺丝液流经喷丝成型孔入口处的压力及压力降随着直管长度增加而增大,随环隙间距、锥形流动角的增大而减小,且环管流道越长,越有助于溶液流动充分发展;相比于直管长度,环隙间距和锥形流动角对溶液的挤出胀大行为影响更显著,随着环隙间距和锥形流动角的增大,挤出胀大现象减弱。直管长度和锥形流动角对气隙中的初生纤维外径分布影响不明显。增大直管长度和环隙间距、采用锥形环管,有利于增加膜丝取向度和强度、提高纺程中的流动稳定性。模拟优化得到的喷丝头结构为直管长度1.1 mm,环隙间距0.11 mm (即长隙比为10左右),锥形流动角大于30°。     

用毛细管流变仪研究发泡聚丙烯(PP)挤出胀大行为

利用毛细管流变仪研究发泡聚丙烯(PP)挤出胀大行为,观察了压力、温度等参数与膨胀率的关系,分析加入不同的AC发泡剂和CaCO3后其膨胀率不同的变化情况,指出这不仅仅是因为发泡体系弹性的变化,气泡的存在也对其膨胀率影响很大。     

A three-dimensional finite element analysis of the effect of reynolds number on extrudate swell of newtonian liquids from square dies

The effect of Reynolds number upon the extrusion of a Newtonian fluid exiting a square die is examined. It is shown that the extrudate swells at low Reynolds number but contracts at high ones. At zero Reynolds number, the maximum die swell ratio of 1.2 occurs. A swell ratio of one occurs at a Reynolds number of about 24. At large Reynolds numbers, the extrudate contracts to a circular cross-section with a swell ratio of 0.9611.     

LLDPE／LDPE共混物熔体挤出胀大行为的研究

应用毛细管流变仪，考察了实验条件下线性低密度聚乙烯与低密度聚乙烯共混物（ＬＬＤＰＥ／ＬＤＰＥ）熔体挤出胀大行为及其影响因素。结果表明，挤出胀大比Ｂ与剪切应力近似呈幂律关系，而随口型长径比的增加呈指数衰减，当共混比为５０／５０时，Ｂ产生局部极涉值现象。     

Effect of characteristic scale on the extrudate swelling behavior of polypropylene melt in a micro-extrusion process

The swelling behavior in micro-extrusion has a significant effect on the dimensional and shape accuracy of microproducts. In this study, the effect of characteristic scale, defined as the gap of die land in an annular micro-extrusion die, on the extrudate swelling behavior of viscoelastic melt is analyzed through numerical simulations and micro-extrusion experiments. The results show that the swelling behavior displays an obvious dependence on the characteristic scale. An increase in the characteristic scale reduces the swell ratio and retards the process to reach the equilibrium state. In contrast, a decrease in the characteristic scale results in a larger magnitude of change in velocity field and faster relaxation development of stress field. The location of the maximum velocity layer for the laminar flow gradually deviates from the geometric center of channel toward the wall of mandrel with the increase in the characteristic scale. Moreover, an increase in the flow rate results in a larger swell ratio for a constant characteristic scale. The elastic effect plays a more dominant role than the viscous effect in determining the viscoelastic swell behavior. It is imperative to consider the complicated swelling behavior and remarkable viscoelastic effect simultaneously in micro-extrusion process.     

聚合物熔体挤出胀大的唯象研究进展

介绍了目前国内外对聚合物熔体挤出胀大的研究工作进展,评述了近50年来挤出胀大研究发展情况。从唯象理论出发,应用张量分析方法,研究了短口模的挤出胀大行为;引入了随流坐标系的随流协变度量张量,并利用张量的特性描述了聚合物熔体微元在挤出口模的流动状态;结合流变本构方程,探讨了聚合物熔体对称和非对称的挤出离模后的胀大过程,提出挤出胀大相关研究的发展趋势,为未来研究方向提出了一个新的研究方法。     

Measurement and simulation of low‐density polyethylene extrudate swell through a circular die

