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聚合物五腔微管挤出胀大与冷却定型研究

战春鸣  
【摘要】:随着塑料产业的不断发展,塑料微管已经越来越多的应用于医疗、通讯和汽车等领域。因此,聚合物挤出成型技术也随之向微型化发展,出现了微挤出成型技术。在进行微挤出成型的过程中,聚合物熔体在离开模具口模后进入冷却水箱定型前会发生挤出胀大,在冷却定型的过程中,聚合物型坯会发生冷却收缩,这些现象已成为该领域不少学者的研究热点。由于多腔微管具有截面复杂、尺寸微小、加工精度高的特点,实际生产中想要大量制造高质量的微管仍然有许多尚待进一步研究的难题和挑战。因此本文针对这一问题,以典型的非均匀壁厚五腔微管为研究对象,具体展开了如下几方面研究:首先,建立了聚合物五腔微管挤出流动的数学模型,根据聚合物的流动特性,对聚合物在微挤出成型流动过程进行一定的简化和假设,并建立了聚合物微挤出流动的基本控制方程。基于五腔微管挤出模具流道的尺寸特点,选择了能够表征粘度随流道特征尺寸变化规律的微尺度粘度模型,并采用毛细管流变仪进行不同特征尺寸下聚合物熔体的剪切粘度测量,确定了微尺度粘度模型的模型系数。其次,基于上述聚合物五腔微管挤出流动的数学模型,采用数值模拟方法,研究了五腔微管挤出胀大现象和挤出物变形规律。通过对挤出过程中模具流道内和口模外聚合物熔体的速度分布、剪切速率分布、剪切应力分布等多种场量分布的分析,揭示了挤出胀大现象的本质原因和挤出胀大的变化规律。并且研究了挤出流量、内腔通气等工艺参数对挤出胀大的影响和挤出物尺寸和形态的变化规律,这些变化规律的获得为成型出高质量的五腔微管制品提供了一定的理论依据。然后,基于传热学理论,采用数值模拟方法,研究了五腔微管在冷却定型过程中的截面温度变化规律和截面收缩规律。通过对型坯冷却传热过程的分析,建立了五腔微管冷却过程的数学模型,并确定了型坯外表面与冷却水的对流换热系数。在此基础上采用热应力耦合分析方法,获得了冷却过程中型坯截面上的瞬态温度分布和截面关键点上的温度变化,揭示了冷却定型过程中的型坯截面收缩规律,对微挤出冷却定型工艺参数的制定具有一定的指导意义。最后,开展了聚合物五腔微管挤出成型实验。实验结果表明:在微挤出成型工艺过程中,聚合物的挤出胀大和冷却收缩显著影响聚合物制品的尺寸精度和形状。在挤出成型工艺参数当中内腔的通气量和冷却时间等参数是影响微挤出成型质量的决定性因素。实验中把工艺参数调整到在数值模拟中得到的最佳工艺参数条件下,可以得到符合设计要求的聚合物五腔微管制品。


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