三層共擠成型界面偏移和擠出脹大的影響因素

張廣冬，王林峰，宋樹(shù)權(quán)

(鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

擠出成型作為主要的聚合物成型工藝之一，廣泛應(yīng)用于板材、管材、薄膜和異型材的制造[1]。擠出成型是將一種或多種塑料樹(shù)脂在擠出機(jī)中塑化熔融，將塑料熔體輸送至擠出模具中成型，經(jīng)過(guò)冷卻、定型和切割后得到所需的擠出制品。根據(jù)所用材料數(shù)量的不同，擠出成型可以分為單擠成型和共擠成型。單擠成型是將單一種類的材料擠出成所需的形狀。這類擠出制品在功能性、外觀、物理性能和成本方面可能存在一些不足。為了克服上述問(wèn)題，共擠成型通過(guò)在擠出過(guò)程中將不同的材料組合在一起，從而獲得了更廣泛的功能性、外觀選擇和性能調(diào)整能力，并一定程度上降低了材料成本[2]。

共擠成型可用于制造具有復(fù)合結(jié)構(gòu)、不同功能區(qū)域或多色的產(chǎn)品。然而，共擠成型的工藝控制、材料選擇和模具設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。在共擠成型過(guò)程中，界面偏移[3]和擠出脹大[4]問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品的形狀、尺寸和精度影響較大[5]，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

界面偏移是由于不同聚合物材料流動(dòng)性的差異性引起的[6]，會(huì)對(duì)多層共擠制品層厚的準(zhǔn)確性和均勻性產(chǎn)生不良影響。界面偏移通常發(fā)生于流道內(nèi)不同熔體交匯處以及模具出口位置[7]。擠出脹大是指聚合物熔體從模具出口流出后其截面面積或直徑有增大的現(xiàn)象，主要是由于高分子材料的彈性記憶效應(yīng)造成的[8]。研究發(fā)現(xiàn)，在共擠成型中，導(dǎo)致界面偏移和擠出脹大的主要影響因素包括不同聚合物材料的速度比和黏度比[9-10]、成型段長(zhǎng)度、壓縮角的大小[11-12]和工藝參數(shù)[13]。

共擠成型中界面偏移和擠出脹大的影響因素研究具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)界面偏移和擠出脹大進(jìn)行了廣泛的研究，但大多是針對(duì)界面偏移或者擠出脹大單一問(wèn)題的影響因素進(jìn)行研究。然而在共擠成型中，界面偏移和擠出脹大問(wèn)題不是孤立存在，是同時(shí)發(fā)生且存在相互作用?；诖?，筆者采用數(shù)值模擬方法，對(duì)三層共擠板材成型過(guò)程進(jìn)行仿真，分析入口流率、材料參數(shù)和流道壓縮角對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響。

1 三層共擠板材成型數(shù)值模擬

1.1 流道幾何和網(wǎng)格模型

三層共擠板材成型的流道幾何模型如圖1 所示。流道內(nèi)層熔體為聚乙烯(PE)，具有良好的柔韌性和耐化學(xué)腐蝕性。外層兩側(cè)熔體為熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)，具有優(yōu)異的耐磨損性。三層熔體匯合后進(jìn)入模具成型段，在成型段內(nèi)初步形成制品的形狀，從模具出口離開(kāi)后發(fā)生擠出脹大。

圖1 三層共擠板材成型的流道幾何模型(單位mm)

由于流道幾何模型的對(duì)稱性，為了適當(dāng)減少計(jì)算量，采用1/2 流道模型建立有限元模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該模型由1 255 個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 080 個(gè)單元組成，如圖2所示。

圖2 三層共擠板材成型的網(wǎng)格模型

1.2 本構(gòu)方程

根據(jù)熔體流動(dòng)特點(diǎn)，選擇Bird-Carreau 黏度模型，如式(1)所示，對(duì)熔體的流變性能進(jìn)行表征。Bird-Carreau 本構(gòu)方程[14]中剪切黏度(η)和剪切速率(γ?)的關(guān)系為

