基于數(shù)值分析聚合物共擠出工藝的探討

程蕾,閆普選

(1.廣西師范大學(xué) 科技處,廣西 桂林 541004;2.中國(guó)化學(xué)工業(yè)桂林工程公司,廣西 桂林 541004)

擠出成型是聚合物最基本的成型方法之一[1].為了得到具有特殊性能和外觀的橡塑制品,工業(yè)生產(chǎn)中常采用共擠出工藝,該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)不同性能聚合物的有機(jī)復(fù)合.然而,復(fù)合制品性能及尺寸的穩(wěn)定性,不僅取決于復(fù)合擠出機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,還取決于工況條件的科學(xué)篩選和聚合物的種類.

傳統(tǒng)篩選工藝參數(shù)的擠出實(shí)驗(yàn),因調(diào)整擠出工藝時(shí)間長(zhǎng)且成本高而不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求.數(shù)值分析作為科學(xué)的工藝設(shè)計(jì)工具,能夠快速解析工藝參數(shù)與擠出結(jié)果之間的規(guī)律性關(guān)系[2],為工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),其中有限元數(shù)值分析方法能夠?qū)に噮?shù)與擠出結(jié)果進(jìn)行定量分析[3],在理論上優(yōu)選共擠出工藝,從而加速產(chǎn)品的更新速度.

本文中以多流道共擠出工藝為研究對(duì)象,根據(jù)聚合物流體本構(gòu)方程,采用有限元方法分析不同工藝條件下典型聚合物在擠出機(jī)頭流道中的等溫流變行為,解析聚合物流體流道出口的速度場(chǎng),從而優(yōu)選共擠出工藝,為多流道共擠出工藝提供理論依據(jù),避免單憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)工藝的盲目性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料PS,廣州市華立顏料化工實(shí)業(yè)公司,密度1.05×103kg·m-3;PP,揚(yáng)子石化巴斯夫有限公司,密度0.90×103kg·m-3;PVC,石家莊馳瑞化工科技有限公司,密度1.45×103kg·m-3;NR,廣州建維化工有限公司,密度0.925×103kg·m-3.

表1 不同聚合物對(duì)應(yīng)cross本構(gòu)方程的參數(shù)

1.2成型工藝將PS和PP原料用真空干燥箱烘干后,按一定的比例均勻的混合,用雙螺桿擠出機(jī)擠出,造粒,烘干備用.

1.3流變性能測(cè)試采用CFT-500D型毛細(xì)管流變儀測(cè)試聚合物的流變性能,毛細(xì)管直徑1.0 mm,長(zhǎng)度10.0 mm,預(yù)熱時(shí)間30 s,聚合物測(cè)試溫度如表1所示.流體本構(gòu)方程采用cross模型,其公式為[4]:

(1)

式中:η為粘度,Pa·s;η0為零剪切粘度,Pa·s;λ為松弛時(shí)間,s;n為非牛頓指數(shù),無(wú)因次;γ為剪切速率,s-1.

通過(guò)毛細(xì)管流變儀測(cè)試聚合物流體表觀粘度和剪切速率的數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計(jì)軟件擬合不同聚合物cross本構(gòu)方程的參數(shù),具體如表1所示.

2 物理模型

2.1三流道共擠出流道結(jié)構(gòu)對(duì)于多層復(fù)合材料的制備工藝,傳統(tǒng)共擠工藝和氣輔共擠工藝均需調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化材料性能,其性能體現(xiàn)在復(fù)合材料中不同聚合物的厚度比和界面穩(wěn)定性.研究表明[5],當(dāng)不同聚合物流體的速率比為1時(shí),復(fù)合材料性能達(dá)到最優(yōu)化.本文中以三流道共擠出片材機(jī)頭為例,由圖1所示,三股不同物理性質(zhì)的聚合物流體從不同入口流入流道,在進(jìn)入交匯點(diǎn)之前擴(kuò)展成平板流體;同時(shí),平板流體速率相對(duì)偏差盡量小.此時(shí)定量分析擠出工藝參數(shù)與聚合物流體出口速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而優(yōu)化復(fù)合材料的性能.

圖1 三流道共擠出流道結(jié)構(gòu)

圖2 擠出流道網(wǎng)格及邊界條件

2.2擠出流道網(wǎng)格及邊界條件為提高計(jì)算效率,以中流道為例分析流體交匯前的流道出口速度場(chǎng),從而對(duì)各聚合物出口速率進(jìn)行定量分析.

為便于有限元數(shù)值分析,假設(shè)流道中流體為不可壓縮流體,其流動(dòng)為等溫穩(wěn)態(tài)流動(dòng),流道全充滿,同時(shí)流道內(nèi)壁無(wú)滑移[6].因流體粘度大,慣性力和重力相對(duì)于粘性力可忽略不計(jì).圖2表明了擠出流道求解域的三維網(wǎng)格圖,其實(shí)際邊界條件如下:

1) 流道入口采用壓力入口邊界條件,壓力由擠出工藝設(shè)定;

2) 流道出口采用壓力出口邊界條件,壓力為1個(gè)大氣壓;

3) 其余為壁面,設(shè)置為非滑移邊界條件.

3 結(jié)果與討論

3.1入口壓力對(duì)流道出口PVC流體速率的影響圖3為在其他工況相同情況下不同入口壓力對(duì)應(yīng)流道出口PVC流體速率曲線.由圖可知,各曲線依次代表入口壓力為15 MPa、20 MPa和25 MPa時(shí)流道出口PVC流體的速率曲線,隨著入口壓力的增加,流體的速率逐步上升,同時(shí)出口速率相對(duì)偏差(分別為2.1%、1.8%和1.5%)逐漸減小,從而流道出口速率的均勻性增加.