BACKGROUND: Extrudate swell is a common phenomenon in polymer processing. The investigation of its mechanism is of both scientific and industrial interest. RESULTS: The rheological parameters of a material described by the viscoelastic PTT (Phan‐Thien–Tanner) constitutive model are obtained by fitting the distributions of material functions detected with a strain‐controlled rheometer. The swelling ratios of low‐density polyethylene (LDPE) under different volume flow rates are indirectly obtained using a photographic technique. A mathematical model of extrudate swell is established and its finite element model is derived. A penalty method is employed to solve the extrudate swell problem with a decoupled algorithm. Computation stability is improved by using the discrete elastic‐viscous split stress algorithm incorporating the inconsistent streamline‐upwind scheme. CONCLUSION: The swell phenomenon of LDPE through a circular die is investigated using both experimental measurement and numerical simulation. The swelling ratios obtained from the simulation are compared with those measured: they agree well with each other. The essential flow characteristics of polymer melts are predicted and the mechanism of the swell phenomenon is further discussed. Copyright © 2009 Society of Chemical Industry     

多腔精密医用导管挤出胀大的数值模拟分析

采用Polyflow软件对多腔精密医用导管在内腔无注气/注气两种条件下的挤出胀大行为进行了数值模拟分析,直观地反映了挤出胀大后制品截面形状的变化规律,以及注气条件下不同内腔压力差时挤出胀大行为,获得了导管截面变形与压力差之间的关系。这为机头口模的设计及改进提供了理论依据。模拟结果表明:在无注气情况下,胀大后的截面形状与口模的截面形状存在较大的区别,引入注气条件后,制品截面形状受挤出胀大和气压的双重影响,变形更为复杂,必须合理地控制气体的压力及流量。适当的气体压力和压力差可以起到改善制品截面形状的作用,但过大或过小的压力将对制品截面形状的改善起到反作用。     

L形异型材共挤胀大及变形的三维非等温数值模拟

采用PTT本构方程,应用Arrhenius方程来描述温度对黏度的影响,建立了L形双层共挤模型,通过有限元方法分析了聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）熔体的三维非等温黏弹流动过程,对比分析了2种材料在不同组合情况下口模出口面的速度场、剪切速率场以及共挤出胀大和变形情况。结果表明,L形分层共挤的胀大和变形不仅与2种熔体黏度差异有关,还与口模截面形状有关;黏度较低的PP会向黏度较高的PS一侧偏转,且PP有包覆PS的趋势;黏度较低的PP位于L形内侧时共挤出胀大和变形程度大于其位于外侧时,且两熔体黏度差异越大,两方案的共挤出胀大和变形程度的差异越大。     

Extrudate swell of newtonian liquids from rectangular dies

Extrudate swell from square and rectangular dies was studied for glycerol solutions. Experiments were performed for a wide range of viscosities 75 < μ < 464 mPa · s, with small changes in surface tension and density. Dies with aspect ratios of 3:1 and 2.25:1 and a wide range of length to hydraulic diameter ratios, i.e., 24 < l/D_h < 62, were used. Results were obtained in the range of Reynolds number 1 < Re < 50. Swell ratios for the short and long faces of a die are below the swell ratio of a plane slit. Swell ratios for the short face are consistently higher than those for the long face for lower Reynolds numbers. Liquid contracted at the corners, while swelling along faces.     

熔体挤出速度对共挤吹塑型坯离模膨胀影响的数值模拟

基于三维非等温黏弹性熔体多相分层流动有限元数值模拟技术,模拟研究了熔体挤出速度对多层共挤吹塑成型环坯离模膨胀和初始温度场的影响规律,揭示了型坯离模膨胀的产生机理。结果表明,多层共挤吹塑成型环坯离模膨胀是由熔体的二次流动诱发而产生,与熔体流出机头进入自由膨胀段的二次流动强度成正比,而其二次流动强度随着熔体挤出速度的增大而增强,因而导致环坯离模膨胀随着熔体挤出速度的增加而增大;多层共挤吹塑成型熔体的二次流动强度与其第二法向应力差成正比关联关系,这与Debbaut的试验研究结论完全吻合,表明二次流动是由第二法向应力差驱动而产生。