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三层复合共挤出板材机头流道的流场分析*
点击:162 日期:2017-11-27 14:51:32

        摘要: 多层复合共挤出板材可使多层具有不同特性的物料在挤出过程中彼此复合在一起,使制品兼有几种不同材料的优良特性、节约优质原材料、降低成本,因而其应用越来越广泛。以PP/RPP/PP 三层共挤出板材为例,建立了三层共挤出板材机头的几何模型,应用ICEM CFD 对模型进行了网格划分,采用有限元方法对非牛顿流体在共挤出板材机头流道内的等温流动过程进行了三维数值模拟。结果表明: 在导流板结束的汇合处存在“次流动”; 层间界面在导流板结束的汇合处发生了一定程度的扭曲; 在机头出口端面上,界面1 和2 均有向中间层偏移的趋势,界面2 出现了黏性包围现象。
随着新型聚合物材料的不断出现和市场上对聚合物挤出产品性能要求的不断提高,单一材料的制品已不能经济地满足产品性能、外观上的特殊要求( 如透气、防水、阻隔、防刺穿及韧性等) [1],多组分的复合材料制品应运而生。目前多层复合加工方法主要有共挤出法、层压法及涂布法等[2],其中,共挤出复合具有大幅度降低制品成本、简化流程、减少设备投资、复合过程不用溶剂、不产生三废物质等很多优点[3],且复合材料的特性
可以各异,比如可以将软质和硬质材料结合在一起,构成集强度和弹性于一体的特殊用途材料[4]; 将多孔材料和致密材料结合在一起,构成质轻、强度高的材料[5]。因此,共挤出复合现已成为制备多层复合材料的主要生产方法之一。
        衡量共挤出复合成型制品质量的关键技术指标是每层物料的层厚分布及其均匀性( 即层间界面形状) ,但由于两相熔体黏度、压力以及流场分布的差异,各层物料汇合后易产生不稳定层流[6],使共挤界面产生波动和不稳定,这将影响层厚分布进而影响制品质量。国外对共挤出机理的研究较早,武停啟等[7 - 8]通过复合共挤出的一维计算,发现了复合共挤出中的一些基本规律: 界面处速度和剪切应力连续; 低黏度组分有包裹高黏度组
分的趋势等。Gifford[9]研究了平板机头内三层共挤的界面问题,计算结果表明界面形状和层的均匀性由两流体黏度比、流率比及机头的几何形状决定。Debbaut 等[10 - 11]通过实验和理论研究了聚合物熔体在矩形、圆形截面流道内及非轴对称截面流道内的共挤出流动过程,研究表明,第二法向应力差确实会影响共挤出界面的形状,而产生这种结果的原因是熔体的“次流动”现象。秦晓南等[12]讨论了共挤出PVC 芯层发泡管的工艺流程、
模头装置和原材料配方等。武停启等[13]自行编制计算程序,求解了矩形喂料块中的三维流场,进而模拟了喂料块中的聚合物共挤出界面位置分布及形状。吴晓芳等[14]应用Polyflow 软件研究了机头结构如何影响辅机物料与主机物料汇合,模拟了两种物料的三维等温挤出。
        目前,关于共挤出成型界面形状和位置的理论研究主要集中在二维和三维简化的规则截面模型上。笔者在前人研究的基础上,建立带喂料块式三层复合共挤出板材机头流道三维等温非牛顿模型,研究了三层复合共挤出板材机头流道的流场和出口界面形状及位置,以期为实际复合板材机头的设计加工提供一定的理论指导。
1 三层复合共挤出机头结构
        通过对比常用板材机头和共挤出机头的优缺点,设计了带喂料块式的三层复合共挤出板材机头,如图1、2 所示。机头可分为喂料块区域和共挤出区域,主要包括导流板、进料管区、歧管分流区、扇形区、阻尼区和可调模唇区,其中,导流板的主要作用是导流、分层; 歧管分流区的主要作用是将熔体沿幅宽方向均匀扩散分流; 扇形区的主要作用是稳压、匀速; 阻尼区的主要作用是使熔体到达机头出口时保持速度和压力均匀; 可调模唇区
的主要作用是调节板材的幅宽和厚度。图1 中坐标轴位于分割面上,X < 0 部分表示喂料块内流道,X > 0 部分表示共挤出区域,A 和B 分别代表聚合物A 和聚合物B,即PP 和RPP。