本研究使用的PE 和TPU 熔體的Bird-Carreau模型參數(shù)見(jiàn)表1[15]。

表1 材料參數(shù)

1.3 邊界條件設(shè)置

有限元模型的邊界條件如圖3 所示，其中包括入口、出口、壁面、運(yùn)動(dòng)界面、自由面和對(duì)稱面邊界條件[16-17]。邊界條件中用vs，vn，fs和fn分別表示邊界條件中的切向速度、法向速度、切向應(yīng)力和法向應(yīng)力。

圖3 有限元模型的邊界條件

(1)壁面邊界條件。流道壁面采用壁面無(wú)滑移假設(shè)，即vn=vs= 0。

(2)入口邊界條件。內(nèi)層入口流率Q1和外層入口流率Q2均為7 000 mm3/s。在分析時(shí)采用了1/2幾何模型，內(nèi)層入口流率輸入值為Q1的1/2。

(3)出口邊界條件。無(wú)牽引力作用，即fn=fs= 0。

(4)運(yùn)動(dòng)界面。采用Polyflow 設(shè)置中的“interface”邊界條件，位置未知。

(5)自由面邊界條件。自由面上法向力為零，法向速度為零，即fn= 0，vn= 0。

根據(jù)類似工程資料，NM360耐磨性能不低于普通鋼板的兩倍。其焊接性能與普通鋼板類似，但其可切削性能較低，尤其是鉆孔比普通鋼板略困難。根據(jù)筆者調(diào)研，在過(guò)煤面較大的螺旋溜槽入料段以及刮板輸送機(jī)槽箱內(nèi)采用該耐磨襯板效果良好。

(6)對(duì)稱面邊界條件。對(duì)稱面上切向力為零，法向速度為零，即fs= 0，vn= 0。

1.4 三層共擠成型分析結(jié)果

三層共擠成型中，模具出口處外層熔體發(fā)生了擠出脹大，材料匯合區(qū)域和模具出口處發(fā)生了材料界面產(chǎn)生偏移，如圖4 所示。內(nèi)、外層熔體均以186.65 mm/s 的平均速度流入模具成型段中，當(dāng)內(nèi)、外層熔體交匯時(shí)，共擠界面向內(nèi)側(cè)偏移。此時(shí)，內(nèi)層熔體的最大速度增大至362.89 mm/s，而外層熔體的速度則有所降低。當(dāng)熔體從模具出口離開(kāi)后，共擠界面向外側(cè)偏移，同時(shí)外層熔體發(fā)生了擠出脹大。此時(shí)，內(nèi)、外層熔體的平均速度均逐漸降低至202.88 mm/s。

圖4 三層共擠成型速度分布云圖

為了更好地描述共擠界面偏移和擠出脹大情況，界面位置的初始值為1.5 mm，三層熔體通過(guò)各自的流道流入模具成型段時(shí)，界面位置可能發(fā)生偏移。當(dāng)共擠界面位置小于1.5 mm 時(shí)表示共擠界面向內(nèi)層熔體偏移，當(dāng)共擠界面位置大于1.5 mm時(shí)表示向外層偏移。同樣的，將擠出脹大(外層熔體的外表面)初始位置為4.5 mm，外層熔體從模具成型段擠出到自由射流段時(shí)，外層熔體發(fā)生擠出脹大。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口流率比對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響

入口流率比Qr為內(nèi)、外層入口流率之比，即Qr=Q1/Q2，其中Q1為內(nèi)層入口流率，Q2為外層入口流率。將外層入口流率Q2設(shè)置為定值(7 000 mm3/s)，入口流率比Qr分別取1.4，1.2，1.0，0.8，0.6，分析入口流率比對(duì)界面偏移的影響，結(jié)果如圖5 所示。模具出口位置處，擠出位置取值為0 mm。

