壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究

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。     

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。     

熔体层厚度对L形异型材包覆共挤成型影响的数值模拟

以L形包覆共挤异型材为研究对象,采用Phan-Thien-Tanner(PTT) 本构方程,通过有限元方法分析了包覆共挤成型过程中的挤出胀大现象。结果表明,熔体层厚度的变化对整体挤出胀大率基本无影响,而对壳层、芯层胀大率及共挤界面L形内直角处沿X、Y方向的偏转均有较大的影响;当整体口模尺寸不变时,在口模出口处的最大剪切速率不受壳层、芯层厚度变化的影响。     

管壁厚度对微挤出成型的影响分析

基于Bird-Carreau黏度模型,运用有限元方法对三维等温微管挤出成型流动模型进行了数值分析,主要研究了管壁厚度对微管挤出成型过程中挤出胀大、速度分布、剪切速率和口模压降等重要指标的影响。结果表明,当熔体入口体积流率相等时,随着管壁厚度的增大,挤出物挤出胀大率和横截面尺寸变化量增大;口模出口端面上熔体的二次流动增强,但挤出速度和剪切速率减小;熔体在口模内的压力降明显下降;适当增加管壁厚度,有利于提高微管挤出质量。     

不同角度圆锥口模对聚合物熔体挤出胀大的影响

从理论上和实验上研究了圆锥挤出口模的几何结构对挤出胀大的影响,引入口模入口角、流动自然收敛角来计算圆锥型口模的挤出胀大比,从理论上和实验上指出聚合物熔体在圆锥口模的挤出胀大受到挤出口模入口角影响的一些规律.结果表明,不同角度圆锥口模挤出过程中,熔体在收敛流道受到拉伸流变,导致强烈的入口弹性效应,表现出熔体在不同角度圆锥口模挤出时有不同的挤出胀大比.当L/D较小时,挤出胀大与口模入口角有关,口模入口角θ为15°、30°时,挤出胀大较小,当口模入口角θ=45°～120°时,挤出胀大较大,但在这个圆锥口模入口角范围内,口模入口角的变化对挤出胀大影响很小;当L/D较大时,口模入口角对挤出胀大影响较小.     

聚合物熔体在任意长径比圆锥口模的挤出胀大唯象研究

深入讨论了聚合物熔体在不同长径比、不同角度圆锥口模的挤出胀大现象及机理。对口模长径比较小的挤出胀大,由于熔体入口拉伸弹性变形来不及松弛,产生较大的挤出胀大;对长径比较大的口模,熔体在平直流道内停留时间较长,入口弹性形变逐渐松弛,这时主要是流动剪切应变引起的弹性变形,产生较弱的挤出胀大,比长径比小的挤出胀大来得小,并且聚合物熔体的挤出胀大随着长径比的增大而趋向一恒定值。结果还表明:聚合物熔体在圆锥口模的挤出胀大受到挤出口模入口角影响。当L/D较小时,挤出胀大与口模入口角有关;当L/D较大时,口模入口角对挤出胀大影响较小。     

LDPE熔体在圆锥型短口模挤出过程的粘弹行为研究

主要研究不同入口圆锥角短口模流道挤出流动过程中聚合物熔体的粘弹特性,以及在口模流动过程压力损失,入口弹性贮能和挤出胀大比之间的关系。对于不同的口模入口角,有不同的剪切速率与剪切应力的规律,流变曲线各自不同。同时,不同的圆锥入口角,表现出不同的Bagley校正因子对应不同的挤出胀大值,反映了聚合物熔体在不同圆锥入口角短口模挤出过程拉伸弹性形变特性的差异。聚合物熔体在不同入口圆锥角短口模挤出流动过程的压力降,依赖口模流道的几何形状(入口角、长径比)、温度、流动速率等,入口损失主要归因于拉伸形变的弹性贮能。     

聚合物熔体在圆锥短口模的挤出胀大方程

深入讨论了聚合物熔体在不同长径比、不同角度圆锥短口模的挤出胀大现象及机理，利用生产用挤出机进行不同角度的圆锥短口模实验。结果表明，圆锥短口模挤出过程中，熔体在收敛流道受到拉伸流变，导致强烈的入口弹性效应，表现为熔体在短口模挤出时显著的挤出胀大。理论和实验研究结果进一步表明不同圆锥口模入口角对实验材料表现出有不同的挤出胀大值。     

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。     

气辅挤出口模中滑移段长度对挤出胀大比的影响研究

采用壁面滑移方程和Thompson变换,对黏弹性高分子熔体在不同气体辅助挤出口模内的流动进行了数值模拟研究.考察了剪切速率、松弛时间和滑移段长度对挤出物挤出胀大比的影响.研究表明:随着剪切速率和松弛时间的增大,挤出胀大比增大;同时发现当剪切速率或松弛时间增大到某一数值时,挤出物出现先收缩后胀大现象,并伴有熔体破裂现象.模拟还表明:延长气辅挤出口模中滑移段的长度可以避免挤出物发生熔体破裂,并可有效降低挤出胀大比.     