2 模型的建立和边界条件设置
2. 1 数学模型
        在聚合物加工过程中,数值模拟的简化和假设为: 流道内熔体全充满且不可压缩,熔体作等温稳态层流,每层熔体之间互不相容,忽略惯性力项、体积力项和层间界面张力,流道内壁面存在微小滑移。
        连续性方程如式( 1) 所示。

                         
式中: ν 为速度矢量,m/s; m 为第m 层聚合物熔体。
        动量方程如式( 2) 所示。

      
式中: p 为静压力,Pa; ρ 为熔体密度,kg /m3 ; τij为应力张量。
        本构方程如式( 3) 所示。

                  
式中: η 为剪切黏度,Pa·s; D 为速率张量; γ· 为剪切速率,1/s。
2. 2 有限元模型
        考虑到对称性,只选取流道的一半进行分析,根据前述的结构设计进行一定的简化,用Solidworks 建立物理模型,用网格划分软件ICEM CFD 进行网格划分,对于X < 0 的区域采用非结构网格离散,对于X > 0 的区域采用结构化网格离散,在两区域间的界面上对齐网格节点使流域连通。
2. 3 本构方程
        模拟所用物料为聚丙烯( PP,PPB-M02-V( K8003) ,熔体流动速率( MFR) 2. 2 ~ 2. 8 g /10min) 和回收聚丙烯( RPP,熔体流动速率( MFR) 4. 00 g /10 min) 。选择Carreau 本构方程,其表观黏度η 与剪切速率γ· 的关系如式( 4) 所示。

           
式中: λ 为松弛时间,s; η0为零切黏度,Pa·s; η∞为无穷剪切黏度,Pa·s; n 为非牛顿指数。
2. 4 边界条件
        1) 入口边界: 由于对称性,导致体积流率的取值仅为实际的一半,Q A: Q B: Q A = 1: 2: 1; Q A = 1. 929 × 10 - 5 m3 /s,Q A =3. 858 × 10 - 5 m3 /s。
        2) 壁面边界: 采用Navier 滑移定律计算滑移阻力,并用较大的滑移系数趋近壁面无滑移条件,如式( 5) 所示。

                       
式中: f( v) 为剪切应力,Pa; k 为滑移系数,( Pa·s) /m; vs为壁面附近熔体的切向速度,m/s; vwall为壁面切向速度,m/s; e 为与材料相关的参数,一般取1。文章取vwall = 0,k = 1 × 109 ,e = 1。
        3) 对称面边界: vn = 0 ,fs = 0 。
        4) 分界面边界: 界面上的速度是连续的,即vn = 0 ; 界面两侧的切向应力和法向应力是连续的,即界面两侧应力相等。
        5) 出口边界: 为了考察出口界面形状和位置的变化,忽略牵引速度和重力的影响,即fn = 0 ,fs = 0 。
3 模拟结果及分析
3. 1 压力场结果分析
        图3 为三层复合共挤出板材机头流道流场的压力分布云图和出口压力分布云图。]


        由图3 可以直观地看到,聚合物熔体从各分流道进入导流板区域时,由于流道变得窄平,压力变化比较大。机头出口压力沿幅宽方向由中心部位向边缘部位逐渐变大,但整个出口端面上压力变化不大,可见阻尼区对出口压力的均匀性有一定影响。为了更加清晰地反映流场中沿挤出方向压力降的变化情况,以界面1 与Z = 0、200、400、600 mm 平面上的交线为研究对象,如图4 所示。各个交线上压力分布图,如图5 所示。由图5 可知,熔体在喂料块内和进料管区压力变化平缓,压力由6. 4 MPa 变为5. 9 MPa; 随着各层熔体发生汇合,在各个截面交线上,熔体在进料管区压力逐渐减小,在歧管分流区的压力变化较为明显( 以Z = 0 为例,压力由5. 7 MPa 变为3. 0 MPa) ,这是因为沿着歧管路径中心轴线方向,歧管对熔体具有均匀分配的作用。随后,熔体由歧管分流区进入扇形区,流道中压力降变大。熔体通过扇形区后进入阻尼区,压力变化较小,当熔体继续沿挤出方向流动到达模唇区时,压力达到最小值,这和单层片材的衣架式机头的模拟结果趋势是一致的[15]。