圖5 入口流率比Qr對(duì)共擠界面的影響

由圖5 可知，當(dāng)內(nèi)、外層熔體匯入模具成型段中，共擠界面向內(nèi)側(cè)偏移。隨著入口流率比Qr的增大，成型段的共擠界面的偏移量逐漸減小。當(dāng)入口流率比Qr取最大值(1.4)時(shí)，共擠界面由1.5 mm向內(nèi)偏移至1.25 mm，偏移量為-0.25 mm，共擠界面仍向內(nèi)側(cè)偏移，其原因是流道壓縮角的存在。

當(dāng)共擠熔體從模具出口離開(kāi)后，自由射流段的共擠界面向外側(cè)偏移，在距離模具出口10 mm左右時(shí)共擠界面均不再發(fā)生偏移。隨著Qr的增大，自由射流段的共擠界面的偏移量逐漸增大。當(dāng)Qr為0.8時(shí)，共擠界面的界面偏移量為0。當(dāng)Qr＞0.8時(shí)，界面偏移量為正值，反之為負(fù)值。

Qr分別取1.4，1.2，1.0，0.8，0.6 時(shí)，Qr對(duì)擠出脹大的影響曲線如圖6所示。

圖6 入口流率比Qr對(duì)擠出脹大的影響

由圖6 可知，外層熔體從模具出口離開(kāi)后發(fā)生了擠出脹大。在距離模具出口8 mm 左右時(shí)，外層熔體均不再發(fā)生脹大，直至出口40 mm處外層熔體的脹大量保持不變。當(dāng)Qr= 0.6 時(shí)，熔體擠出后由4.5 mm 脹大至5.03 mm，脹大量為0.53 mm。當(dāng)Qr= 1.4 時(shí)，熔體擠出后由4.5 mm 脹大至5.38 mm，脹大量為0.88 mm。由此可見(jiàn)，隨著Qr的增大，擠出脹大也隨之增大。

在多層共擠成型中，界面偏移和擠出脹大對(duì)各層材料厚度的準(zhǔn)確性和均勻性有著一定的影響。層厚的準(zhǔn)確性可以通過(guò)后續(xù)的牽引拉伸予以調(diào)整，而層厚的均勻性則需要在成型過(guò)程中加以保證。本研究中，層厚比Xr定義為外、內(nèi)層厚度之比，即Xr=X2/X1，其中X2為外層層厚，X1為內(nèi)層層厚。由于有限元模型取1/2 幾何模型，當(dāng)層厚比Xr為2 時(shí)，內(nèi)外層厚度相同，層厚的均勻性最佳。Qr分別取1.4，1.2，1.0，0.8，0.6時(shí)，分析了Qr對(duì)層厚比的影響，如圖7所示。由圖7 可知，Xr隨著Qr的增大而逐漸減小。當(dāng)Qr為1 時(shí)，Xr約為2，此時(shí)層厚的均勻性最佳。也就是說(shuō)，對(duì)于三層共擠成型，當(dāng)內(nèi)、外層的入口流率相等時(shí)，擠出制品的層厚最為均勻。

圖7 流率比Qr對(duì)層厚比Xr的影響

2.2 零剪切黏度比對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響

零剪切黏度是指在剪切速率非常低(接近零)時(shí)的流體黏度。它表示在沒(méi)有剪切應(yīng)力作用下，流體內(nèi)部的阻力或黏性。零剪切黏度比ηr為內(nèi)、外層熔體零剪切黏度之比，即ηr=η1/η2，其中η1為內(nèi)層熔體(PE)的零剪切黏度，η2為外層熔體(TPU)的零剪切黏度。將η2設(shè)置為定值(3 300 Pa ?s)，ηr分別取0.4，0.63，0.8，分析零剪切黏度比對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響，結(jié)果如圖8 所示。兩種材料的初始ηr為0.63。

由圖8a 可知，當(dāng)內(nèi)、外層熔體匯入模具成型段中，成型段的共擠界面向內(nèi)側(cè)偏移。當(dāng)共擠熔體從模具出口離開(kāi)后，自由射流段的共擠界面向外側(cè)偏移。隨著ηr的增大，成型段和自由射流段的共擠界面的偏移量均逐漸減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是共擠成型中的黏性包圍[18]。內(nèi)外層熔體的黏度比對(duì)于共擠界面有著重要的影響。當(dāng)黏度比較高時(shí)，內(nèi)層熔體更加黏稠，會(huì)將共擠界面推向共擠結(jié)構(gòu)的中心。相反，較低的黏度比會(huì)導(dǎo)致共擠界面更靠近共擠制品的表面。

