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塑料微管气辅挤出成型理论及实验研究

任重  
【摘要】:本文中作者将气体辅助技术应用于塑料微管挤出,通过对塑料微管挤出口模的优化设计和工艺条件合理地控制,在环形熔体与口模内壁面和芯棒外壁面之间分别形成稳定的气体层,起到熔体完全滑移挤出的效果,极大地减小了熔体在口模壁面上和出口处的应力集中,从而消除了传统塑料微管挤出产生的挤出胀大、熔体破裂和扭曲变形等问题。为了验证气辅技术应用于塑料微管挤出的可行性及探明相关因素对塑料微管气辅挤出成型的影响和规律。采用理论分析和实验等方法,对塑料微管气辅挤出成型进行了研究,具体包括:1.对塑料微管气辅挤出进行了数值模拟,研究了物性参数、工艺参数和气辅长度等的影响规律;另外,研究了四种不同气辅模式的影响。研究结果表明:1)采用内外双层气辅技术可以很好地解决传统塑料微管挤出存在的挤出胀大、熔体破裂和扭曲变形问题;2)与传统无气辅相比,气辅挤出塑料微管在物性参数和工艺参数影响上存在差异;3)适当增加气辅长度可以减小塑料微管挤出胀大效应。2.探究了尺寸效应(挤出胀大和黏度-尺寸效应、表面张力效应、熔体可压缩效应、滑移效应和粘性耗散效应)对塑料微管气辅挤出成型的影响及规律。研究结果表明:1)与无气辅挤出相比,气辅技术在一定程度上减小了尺寸效应对塑料微管挤出带来的影响;2)对于滑移效应而言,气体与壁面之间的滑移对塑料微管气辅挤出成型的影响很小,而气体与熔体之间的滑移影响较明显;3)尺寸效应联合作用时,气辅挤出的塑料微管内外径产生了向内收缩、壁厚增大现象。3.构建了“气-液-气”的塑料微管气辅挤出模型,利用有限元数值方法,探究了气体和熔体工艺参数对塑料微管气辅挤出成型的影响,以及气体与熔体相互之间的影响。研究结果表明:1)“气-液-气”多相分层流模型可以很好地反映出气体/熔体工艺之间的相互影响作用;2)随着气体层长度和厚度增大,气辅层对熔体产生的应力越大,反映出对微管熔体流动干扰影响越大,故选择合适的气辅长度和厚度对塑料微管气辅挤出稳定性至关重要;3)采用与熔体流动方向成小角度的气辅进气方式,减小了内外气垫膜层在气体入口处对熔体流动的影响;4)塑料微管气辅挤出成型数值模拟中考虑气体可压缩性可以提高结果的准确性。4.优化设计和加工了塑料微管气辅挤出口模。其中,确定了气辅挤出口模出口的形状和尺寸;采用正交实验结合有限元数值模拟方法,确定了口模的4个关键几何参数(分流角、压缩角、压缩比和无气辅段长度)最优组合。最后,基于优化设计的口模,通过数值模拟方法研究了工艺参数对塑料微管气辅挤出成型的影响规律,并得到了最优工艺参数。5.搭建了塑料微管气辅挤出实验系统,实验研究了气体和熔体工艺参数等,对聚丙烯塑料微管气辅挤出成型尺寸和表面质量的影响;同时,实验对比了四种不同气辅模式对塑料微管挤出成型的影响。实验研究表明:1)当其他条件不变时,随着螺杆转速增加,气辅挤出的塑料微管内外径和壁厚逐渐增大;随着牵引速度增加,微管内外直径和壁厚均成线性减小;随着外气辅压力增大,气辅微管表面由光滑平整逐渐变得出现波纹;随着内气辅压力增大,微管内外径增大而壁厚变薄;熔体和气体温度对塑料微管表面光滑度、透明度和气辅稳定性有显著影响;2)通过正交实验方法得到了最优的工艺参数组合为:熔体和气体温度230℃、螺杆转速5.55r/min、牵引速度27mm/s、内气辅流量0.055m3/h、外气辅流量0.8m3/h、内气辅压力65k Pa、外气辅压力150k Pa;3)对塑料微管的宏观形貌和微观表面质量表征结果表明,气辅技术较好地消除了传统挤出产生的“挤出胀大”、“熔体破裂”和“扭曲变形”等问题,提高了产品质量。


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