聚合物气体辅助口模挤出成型的理论及实验研究

论文摘要

挤出是聚合物加工的一种重要成型方法，塑料制品中40％是通过挤出加工成型。由于聚合物熔体的高粘性、粘弹性，传统挤出成型时易出现挤出胀大，由于挤出熔体和挤出口模的非滑移粘着导致挤出口模压降大，当挤出速度超过材料的临界挤出速度时挤出物表面产生“鲨鱼皮”和挤出破裂等现象，以上三大难题严重影响挤出制品精度、限制挤出速度提升，导致挤出能耗高。产生以上问题的根源在于传统挤出技术采用非滑移粘着剪切口模挤出方式，使得口模壁面对挤出熔体的阻力大。气辅挤出技术通过气体辅助控制系统和气体辅助挤出口模，使挤出时在挤出口模壁面产生一稳定的气垫膜层，挤出由非滑移粘着剪切口模挤出方式转换为完全滑移非粘着剪切口模挤出方式，从而将口模壁面对挤出熔体的摩擦阻力降到最低限度，熔体在口模中呈柱塞状流动。本文从实验和数值模拟两方面对气辅口模挤出成型进行了系统而深入的研究，主要研究工作概述如下： 1．对有关挤出胀大、减粘降阻、熔体破裂及壁面滑移的研究进展进行了综述，指出气辅挤出技术是解决以上问题的有效方法。 2．建立了气辅挤出实验装置。根据气辅挤出对气体压力和温度控制要求，建立了气辅挤出成型压力控制系统和温度控制系统，设计加工了气辅挤出口模，完成了整套实验装置的安装和调试。 3．进行了深入的实验研究。研究了工艺参数（气体压力、气体流量、气体温度、挤出流量）、口模结构参数（口模有气辅段长度L2、环形缝隙δ）以及操作顺序（气阀和挤出螺杆的开启顺序）对气垫膜层的建立及其稳定性的影响；分别研究了气体压力、气体流量、环形缝隙δ、有气辅段长度L2对挤出速度（熔体从口模中挤出的线速度）、挤出流量和挤出物直径的影响；采用和传统挤出相对比的方式研究了气辅挤出对口模压降、挤出胀大和挤出物表面质量的影响。 4．基于流体力学三大方程和Rivlin-Ericksen粘弹本构方程建立了气辅口模挤出成型的机理模型，根据气辅挤出过程的特点，通过合理的简化与假设和方程的无量纲化，形成了有限元方程，以壁面剪切应力为零的边界条件代替气垫膜层作用，自由表面采用脊线法更新，应用Successive Substitution和Quasi-Newton Updates迭代技术，利用通用的CFD有限元软件FIDAP实现了对有限元方程的求解。分别对轴对称结构口模、方形截面口模和L形截面口模的气辅挤出过程进行了数值模拟，得到气辅挤出成型口模内外的速度场、温度场、压力场、应力场和剪切速率的分布，并和传统挤出过程进行了对比；研究了不同口模截面形状的气辅挤出中挤出流量、气辅挤出口模有气辅段长度L2、本构方程中反映挤出熔体粘性和弹性的参

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 挤出胀大
• §1.2.1 产生机理及影响因素
• §1.2.2 理论预测和计算
• §1.3 减粘降阻
• §1.3.1 润滑挤出
• §1.3.2 振动挤出技术
• §1.4 熔体破裂及壁面滑移
• §1.4.1 熔体破裂
• §1.4.2 壁面滑移
• §1.5 气体辅助挤出成型
• §1.5.1 实验研究
• §1.5.2 数值模拟
• §1.6 课题来源和研究内容
• §1.6.1 课题来源
• §1.6.2 研究内容
• §1.7 本章小结
• 第二章 气辅挤出口模流动的数学模型
• §2.1 基本方程
• §2.1.1 连续方程
• §2.1.2 动量方程
• §2.1.3 能量方程
• §2.2 本构方程
• §2.3 简化与假设
• §2.4 方程的无量纲化
• §2.5 有限元模型
• §2.5.1 插值函数
• §2.5.2 积分变换
• §2.6 自由胀大表面的求解
• §2.6.1 Tanner法
• §2.6.2 路线法（Pathline Method）
• §2.6.3 虚时间推进法（Pseudo-time Marching Scheme）
• §2.6.4 通量法（Flux Approach）
• §2.6.5 脊线法（Spine Method）
• §2.6.6 当地扰动法（Local Pertubation Method）
• §2.7 迭代方法的选择
• §2.7.1 Successive Substitution法
• §2.7.2 Newton类型方法
• §2.8 本章小结
• 第三章 气辅挤出成型实验研究
• §3.1 实验装置
• §3.1.1 简介
• §3.1.2 挤出机
• §3.1.3 供气系统
• §3.1.4 气体压力控制系统
• §3.1.5 挤出口模
• §3.1.6 挤出机与口模的连接
• §3.1.7 管路连接、流量计和高温熔体压力传感器安装
• §3.2 实验原料和测量仪器
• §3.2.1 实验原料
• §3.2.2 测量仪器
• §3.3 实验过程
• §3.3.1 实验条件
• §3.3.2 各种物理量测量
• §3.3.3 实验程序
• §3.4 实验结果及分析
• §3.4.1 气垫膜层建立条件及其稳定性分析
• §3.4.2 影响挤出速度、挤出流量和挤出物直径的因素
• §3.4.3 气辅挤出对口模压降的影响
• §3.4.4 气辅挤出对挤出胀大的影响
• §3.4.5 气辅挤出对挤出物表面质量的影响
• §3.5 本章小结
• 第四章 轴对称口模气辅挤出的有限元分析
• §4.1 几何模型
• §4.2 有限元网格划分
• §4.3 物性参数、工艺参数
• §4.4 边界条件
• §4.4.1 口模入口处
• §4.4.2 无气辅段口模内壁上
• §4.4.3 有气辅段口模内壁上
• §4.4.4 自由表面上
• §4.4.5 自由表面末端和对称轴上
• §4.5 求解过程
• §4.6 模拟结果及分析
• §4.6.1 挤出胀大
• §4.6.2 流场分析
• §4.6.3 工艺参数对气辅挤出的影响
• §4.6.4 物性参数对气辅挤出的影响
• §4.7 实验验证
• §4.8 本章小结
• 第五章 气辅口模挤出的三维有限元分析
• §5.1 方形截面制品的气辅口模挤出
• §5.1.1 口模构型
• §5.1.2 物性参数、工艺参数
• §5.1.3 有限元网格划分
• §5.1.4 边界条件
• §5.1.5 求解过程
• §5.1.6 模拟结果及分析
• §5.1.7 工艺参数和物性参数的影响
• §5.1.8 有气辅段长度的确定
• §5.2 L形截面制品的气辅口模挤出
• §5.2.1 口模结构和网格图
• §5.2.2 物性参数及工艺参数
• §5.2.3 边界条件
• §5.2.4 模拟结果及分析
• §5.2.5 L形截面口模有气辅段长度的确定
• §5.3 本章小结
• 第六章 全文总结、主要创新点和研究展望
• §6.1 全文总结
• §6.2 主要创新点
• §6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目
• 致谢