3. 2 速度场结果分析
        图6 为三层复合共挤出板材机头流道XY 平面的速度矢量图。由图6 可以看出,整个流道内熔体流动的速度沿着挤出方向由入口到出口逐渐变小,各层熔体在汇合处的速度场发生剧烈变化,出现“次流动”现象。


        板材出口速度分布的均匀性对制品质量的影响较大,而出口速度分布的均匀性又与整个流道内各个功能区的结构相关,所以文章重点分析了各个功能区内沿幅宽方向的速度分布情况。图7 为流道模型的空间坐标图,分别取截面Ⅰ( 扇形区内)X = 300 mm,截面Ⅱ( 阻尼区内) X = 350 mm,截面Ⅲ( 模唇区内)X = 450 mm,截面Ⅳ( 模唇区出口端面) X = 541 mm 与界面1 和界面2 的交线上的速度进行分析。图8 为各个截面交线上的速度极差情况,由图8 可以看出,沿挤出方向从截面Ⅰ到截面Ⅳ,界面1 上的速度极差依次为0. 039 34、0. 008 98、0. 002 82、0. 002 66 cm/s,界面2 上的的速度极差依次为0. 037 97、0. 008 34、0. 002 79、0. 002 53 cm/s,由此可见,界面1 和界面2 上速度极差逐渐减小,表明界面1 和界面2 在出口端面上的速度分布越来越均匀。这主要是因为扇形区角度对熔体沿幅宽方向的均匀扩散作用以及阻尼区高度对流量的调节作用。


3. 3 界面分析
        图9 为整个流道界面形状和位置图。
        图10 为喂料块内导流板结束处界面1 和界面2 的形状和位置图,图10( b) 和( c) 均为其放大图。由图10 可以看出,三层复合共挤出板材机头喂料块内设置的导流板能起到一定的引流和导向作用,但即便如此,在导流板的结束处( 三股熔体在X =- 182 mm位置汇合) 依然会发生界面波动,导致熔体层与层之间的不稳定流动( 由图6 可知,各熔体层在发生汇合处的速度场发生剧烈波动,产生“次流动”现象) 。这主要是因为各熔体层在汇合处的各层层厚、各层物料的物性参数以及各层熔体的入口体积流率不同,原来在分流道中的速度场被破坏,各熔体层在汇合处重新分布各物理场,界面即在空间位置上重新排列直至达到一种新的平衡。


        图11 为流道出口端面界面1 及界面2 的形状和位置图,图11( b) 和( c) 为其放大图。由图11( a) 可以看出,宏观上,界面1和2 形状和位置均比较理想,但从放大图可以看出,界面1 边缘部分比中间部分更偏离理想界面位置,界面2 反之,且界面1 和2 均向中间熔体层聚合物B 偏移,导致中间熔体层厚度变小,上、下熔体层的厚度变大。这是因为层间物料的黏度不同,界面2 发生了低黏度熔体包围高黏度熔体的“黏性包围”趋势,这和文献[9]中的研究成果是一致的。


4 结论
        1) 压力场: 沿挤出方向压力逐渐减小; 在出口端面上,压力沿幅宽方向由中间部位( 压力值为0. 0148 MPa) 向边缘部位( 压力值为0. 019 MPa) 逐渐变大,因此,整个出口端面上压力变化不大,表明阻尼区对出口压力的均匀性有一定的影响。
        2) 速度场: 随着熔体沿挤出方向流动,速度逐渐减小; 在三股熔体汇合之初,存在“次流动”现象; 沿挤出方向,熔体在界面1 和2 上的速度越来越均匀。
        3) 界面形状和位置: 熔体在喂料块内导流板结束处汇合,界面发生了一定程度的扭曲和波动; 在机头出口端面上,界面位置也发生了一定的波动,界面1 和2 均呈现向中间层偏移的趋势,而且,界面2 上存在“黏性包围”现象。

 
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