在线客服:
      硬塑类挤出模具
      发泡类挤出模具
      共挤类挤出模具
      宽幅型材挤出模具
      工程塑料挤出模具
    技术论坛
气辅微管挤出成型的数值模拟*
点击:265 日期:2018-2-26 15:09:27

        摘要: 以微管为研究对象,采用Bird-Carreau 黏度模型,运用有限元分析软件Polyflow,对传统微管挤出和气辅微管挤出成型过程进行了三维等温数值模拟,研究分析了传统微管挤出和气辅微管挤出时的挤出胀大率、速度场、压力场以及剪切速率场。对模拟结果进行了分析和对比,研究结果表明,气辅微管挤出时,挤出胀大基本被消除; 口模出口处熔体的速度场均匀一致,剪切速率基本为零; 熔体压力比传统微管挤出降低一半。
        随着微成型加工技术的发展,人们已不再满足于大尺寸的制品,开始追求塑料的轻质化、微型化及精密化。塑料挤出成型技术也由传统挤出成型技术向微型化方向发展,塑料微挤出成型技术应运而生[1]。塑料微挤出成型的微细圆管可用于医学、通讯、汽车等领域,并具有高效率、高附加值的特点[4]。至目前为止,国内外诸多学者对微管挤出成型进行了研究,如国外方面,美国麻省大学Lareau[5]研究了挤出体积流量、挤出机温度、牵引机的牵引、定径套温度、定径水箱入口尺寸、定径水箱内水位高度、模具成型段长度等挤出工艺对小口径管的尺寸和力学性能的影响; Ramachardran[6]利用自行设计的聚合物熔体流动模拟软件对三腔微管的十字头挤出模具进行了模拟和分析,通过改变口模直径、成型段长度等模具结构进行模拟,最终设计出挤出模具; 国内方面,陈应文、郑婧玲等[7]用尼龙11 ( PA11) 进行了微管挤出实验,研究了壁面滑移以及可控工艺因素( 挤出流量、注气压力、牵引速度) 对制品的影响,结果仍存在挤出胀大率高于预测值,圆度不够,壁厚不均,熔体破裂等问题。黄兴元[9]、柳和生[10]、肖建华[11]等研究了气辅技术在挤出中的运用,研究表明,气辅挤出基本能消除挤出胀大,降低口模压力,同时有效地解决“鲨鱼皮”和熔体破裂等问题。本文以微管为研究对象,运用CFD 有限元方法对其微管挤出过程进行三维等温数值模拟,通过对比分析传统微管挤出与气辅微管挤出的模拟结果,从而指出利用气辅挤出技术应用于微管成型的优越性。
1 数值研究
1. 1 几何模型和有限元模型
        由于本文研究的微管结构轴对称,故取其1 /4 部分进行研究。其几何模型如图1a 所示,其中,A-A为口模入口,B-B 为气体入口,C-C 为口模出口,AB为无气辅段,BC 为有气辅段,CD 为自由表面,AB= 2 mm,BC = 2 mm,CD = 3 mm。在传统微管挤出中,AC 段为挤出口模段。用Gambit 建模并划分成六面体网格,在口模出口和气体入口附近适当加密网格,图1b 为气辅微管挤出的网格划分图,网格总数3200个。


1. 2 数学模型
        基本假设: 聚合物熔体不可压缩,流动过程等温,流体为幂律非牛顿流体,由于聚合物的高黏性,忽略惯性力和质量力对流动的影响。控制方程如下:

                               
式中,v - 速度矢量,m/s; τ - 应力张量,Pa; p - 压力,Pa。
        由于剪切速率变化范围较大,根据微流道流动特性,本文采用Bird-Carreau 黏度模型[12]:

         
式中,η∞ - 无穷剪切黏度,Pa·s; η0 - 零剪切黏度,Pa·s; λ - 松驰时间,s; n - 非牛顿指数; r -剪切速率,s - 1。
        本文选用聚丙烯( PP) 为模拟材料,根据文献[13],其物性参数如下: η∞ = 0 Pa·s,η0 = 99. 575Pa·s,λ= 0. 0032s,n = 0. 3292。
1. 3 边界条件
        根据微管成型流动特点,本研究模拟所用边界条件如下:
        1) 入口面: 体积流量为20 mm3 /s,假定入口处熔体流动为充分发展流。
        2) 壁面: 宏观尺寸的挤出时通常设为壁面无滑移,但在微尺度下壁面滑移对熔体的影响增强,采用Navier 滑移模型[14],即:

             
式中,∫s - 熔体切向应力; Fslip - 滑移系数; 传统微管挤出中Fslip = 460 900; 气辅微管挤出中无气辅段Fslip= 460 900[13],有气辅段Fslip = 0; е - 材料参数,取0. 579 5[13]; vwall - 壁面切向速度,取零值; vs - 熔体切向速度。
        3)自由表面: 满足动力学和运动学边界条件:

                         
式中,∫n - 熔体法向应力; vn - 熔体法向速度。
        4) 对称面: ∫s = 0,v n = 0
        5) 自由表面末端: 无外力牵引的情况下,此面上熔体的法向力∫n = 0,切向速度vs = 0。
2 数值模拟结果分析
2. 1 挤出胀大分析
        挤出胀大现象可用挤出物自由表面末端胀大面积和口模截面面积之比来表示[15],即挤出胀大率B:

                                    
式中,S1 - 口模截面面积; S2 - 挤出物制品截面面积。
        口模截面面积为0. 251 mm2,传统微管挤出自由端面面积为0. 262 mm2,根据式( 6) 计算可得胀大率为4. 4%,而气辅微管挤出时,挤出胀大率约为零。由此可以得出,气辅微管挤出能基本消除微管的挤出胀大。


2. 2 速度场分析
        图2 和图3 分别为传统微管挤出和气辅微管挤出口模出口面的X 向和Y 向速度分布云图,其中图2a为传统微管挤出,图2b 为气辅微管挤出。由图2 可知,传统微管挤出时,管壁中心外侧聚合物熔体沿X方向地速度为正值,而内侧则为负值; 由图3 可知,传统微管挤出时,管壁中心外侧聚合物熔体沿Y 方向的速度为正值,而内侧则为负值。而对气辅微管挤出而言,聚合物熔体沿X、Y 方向的速度基本为零,即很好地解释了气辅微管挤出能减小挤出胀大。
        图4 为传统微管挤出和气辅微管挤出口模出口面的Z 向速度分布云图。从图中可知,传统微管挤出中Z 向速度呈阶梯分布,而气辅微管挤出中Z 向速度基本均匀呈柱塞状挤出。


2. 3 压力场分析
        图5 为传统微管挤出和气辅微管挤出的熔体压力场,其中图5a 为传统微管挤出,图5b 为气辅微管挤出,通过两图对比可知,气辅微管挤出的最大压力比传统微管挤出降低了约51. 1%,这是由于传统微管挤出过程中熔体与口模壁面直接接触,存在较大的摩擦阻力,而气辅微管挤出时,由于气体的引入使熔体不与口模壁面接触,在挤出过程中基本不存在壁面对其的摩擦阻力,故气辅微管挤出能大大减少口模压力降。图6 为根据图5 的坐标系所画的熔体在( 0、0.8、0) 到( 0、0. 8、7) 两点连线的压力曲线图,由图可知,传统微管挤出的熔体压力从口模入口到出口处呈线性下降趋势,在口模出口处达到零,而气辅微管挤出在气体入口处熔体压力已降为零。


2.4 剪切速率场分析
        图7 为传统微管挤出和气辅微管挤出口模出口面的剪切速率分布云图,其中图7a 为传统微管挤出,图7b 为气辅微管挤出。由图可知,传统微管挤出时,口模壁面处剪切速率最大,而气辅微管挤出的剪切速率基本为零,且分布均匀。在聚合物挤出过程中,由于正应力效应[16],挤出胀大随着剪切速率的增加而增大,当剪切速率超过某一临界值时,挤出物表面会开始变粗糙,出现“鲨鱼皮”,更大时会熔体破裂,气辅微管挤出能大大降低剪切速率,因而熔体在离开口模后,不会产生因剪切速率引起的挤出胀大,也不容易产生“鲨鱼皮”和熔体破裂等质量缺陷。
3 结论
        1) 气辅微管挤出能基本消除挤出胀大,并使熔体的速度场均匀一致,从而能更精确地控制挤出制品的尺寸和形状。
        2) 气辅微管挤出中,熔体压力比传统微管挤出减少约51. 1%,并在气体入口处降为零,在整个气辅段几乎没有压力降,也即气辅段无黏性能量损耗,因此能大大减小能耗,提高挤出产量。
        3) 在口模出口处,气辅微管挤出的剪切速率基本为零,分布均匀,因此不易产生“鲨鱼皮”和熔体破裂等质量缺陷,对某些具有低临界剪切速率的高聚物熔体微管挤出有重要意义。

 
版权所有:绍兴市四维塑胶工程有限公司