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。     

The effct of asymmetries of die exit geometry on extrudate swell and melt fracture

Experimental investigations were performed to see how the die exit geometry and the extrusion velocity influence on extrudate swell and melt fracture for several polymer melts [low-density polyethylene, styrene-butadiene rubber (SBR) and SBR/HAF (carbon black) compound]. Four different types of die exit geometry were considered; 0° (symmetric. usual capillary die), and 30°, 45° and 60° (asymmetric dies) were chosen for the die exit angle. Extrudate diameters were measured without draw-down under isothermal condition. Polymer melts were extruded into an oil that has the same density and temperature as those of the extrudate. Extrudate swells from dies with different diameters were correlated with volumetric flow rates. It was observed that the extrudate swell increases with increasing volumetric flow rate and exhibits through a minimum value at about 45° die exit angle. As to the fracture phenomena, it was observed that the critical shear for the onset of melt fracture increases with the increasing die exit angle up to 45°. However, for 60° die exit angle, the onset of melt fracture is again similar to that of 0° exit angle.     

马鞍型异型材挤出成型过程三维等温粘弹性的数值模拟

基于PTT粘弹性本构模型,通过马鞍型异型材挤出成型过程的全三维稳态等温有限元数值模拟,系统研究了聚合物粘弹性流变性能参数和成型工艺参数对异型材口模挤出成型过程的影响规律,并揭示了其影响机理.研究结果表明,聚合物异型材口模挤出离模膨胀是由口模出口处的二次流动引起,离模膨胀比随着口模出口处的二次流动强度增加而增大.聚合物异型材口模挤出离模膨胀随着进口流量和聚合物熔体松弛时间的增加而增加,而随着聚合物熔体材料常数和粘度比的增大而减小.     

不同工艺参数时快速降压口模的数值模拟

在微孔塑料连续挤出成型中,运用Ployflow软件对快速降压口模内熔体流动进行模拟分析,研究了不同CO2浓度、不同熔体体积流量对口模内熔体压力、速度分布及挤出胀大影响。结果表明,口模内熔体压力降在一定的范围内随着熔体体积流量的增大而增大,随着CO2浓度的升高而降低;一定范围内,CO2浓度对口模出口处熔体平均速度的影响不明显,而熔体体积流量对口模出口处熔体平均速度的影响很明显;对于挤出胀大的影响,CO2浓度不宜过高或者过低,2 %（质量分数,下同）时表现最佳;在一定熔体体积流量的范围内,熔体体积流量越高,挤出胀大表现得越不明显。     

聚合物熔体在圆锥口型的挤出胀大方程

在聚合物熔体入口收敛流变中引入纯拉伸流变概念，应用张量理论进行了定量分析，导出了一个描述圆锥口型的挤出胀大方程。研究表明，入口收敛拉伸流变，是取合物熔体产生了强烈的弹性形变，导致了较大的挤出物胀大比。     

Experimental studies on extrudate swell behavior of PS and LLDPE melts in single and dual capillary dies

Extrudate swell behavior of polystyrene (PS) and linear low‐density polyethylene (LLDPE) melts was investigated using a constant shear rate capillary rheometer. Two capillary dies with different design configurations were used, one being a single flow channel and the other being a dual flow channel. A number of extrudate swell related parameters were examined, and used to explain the discrepancies in the extrudate swell results obtained from the single and dual flow channel dies, the parameters including output rate and output rate ratio, power law index, wall shear rate, wall shear stress, melt residence time, pressure drop induced temperature rise, flow channel position relative to the barrel centerline, and the flow patterns. It was found in this work that the power law index (n value) was the main parameter to determine the output rate ratio and the extrudate swell between the large and small holes for the dual flow channel die: the greater the n value the lower the output rate ratio and thus decreased extrudate swell ratio. The differences in the extrudate swell ratio and flow properties for PS and LLDPE melts resulted from the output rate ratio and the molecular chain structure, respectively. The extrudate swell was observed to increase with wall shear rate. The discrepancies in the extrudate swell results from single and dual dies for a given shear rate were caused by differences in the flow patterns in the barrel and die, and the change in the melt velocities flowing from the barrel and in the die to the die exit. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 87: 1713–1722, 2003     

发射药药料离模膨胀和流动均匀性模拟及在模具设计中的应用

为了分析挤出成型过程中模具结构参数对七孔硝基胍发射药离模膨胀率及流动均匀性的影响规律,采用计算流体力学方法,对挤出成型过程进行模拟计算,讨论了模具各结构参数重要性的主次关系;对七孔发射药制备模具进行了结构优化,并进行了实验验证。结果表明,模具收缩角对膨胀率和药料出口速度均匀性的影响最大,压缩段高度次之,成型段长度的影响最小。模具优化后流道出口端速度分布均匀性提高36.53%,表明该模拟计算的可靠性与实用性。     

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。