高分子流變學 擠出成型

1、Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology擠出成型：將固態(tài)塑料在一定溫度和壓力條件下熔融、塑化，利用擠出機的螺桿旋轉（或柱塞）加壓，使其通過特定形狀的口模而成為截面與口模形狀相仿的連續(xù)型材的過程。 Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)擠出擠出機組機組 擠出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、機身、定

2、型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置、卷取裝置輔機：輔機：擠出機：擠出機：Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology9.2 擠出成型工藝塑化塑化成型成型定型定型1.原料的準備干燥、去雜質處理2.擠出成型擠出機預熱加入塑料熔融塑化由機頭擠出成型3.塑件的定型與冷卻管材的定徑方法：定徑套、定徑環(huán)、定徑板Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science a

3、nd Technology3.塑件的定型與冷卻Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology4.塑件的牽引、卷取和切割不同的塑件，牽引速度不同。牽引速度略大于擠出速度在冷卻得同時，連續(xù)均勻地將塑件引出。擠出成型工藝參數：溫度溫度壓力壓力擠出速度擠出速度牽引速度牽引速度Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology9.3 擠

4、出成型理論9.3.19.3.1擠出成型分析擠出成型分析 目前注射成型CAE軟件，應用較多且成熟的是擠出過程分析。擠出流動過程分析主要是輔助模頭的流道布置、尺寸設計和位置設計。能確保所設計擠出制品有良好流動性能，也可獲得最佳的擠出速度、溫度、壓力和牽引速度等工藝參數。擠出流動常作如下假設擠出流動常作如下假設熔體為廣義牛頓流體，在充填階段不考慮熔體的粘彈效應， 0熔體在型腔中流動時，熔體的慣性力和質量力可忽略不計。 在充模過程中，熔體溫度變化范圍不大，熔體的比定壓熱容和導熱系數為常數設熔體在型腔壁面處有滑移，即vx=vs，vs為熔體在壁面處的滑移速度。忽略熔體前沿附近區(qū)域噴泉效應的影響。 Sout

5、hwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology 在熔體流動方向上，相對于熱對流項而言，熱傳導項較小，可忽略不計，即0,0TTxxyy忽略厚度方向上的對流傳熱，假設熔體和流道壁面無傳熱。（由于剪切速率較低，忽略粘性耗散的影響）忽略入口效應。010001expnATBpT 材料方程（流變方程）材料方程（流變方程）修正修正Cross模型模型Southwest University of Science and TechnologySouthwest University

6、of Science and Technology()()()0yxztxyz流體不可壓縮熔體流動控制方程熔體流動控制方程0yxzxyz223ijiijijp 連續(xù)性方程連續(xù)性方程密度在計算過程中按常數計算動量方程（奈維動量方程（奈維- -斯托克斯方程）斯托克斯方程）廣義牛頓流體本構方程粘性流體力學ii223iijjjDppgDtxx微分形式的動量方程式（2）代入式（1）得iijijDgDtxSouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology1(:)2ijaij

7、ijij對于不可壓縮流動0iii2ijjDpgDtx式（3）變形為對于非牛頓流體本構方程次方程于1821由法國力學家奈維提出，1845年英國力學家斯托克斯完成最終形式2222221(:)22yyyxxxzzzijijxyzyxyzzx1(:)2aijij忽略慣性力和質量力，由于2ijijSouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologyiijjDpDtx ()()()()()()yxxxzyyyxzyxzzzvdvvvpdtxyyxzzxdvvvvpdtyyzy

8、xxyvvdvvpdtzxxzyyz 展開具體形式為故式（4）變?yōu)槟芰糠匠棠芰糠匠滩豢紤]熱的影響，不解能量方程Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology()()()yxxyyxxyyzyzzyyzxzzxxzxzyxzyzx剪切應力剪切應力邊界條件及初始條件邊界條件及初始條件,0ininxyzswwTT TTT Tp pppninininin入口處為熔體入口溫度型腔壁面上為壁面溫度入口處的壓力、流量給定，即Q=Q=。Q 和分別為入口流量和入口壓力型腔壁面

9、上壓力梯度為0，即Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology壁面滑移壁面滑移 實驗和數值模擬證明牛頓流體和非牛頓流體流動時都存在實驗和數值模擬證明牛頓流體和非牛頓流體流動時都存在壁面滑移。壁面滑移。H.munstedt采用激光多普勒流速儀研究了聚乙烯采用激光多普勒流速儀研究了聚乙烯在擠出模頭內的粘著與滑移，發(fā)現(xiàn)隨擠出速度的增加在擠出模頭內的粘著與滑移，發(fā)現(xiàn)隨擠出速度的增加, 高密度聚高密度聚乙烯發(fā)生壁面滑移，其是以粘乙烯發(fā)生壁面滑移，其是以粘滑形式進行滑

