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挤出流道在UHMWPE 挤出过程中的优化分析
点击:31 日期:2017-3-23 16:44:56
       摘要: 在超高分子量聚乙烯柱塞式挤出成型过程中,运用Polyflow 软件对挤出流道内熔体流动进行模拟分析,研究了不同几何尺寸流道对熔体的压力场及剪切速率场的影响。结果表明: 在挤出流道内,熔体压力降和剪切速率随着缓冲段横截面尺寸和过渡段坡度的减小而减小。因此,设计针对超高分子量聚乙烯在柱塞式挤出过程中的挤出流道时,为了能够减低能耗、增加制品表面质量,应尽量减小缓冲段横截面尺寸和过渡段坡度。
        超高分子量聚乙烯( UHMWPE) 因其综合性能十分优异,被广泛应用于石油、化工、机械、电气等许多领域; 但其加工性能却差强人意[1]。UHMWPE 因其特性给加工带来的困扰主要体现在物料熔融时黏度极高,摩擦因数极低,临界剪切速率极低和成型温度范围窄[2]。UHMWPE 制品成型方法目前有模压成型、单螺杆挤出成型、双螺杆挤出成型、柱塞式挤出成型、固态挤出成型和气辅挤出成型[3]。UHMWPE 因其特性在传统挤出成型存在一些问题,如加工精度较低,挤出物表面容易出现熔体破裂、“鲨鱼皮”、料塞等现象[4 - 6]。文章通过研究柱塞式挤出过程中,UHMWPE 熔体从缓冲段、过渡段到口模出口整个流动过程中压力场、剪切速率的分布,基于对缓冲段和过渡段几种几何结构的模拟比较分析,从而找出影响料塞和熔体破裂的由来,为后续在柱塞式挤出成型的结构设计上提供一定的理论依据。
1 有限元分析法
1. 1 几何建模
        图1 所示为柱塞式挤出流道的局部示意图,因整个流道由不同大小的管道组成,流道呈轴对称结构,故取整个流道的一个轴截面进行模拟计算,该运算通过Polyflow 软件实现。柱塞式挤出流道由缓冲段、过渡段和口模段,为了能够更加有效地模拟出熔体从口模出口处流出对管道内部的影响,故在整个流道的基础上外加了自由段。因UHMWPE 在熔融状态时摩擦因数很低,甚至为零,与其他聚合物熔体大不相同,故在整个流道中UHMWPE 熔体与流道内壁之间产生近完全滑移。
        从图1 中可以看出柱塞式挤出流道存在多个变截面,在它们交汇处将影响静压力分布状况,因此在交汇处及口模出口处附近采用网格加密技术,进一步详细地呈现它们的数据变化,同时为了有效缩短模拟运算时间,在等截面段减少网格数量,最终得到的网格模型如图2 所示。


1. 2 基本假设和控制方程
        根据挤出过程中聚合物熔体在口模内的流动特性,作如下基本假设[7 - 10]: 1) 聚合物熔体在整个流道中是充分发展流; 2)聚合物熔体是不可压缩的非牛顿流体; 3) 由于聚合物熔体的高黏性,忽略惯性力和重力; 4) 聚合物熔体在口模中是稳态流动,聚合物熔体为等温的非牛顿流体。
        基于以上假设,挤出流道内的连续性方程、动量方程如式( 1) 、( 2) 所示。
△ν = 0               ( 1)
- △p + △τ + f = ρa       ( 2)
式中: ν 为速度; p 为压力; τ 为应力张量; f 为体积力; ρ 为密度;a 为加速度。
        UHMWPE 熔体呈现高黏弹性流体,在挤出流动过程中,其本构方程呈现极度非线性状态; 然而Polyflow 软件提供了有效解决该问题的办法即参数渐变法,选取松弛时间作为渐变参数。根据UHMWPE 熔体的特性,选择Maxwell 模型作为本构方程,见式( 3) 。
      ( 3)
式中: λ 为松弛时间; η0为零剪切速率黏度; G 为剪切模量; E 为弹性模量; μ 为泊松比。
1. 3 边界条件
        入口边界条件: AJ 为流道入口,熔体为充分发展流,其体积流量Q = 0. 34 cm3 /s; 壁面边界条件: AG 为流道壁面,因UHMWPE 在熔融状态时摩擦因数很低,甚至为零,故在整个流道中UHMWPE 熔体与流道壁面之间产生近完全滑移,根据滑移方程,取滑移系数为1; 对称面边界条件: IJ 为轴对称轴,设定其切向、法向速度都为零; 自由表面边界条件: GH 为自由表面段,设定其切向、法向速度都为零; 出口边界条件: HI 为流道出口,设定其法向和切向应力都为零。
1. 4 材料物性参数及工艺条件
        当UHMWPE 熔体温度为150 ~ 300 ℃时,UHMWPE( 牌号为GUR405) 弹性模量约为2 ~ 5 MPa,因熔体为不可压缩流体,即近似取泊松比为0. 5,根据公式( 3) 可估算出最大松弛时间。其物性参数: 密度ρ 为950 kg /m3 ; 零剪切黏度η0为108 Pa·s;松弛时间λ = 100 s。
2 模拟结果及讨论
2. 1 压力场分析
        北京化工大学李维维[11]研究发现: 聚合物在加热熔融段中,呈现较小的静压力,对整个挤出过程的影响近似忽略,故在整个挤出过程中,主要考虑挤出过程中动压力分布状态,即熔体进入整个挤出流道中压力场的分布。为了保证UHMWPE 熔体能够在整个挤出流道中顺利挤出制品,必须满足所受到的最大阻力小于或等于动力装置施加的压力。
        图3 为在挤出过程中UHMWPE 熔体的压力分布图。从图中得知,压力在入口处达到56 MPa 以上,沿垂直挤出方向( 即径向) 几乎不变,沿挤出方向( 即轴向) 逐渐减小,因整个挤出流道由多个变截面流道组成,在这些变截面交汇处其压力发生突变。例如,在交汇处D( 图中的数据标点只是表示压力的等值线,与几何点无关) 附近,其压力急剧增大,据流体力学可知,在拐点处易产生涡流( 即二次流动) ,故导致此现象。


