聚合物气辅挤出的挤出胀大研究

在自行研制的气辅挤出实验装置上对气体辅助挤出过程中挤出胀大现象进行了研究，传统挤出和气辅挤出的对比实验表明，气辅挤出可以极大地减小挤出过程中的挤出胀大；研究了螺杆转速、辅助挤出气体压力和流量对挤出胀大的影响．并采用CFD有限元通用软件FIDAP分析了气辅挤出过程中口模内的速度场和压力场，表明气辅挤出过程中聚合物熔体各点的速度和压力趋于一致，可减小挤出制品在挤出时产生的内应力和变形．有利于提高制品加工精度。     

气体辅助挤出的实验研究

对一种新型挤出技术-气辅挤出进行了实验研究,建立了气辅挤出实验装置并进行了实验研究,实验中在口模内壁和聚合物熔体之间建立了稳定的气垫膜层。研究了气体压力、气体温度和实验过程对气辅挤出中气垫膜层的影响。形成稳定的气垫膜层,应使气体压力低于熔体压力,但在0.2MPa以上,气体温度控制在与口模温度接近,实验时应先打开压力控制阀再进行挤出,并分析了气辅挤出对口模压降、挤出机产量及挤出胀大的影响。     

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.     

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。     

气辅挤出过程中挤出胀大的实验和模拟研究

气体辅助挤出是一种新型挤出工艺,可以显著减小挤出胀大,减小口模压力降。对气辅挤出过程中的挤出胀大现象进行了实验研究和数值模拟,在实验研究中,对传统挤出和气辅挤出进行了对比实验,分析了螺杆转速、辅助挤出气体压力和流量对挤出胀大的影响,并采用CFD有限元通用软件FIDAP分析了气辅挤出过程中口模内的速度场和压力场。     

L形异型材口模气辅挤出成型过程的计算机数值模拟

以L形异型材聚合物气辅挤出为例,建立了气辅挤出成型过程的理论模型,运用Polyflow软件对挤出成型过程进行了计算机数值模拟研究。结果表明,采用气辅挤出成型通过在口模内壁形成气垫膜层,使熔体在口模内的挤出过程由非滑移黏着剪切挤出转化为完全滑移非黏着剪切挤出,极大降低了口模壁面对挤出熔体的摩擦阻力,熔体的挤出速度趋于一致,剪切速率降低为零,可有效减小挤出胀大现象,应力得到松弛,从而达到简化口模设计,提高挤出制品质量,实现高速精密挤出成型的目的。     

LLDPE在挤出加工中的弹性现象研究

使用Brabender PLD 651 挤塑仪配不同长径比、不同材质的毛细管流变口模,测定了几种LLDPE在一定温度下的挤出物胀大和熔体破裂的临界剪切应力,同时用Instron 3211毛细管流变仪做了对比实验。结果表明,毛细管口模的长径比达到一定值后,挤出物胀大随剪切速率的变化关系与长径比无关。这一长径比值又随毛细管口模材质而有所不同。对于一定长径比的毛细管流变口模,熔体破裂的临界剪切应力与挤出温度、口模材质无关。通过实验可知,采用提高口模温度、增加口模长径比或改变口模材质均能推迟熔体破裂现象的发生,从而提高了挤出加工的生产量。     

U型件的气体辅助挤出成型工艺的数值模拟与实验研究

应用Polyflow软件将气辅挤出成型引入U型件挤出成型过程中,建立了口模?气体?熔体的三相模型,在传热情况下,对口模温度、气体温度对口模内熔体的流动速度、温度及剪切速率等进行数值计算,用origin软件进行分析,通过传统挤出和气体辅助挤出成型对U型件进行挤出成型实验,选用聚丙烯（PP）材料挤出,均能顺利挤出,在达到挤出平衡后,气辅挤出时比传统挤出时更能使试样离膜下垂现象明显减弱。PP/10 %玻璃纤维在传统挤出成型时,有明显的挤出胀大现象,纤维在U型截面的侧壁与底面分布不均匀,在U型件拐角处分层分离现象严重;气辅挤出成型时,可以很好改善挤出胀大和纤维在侧壁与底面分布不均匀的现象,同时在U型件拐角处纤维分层分离的现象也能得到部分缓解。PP/20 %玻璃纤维在气辅挤出成型下挤出的U型件时,U型件壁厚变薄严重,试样中纤维分布比较均匀,拐角处无明显的纤维分层分离现象,但是试样表面有明显的纤维组织,且U型件的开口变形严重。结果表明,气辅挤出成型可以部分的减弱试样挤出后的下垂现象,也可以改善口模内熔体的温度场;传统挤出成型时候,口模内的U型件内外壁温度随着口模的变化而变化,气辅挤出成型时熔体高温区域集中在U型槽截面的中心线位置附近;气辅挤出成型与传统挤出时的剪切速率场分布发生了较大变化,气辅挤出成型时的剪切速率最大值比传统挤出时小很多。     