由圖8b可知，外層熔體從模具出口離開(kāi)后發(fā)生了擠出脹大。隨著ηr的增大，擠出脹大隨之減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因仍然是共擠成型中的黏性包圍。當(dāng)黏度比較高時(shí)，內(nèi)層熔體更加黏稠，其流動(dòng)性變差從而抑制了擠出制品的脹大。反之，較低的黏度比會(huì)導(dǎo)致更為顯著的擠出脹大。

在三層共擠板材成型中，ηr取定值0.63，內(nèi)、外層熔體零剪切黏度同比增大或減小，界面偏移和擠出脹大的變化較為輕微，可以忽略其影響。

2.3 流道壓縮角對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響

三層共擠成型過(guò)程中，Qr設(shè)為1，流道壓縮角θ分別取30°，60°和80°，分析流道壓縮角對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響，如圖9所示。

流道壓縮角對(duì)界面偏移的影響曲線如圖10 所示。由圖10 可知，當(dāng)內(nèi)、外層熔體匯入模具成型段中，成型段的共擠界面向內(nèi)側(cè)偏移至1.04 mm。當(dāng)共擠熔體從模具出口離開(kāi)后，自由射流段的共擠界面向外側(cè)偏移至1.73 mm。在成型段入口匯流區(qū)(-20，-12.5 mm)，共擠界面的偏移量先增大后減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是，外層熔體匯入成型段時(shí)具有和擠出方向垂直的速度分量，從而推動(dòng)共擠界面產(chǎn)生偏移。流道壓縮角越大，偏移量也越大。然而，后續(xù)在模具成型段中內(nèi)、外層熔體的流動(dòng)逐漸趨于一致，偏移量隨之減小。由于壓縮角的存在，相比單擠成型，三層共擠模具的成型段長(zhǎng)度應(yīng)相應(yīng)的增大，以保證匯流區(qū)域的長(zhǎng)度足夠，從而獲得良好的界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖10 壓縮角θ對(duì)界面偏移的影響

流道壓縮角對(duì)擠出脹大的影響曲線如圖11 所示。外層熔體從模具出口離開(kāi)后發(fā)生了擠出脹大，熔體擠出后由初始值4.5 mm 脹大至5.19 mm，脹大量為0.69 mm。隨著θ的增大，外層熔體的擠出脹大未發(fā)生顯著變化。

圖11 壓縮角θ對(duì)擠出脹大的影響

3 結(jié)論

采用Polyflow 軟件對(duì)PE 和TPU 兩種熔體的等溫三層共擠成型進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了入口流率比Qr、熔體零剪切黏度比ηr以及流道壓縮角θ對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響。

(1)在三層共擠成型中，隨著Qr的增大，成型段和自由射流段的共擠界面向共擠制品的外側(cè)移動(dòng)，自由射流段的擠出脹大也隨之增大。當(dāng)Qr為1時(shí)，Xr約為2，此時(shí)層厚的均勻性最佳。

(2)在三層共擠成型中，隨著ηr的增大，界面偏移和擠出脹大均隨之減小。增大內(nèi)層零剪切黏度或減小外層零剪切黏度，均會(huì)有助于界面偏移和擠出脹大的減小。

(3)流道壓縮角對(duì)界面偏移和擠出脹大的影響較小。當(dāng)壓縮角為30°時(shí)，共擠界面最為穩(wěn)定。由于壓縮角的存在，相比單擠成型，三層共擠模具的成型段長(zhǎng)度應(yīng)相應(yīng)的增大，以保證匯流區(qū)域的長(zhǎng)度足夠，從而獲得良好的界面結(jié)合強(qiáng)度。