圖3 擠出流道出口PVC速率曲線

流道出口速率相對(duì)偏差和動(dòng)量微分方程[7]的公式分別為:

(2)

(3)

式中:ρ為物料密度,kg·m-3;τ為剪切應(yīng)力張量,Pa;p為壓力,Pa;v為速度,m·s-1;vr為速率相對(duì)偏差,m·s-1;va為平均速率,mv·s-1;vm為最大或最小速率,m·s-1.

由動(dòng)量微分方程[6]分析可知,隨著流道入口壓力的增加,PVC流體出口速率增加;同時(shí),因流道中間部分增加的壓力比兩端多,使流道出口中部速率比兩端增加地多;同時(shí),工業(yè)生產(chǎn)中要求速率相對(duì)偏差小于2.5%,否則會(huì)造成片材出口不均和中間易變形,從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量.

3.2擠出溫度對(duì)流道出口NR流體速率的影響調(diào)節(jié)擠出溫度能夠控制流體的速率.圖4為在其他工況相同情況下,不同擠出溫度對(duì)應(yīng)流道出口NR流體的速率曲線.由圖可知,隨著擠出溫度的增加,NR流體出口速率曲線上升;同時(shí),流體速率相對(duì)偏差均小于2.5%,且沒(méi)有變化.由自由體積理論分析可知,隨著擠出溫度升高,NR流體分子間的空穴增加,從而流體受到的流動(dòng)阻力減小,單元能量增加,有序化程度減小,表觀粘度下降,從而使得流體易于流動(dòng);同時(shí),NR流體粘度因溫度升高而均勻地下降,從而表現(xiàn)為流體出口速率相對(duì)偏差未變化.因此,調(diào)節(jié)擠出溫度不會(huì)影響流道出口速率的均勻性,但擠出溫度不能超過(guò)聚合物的熱解溫度,否則會(huì)出現(xiàn)降解或焦燒現(xiàn)象.

圖4 擠出流道出口NR速率曲線

圖5 擠出流道出口PS/PP速度矢量圖

3.3 PP含量對(duì)流道出口PS/PP合金流體速率的影響圖5為在其他工況相同情況下不同PP含量對(duì)應(yīng)流道出口PS/PP合金流體的速度矢量圖.

由圖可知,各出口速度矢量圖依次代表PP含量分別為0%、10%和20%時(shí)流道出口流體速度矢量圖,隨著PP含量的增加,聚合物流體的出口速率逐漸上升,且速率相對(duì)偏差沒(méi)有變化.溫度與表觀粘度得關(guān)系式由阿侖尼烏斯公式[8]表示:η=A·exp(Eη/RT)

(4)

式中:Eη為流動(dòng)活化能,J;η為表觀粘度,Pa·s;A為常數(shù);T為絕對(duì)溫度,K;R為氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1.

分析可知,擠出溫度為180 ℃時(shí),因PS流體的粘度比PP流體高,隨著PP含量的增加,使得流體的流動(dòng)活化能下降,流動(dòng)性能增加,表觀粘度下降,從而使得出口速率升高;同時(shí),PP和PS均勻混合,合金流體的粘度均勻下降,因此流體出口速率相對(duì)偏差未變化.采用該方法調(diào)節(jié)出口速率,在保證該材料特有性能的前提下,能夠避免溫度調(diào)節(jié)的局限性,更大范圍調(diào)節(jié)聚合物的出口速率.

表2 優(yōu)選前后不同工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)聚合物流體出口速率比

3.4優(yōu)選聚合物共擠出工藝由以上數(shù)值分析可知,共擠出工藝參數(shù)直接影響在交匯之前不同聚合物的平均速率比.在當(dāng)前工藝參數(shù)下,NR流體的平均速率與其他聚合物流體相差很遠(yuǎn);同時(shí),提高擠出溫度容易產(chǎn)生大量熱量,從而產(chǎn)生焦燒現(xiàn)象,而入口壓力增加過(guò)高使得出口速率相對(duì)偏差高于2.5%,且不利于節(jié)約成本.因此選擇其他3種聚合物進(jìn)行復(fù)合比較合理.

圖6和圖7分別表示優(yōu)選前和優(yōu)選后其余3種聚合物流體匯合前流道出口的速度矢量圖.

圖6 優(yōu)選前擠出流道出口速度矢量圖

圖7 優(yōu)選后擠出流道出口速度矢量圖

由圖6和圖7可知,在聚合物種類和溫度選定后,優(yōu)選其他工藝參數(shù)(壓力和組分),使得3種聚合物的平均速率比更接近1∶1∶1,且速率相對(duì)偏差均小于2.5%;采用優(yōu)選后的擠出工藝參數(shù),結(jié)合實(shí)際工況,就能夠加快工藝參數(shù)調(diào)節(jié).

4 結(jié)論

以多流道共擠出工藝為研究對(duì)象,采用有限元數(shù)值方法分析主要工藝參數(shù)(擠出溫度、入口壓力、聚合物種類及合金組成含量)對(duì)聚合物流體出口速度場(chǎng)的影響.可知,采用數(shù)值分析方法能夠在提高效率和節(jié)省成本的基礎(chǔ)上合理篩選多層復(fù)合材料中聚合物的組成,微調(diào)其他工藝參數(shù),從而優(yōu)選共擠出工藝,保證復(fù)合材料制品性能和尺寸的穩(wěn)定性.

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