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。     

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。     

基于可压缩气辅的聚合物挤出成型非等温黏弹数值分析

基于气体具有可压缩性特点提出了可压缩气辅挤出概念,为探明气辅挤出中可压缩气体对聚合物熔体挤出成型的影响建立了熔体和压缩气体两相流模型,利用有限元计算方法对可压缩气辅的聚合物挤出成型进行了非等温黏弹数值模拟,并对比分析了传统无气辅和可压缩气辅挤出的物理场分布情况。研究表明,气辅挤出中的气体密度分布不是恒定值,而是随压力和温度空间分布变化,并且在引入气体层以及气体可压缩性后,可压缩气辅挤出与传统无气辅挤出方法相比在各物理场分布上存在较大的差异,当可压缩气体入口压力逐渐增大时熔体挤出收缩程度明显增大。该结果与实验一致,这些是传统无气辅挤出模拟无法体现出来的。     

聚合物异型材气辅口模挤出成型气辅滑移对异型材挤出胀大的影响

基于流变学和流体动力学理论，经合理假设，建立了描述异型材气辅口模挤出成型过程的三维等温黏弹性理论模型，并通过DEVSS／SUPG、最小元法Mini—Element和罚函数法等稳态有限元技术，建立了与该模型相适应的快速收敛的稳态有限元数值算法，并以此通过有限元数值模拟，系统研究了聚合物异型材气辅口模挤出成型过程的机理。研究结果表明：在异型材的挤出成型过程中，随着滑移系数的增大，离模膨胀也增大。聚合物异型材气辅挤出成型能基本消除挤出成型中的离模膨胀和翘曲变形。同时，解决了由于离模膨胀和翘曲变形引起的挤出口模难于设计的技术难题。     

Experimental studies on radial extrudate swell and velocity profiles of flowing PS melt in an electro‐magnetized die of an extrusion rheometer

This article investigates the radial extrudate swell and velocity profiles of polystyrene melt in a capillary die of a constant shear‐rate extrusion rheometer, using a parallel coextrusion technique. An electro‐magnetized capillary die was used to monitor the changes in the radial extrudate swell profiles of the melt, which is relatively novel in polymer processing. The magnetic flux density applied to the capillary die was varied in a parallel direction to the melt flow, and all tests were performed under the critical condition at which sharkskin and melt fracture did not occur in the normal die. The experimental results suggest that the overall extrudate swell for all shear rates increased with increasing magnetic flux density to a maximum value and then decreased at higher densities. The maximum swelling peak of the melt appeared to shift to higher magnetic flux density, and the value of the maximum swell decreased with increasing wall shear rate and die temperature. The effect of magnetic torque on the extrudate swell ratio of PS melt was more pronounced when extruding the melt at low shear rates and low die temperatures. For radial extrudate swell and velocity profiles, the radial swell ratio for a given shear rate decreased with increasing r/R position. There were two regions where the changes in the extrudate swell ratio across the die diameter were obvious with changing magnetic torque and shear rate, one around the duct center and the other around r/R of 0.65–0.85. The changes in the extrudate swell profiles across the die diameter were associated with, and can be explained using, the melt velocity profiles generated during the flow. In summary, the changes in the overall extrudate swell ratio of PS melt in a capillary die were influenced more by the swelling of the melt around the center of the die. Polym. Eng. Sci. 44:2298–2307, 2004. © 2004 Society of Plastics Engineers.     

Elastic Behavior Analysis of Polymer Melt Extruding through Capillary with An Additional Sinusoidal Vibration

Summary A novel rheological measuring apparatus was designed by the authors, which introduced an additional sinusoidal vibration in parallel on the extruding direction of polymer melt and was called as Constant Velocity Dynamic Capillary Rheometer in this article. After introducing different melt extrusion speeds and different intensities of vibration, the rheological measuring experiments for a LDPE melt were done respectively by using above-mentioned apparatus, and a mathematical model for the primary normal stress difference of polymer melt under the action of vibration was set up accordingly. Then, the change laws of die swell ratio and those of the primary normal stress difference under different frequencies and amplitudes of vibration were obtained. Compared with the stable state extrusion, after introducing an additional sinusoidal vibration, the die swell ratio and the primary normal stress difference of polymer melt are all decreased obviously.     

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。     

高填充性聚丙烯基纳米复合材料挤出胀大行为研究

使用毛细管流变仪考察了3种高填充聚丙烯（PP）纳米复合材料的挤出胀大行为,研究了口模温度、剪切速率、熔体压力、纳米粒子填充比例和纳米粒子形貌对PP纳米复合材料熔体挤出胀大比的影响。结果表明,3种PP纳米复合体系熔体的挤出胀大比均随口模温度的增加而减小,且大致呈线性关系;随着剪切速率的增大而增加,且随着填料填充比例的增加有减小的趋势;随着熔体压力的增大而增加,并且随着熔体压力的增加,其挤出胀大比随填料填充比例的增加而减小的幅度下降;3种颗粒形貌纳米粒子填充体系中,在相同的体积分数和温度下,片状结晶纳米氢氧化镁［Mg（OH）2］填充体系熔体挤出胀大比最小,球状纳米碳酸钙（CaCO3）填充体系熔体挤出胀大比最大,棒状粒子埃洛石纳米管（HNTs）填充体系熔体挤出胀大比介于两者之间。