10、形式進行,而當擠出速度進一而當擠出速度進一步增加后步增加后,整個壁面發(fā)生完全滑移。整個壁面發(fā)生完全滑移。 滑移邊界條件下通道中的速度場滑移邊界條件下通道中的速度場 Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology（a）纏結-解纏機理 （b）吸附-解吸附機理圖 熔體的壁面滑移機理 壁面滑移產生的機理十分復雜壁面滑移產生的機理十分復雜,一般認為它與聚合物材料、擠一般認為它與聚合物材料、擠出模具和擠出工藝條件有關出模具和擠出工藝條件有關,對壁面滑移的形成機理有各種不

11、同的對壁面滑移的形成機理有各種不同的解釋。一些學者認為壁面滑移發(fā)生在模頭壁面解釋。一些學者認為壁面滑移發(fā)生在模頭壁面,當熔體的剪切應力當熔體的剪切應力超過熔體與壁面的粘附力時熔體產生壁面滑移超過熔體與壁面的粘附力時熔體產生壁面滑移,即所謂的吸附即所謂的吸附解解吸附機理。另外一些學者則認為在擠出模頭與熔體界面存在一個吸附機理。另外一些學者則認為在擠出模頭與熔體界面存在一個低粘度的潤滑層低粘度的潤滑層,發(fā)生壁面滑移時靠近壁面的分子粘附在模腔壁上發(fā)生壁面滑移時靠近壁面的分子粘附在模腔壁上,而靠近熔體本體的分子和本體一起移動而靠近熔體本體的分子和本體一起移動, 即所謂的纏結即所謂的纏結解纏機理。解纏機

12、理。還有一些學者認為還有一些學者認為,發(fā)生壁面滑移可能是吸附發(fā)生壁面滑移可能是吸附解吸附作用解吸附作用,也可能也可能是纏結是纏結解纏結作用解纏結作用,具體那種占主導取決于模頭材料和聚合物熔體具體那種占主導取決于模頭材料和聚合物熔體的具體情況。的具體情況。機理機理Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologyUnfilled HDPE at 200C ; Data from Rosand OLR801001201401601802002205070901101

13、30150170190210230250Shear Strain Rate (/s)Shear Stress (kPa) 8 x 0.5 mm12 x 0.75 mm16 x 1 mmLine of constantShear Stress壁面滑移發(fā)生壁面滑移發(fā)生01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000102030405060708090100110120 D=0.5mm D=1.0mm D=1.5mmw10-3 (MPa)01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001020304050607080

14、90100110120 D=0.5mm D=1.0mm D=1.5mmw 10-3(MPa) w（/s） 圖 5.1 240下 PP 熔體w和w的關系曲線 Fig.5.1 Relation curves between wand wof PP at 240 w（/s） 圖 5.2 250下 PP 熔體w和w的關系曲線 Fig.5.2 Relation curves between wand wof PP at 250 Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technol

15、ogy壁面滑移的測量壁面滑移的測量應用毛細管流變儀測量壁面滑移速度最經典的是應用毛細管流變儀測量壁面滑移速度最經典的是Mooney法。法。 熔體流動過程示意圖Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologyslipshearfullQQQ+=用公式表示為用公式表示為.2slip3true3appRv4R4R.+.=.Rv4sliptrueapp. 4 VsWall SlipNo Wall Slipapp1/R假設同一剪切應力下滑移速度是常數假設同一剪切應力下滑

16、移速度是常數Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology0.00.51.01.52.02.5010002000300040005000600070008000900010000354555657585950.00.51.01.52.02.501000200030004000500060007000800090001000035455565758595 1/D(mm-1) 圖 5.7 240下 PP 熔體w和1 D的關系曲線 Fig.5.7 Relation

17、 curves between wand1 Dof pp at 240 1/D(mm-1) 圖 5.8 250下 PP 熔體w和1 D的關系曲線 Fig.5.8 Relation curves between wand 1 Dof pp at 250 -31 0w(MPa) -31 0w(MPa) Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology0.00.51.01.52.02.51000200030004000500060007000800090001000

18、025354555657585950.00.51.01.52.02.5010002000300040005000600070008000900010000125150175200225250275300 1/D(mm-1) 圖5.10 200下HDPE熔體w和1 D的關系曲線 Fig.5.10 Relation curves between w and 1 Dof HDPE at 200 1/D(mm-1) 圖 5.9 260下 PP 熔體w和1 D的關系曲線 Fig.5.9 Relation curves between w and1 D of PP at 260 -31 0w(MPa) -31 0w(MPa) 0.00.51.01.52.02.50100020003000400050006000700080009000100001251501752002252502753000.00.51.01.52.02.50100020003000400050006