        针对图3 在交汇处D 附近的现象,为了能够进一步了解该现象,取距离对称轴分别为0. 002槡2、0. 004槡2、0. 006槡2 m 处沿挤出方向( 交汇处D 附近) 的压力分布得到图4。从图4 可知,只有交汇处D 附近压力不同,其他点压力大小基本一致; 从交汇处可以看出,曲线1 ~ 3( 即位置越来越靠近壁面) 交汇处压力变化越来越陡,而后又基本趋于一致,到挤出流道出口处,压力近似为零。为了进一步揭示在拐点处附近因压力过大导致料塞无法挤出制品,文章通过改变缓冲段和过渡段的几何尺寸进行模拟分析。图5 所示为挤出流道不同的几何尺寸模型。


        针对图5 中4 种挤出流道模型,图6 给出了相对应4 种模型的熔体压力分布状况。从图6 中可以看出,改变后的4 种挤出流道模型包括最初的挤出流道,除不同截面交汇处外,其压力分布沿挤出方向基本相同; 整体上,压力沿垂直挤出方向近似不变,沿挤出方向逐渐减小; 在变截面交汇处D 点附近产生了压力突变,究其缘由是聚合物熔体从截面大流道向截面小流道流动,产生了二次流动现象所致。

        图7 依据图4 的作图原则,取距离对称轴分别为0. 002槡2、0. 004槡2、0. 006槡2 m 处沿挤出方向( 交汇处 D 附近) 的压力分布即图4( 相对应于曲线1、2、3 所示) 。从图7 中可知,这4 种挤出流道中压力分布近似一致,通过图7 ( a) ~ ( d) 对比并结合伯努利方程可知,挤出流道中压力随着挤出流道中缓冲段截面尺寸的减小而减小,其流道入口处的压力也随之减小; 挤出流道中压力随着过渡段DE 坡度的减小而减小,并且变截面交汇处
D 点附近的压力突变现象显著减小。实际挤出过程中,挤出流道熔体压力降减小,可以降低能耗,随之也减小成本,并能提高挤出物制品质量。在UHMWPE 柱塞式挤出过程中,为了促使熔体在挤出过程中压力降减小,且保证挤出流道的缓冲段起到缓冲作用,应尽可能减小缓冲段截面的尺寸和过渡段的坡度。
        在UHMWPE 柱塞式挤出过程中一般驱动压力为35 MPa,图5 中的( b) 、( c) 和( d) 挤出流道中熔体压力分布均满足驱动压力的要求。根据先前的分析可知,图5( b) 挤出流道模型是最合适的。


2. 2 剪切速率分析
        为了保证挤出过程中挤出制品的表面质量,应考虑挤出流道对剪切速率的影响。在挤出过程中,因UHMWPE 熔体临界剪切速率非常低,挤出制品表面往往会产生熔体破裂等缺陷,从而严重影响制品表面质量。为了能够保证制品表面质量,沿挤出方向在挤出流道出口不远处至出口处熔体剪切速率要在熔体临界剪切速率之下。
        图8 为最初挤出流道中UHMWPE 熔体剪切速率等值分布图。从图中可知,在挤出流道出口处附近,剪切速率沿垂直挤出方向近似不变,熔体离开口模后减为零。
        图9 为先前5 种不同挤出流道在挤出过程中UHMWPE 熔体沿挤出方向取距离对称轴分别为0. 001槡2、0. 003槡2m 和流道壁面处的剪切速率分布图,其中图9( a) 为最初挤出流道在3 个不同截面上剪切速率分布图,图9( b) ~ ( e) 相对应于图5 中4种挤出流道中的3 个不同截面上剪切速率分布图。因挤出物制品表面质量由聚合物熔体在挤出流道出口附近处剪切速率高于临界剪切速率所致,故对于挤出流道中缓冲段和过渡段剪切速率分布不作分析,主要分析挤出流道在离出口不远处至出口处一段。从图9 可以得知,5种挤出流道中UHMWPE 熔体剪切速率沿垂直挤出方向和挤出方向均近似不变,且趋近于零; 而在接近挤出流道出口处( 0. 1 ~ 0. 11 m) 时,熔体剪切速率趋于变大,离开挤出流道出口后,又趋于变小,最后趋于零; 从图9 中可得,图9( a) ~ ( d) 挤出流道出口处剪切速率分别为0. 1 s - 1、接近0. 1、0. 05 s - 1 和低于0. 05 s - 1 ,由此可得,挤出流道出口处UHMWPE 熔体剪切速率随缓冲段截面尺寸和过渡段坡度减小而减小,这样有利于保证制品的质量。


3 结论
        通过对柱塞式挤出机挤出流道的分析可知,为了能够使超高分子量聚乙烯在低能耗的情况下顺利挤出及挤出物制品表面质量进一步提高,在一定的条件下应尽量减少缓冲段横截面的尺寸及过渡段的坡度。综合压力场和剪切速率分析考虑,文章所设计的挤出流道应选用图5( c) 所示的模型尺寸。

 
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