聚合物發(fā)泡與擠出脹大過(guò)程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大工業(yè)支柱是材料、能源和信息，沒(méi)有材料工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，塑料已發(fā)展成為在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中與鋼鐵、木材、水泥三大傳統(tǒng)材料并駕齊驅(qū)的重要材料，并在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，成為儀器儀表、交通運(yùn)輸、無(wú)線電、電訊器材及日用品生產(chǎn)不可缺少的新型材料。塑料制品的成型加工方法很多，例如注塑、擠出、吹塑、壓延等等。其中擠出成型具有效率高、投資少、制造簡(jiǎn)便、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、占地面積小和環(huán)

2、境清潔等優(yōu)點(diǎn)而成為塑料制品的主要成型方法之一。擠出成型工藝和模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不能很好地滿足生產(chǎn)指導(dǎo)的需要，而隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算流體力學(xué)理論的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)顯示出了巨大優(yōu)勢(shì)，為工藝設(shè)計(jì)和模具優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
　　 本文建立了擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡在粘性不可壓縮流體中非穩(wěn)態(tài)等溫長(zhǎng)大的有限元模型，針對(duì)氣泡長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了發(fā)泡過(guò)程中氣泡壓力和氣泡尺寸的變化規(guī)律

3、，并得到了聚合物熔體內(nèi)發(fā)泡劑濃度場(chǎng)的分布規(guī)律。討論了氣泡長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力以及影響氣泡長(zhǎng)大的材料因素和工藝因素，預(yù)測(cè)了擠出微孔發(fā)泡過(guò)程中氣泡長(zhǎng)大規(guī)律，對(duì)擠出微孔發(fā)泡工藝具有一定的指導(dǎo)意義。在擠出微孔發(fā)泡工藝中，聚合物熔體離開(kāi)口模后，氣泡長(zhǎng)大引起聚合物熔體膨脹，與此同時(shí)，聚合物熔體本身也存在擠出脹大現(xiàn)象，且聚合物熔體自身的擠出脹大對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響不容忽視。針對(duì)聚合物擠出脹大過(guò)程，建立了不可壓縮流體三維穩(wěn)態(tài)等溫流動(dòng)的有限元模型，考慮了不同聚合物流

4、變模型，對(duì)非牛頓流體擠出脹大過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了聚合物熔體的速度分布規(guī)律，并獲得了口模幾何形狀、材料參數(shù)以及工藝參數(shù)對(duì)擠出脹大率的影響規(guī)律。
　　 以聚合物流變學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡在非牛頓聚合物熔體內(nèi)等溫長(zhǎng)大過(guò)程的幾何模型和數(shù)學(xué)模型。利用伽遼金加權(quán)余量法離散控制方程，并通過(guò)高斯積分變換獲得數(shù)值計(jì)算的有限元方程。由于氣泡長(zhǎng)大過(guò)程時(shí)間短，長(zhǎng)大速度快，發(fā)泡劑濃度梯度急劇增加，增加了數(shù)學(xué)求解的困難

5、，數(shù)值結(jié)果振蕩嚴(yán)重。針對(duì)以上情況，對(duì)控制方程進(jìn)行無(wú)量綱化處理，有效提高了數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性。
　　 基于有限元模擬技術(shù)，對(duì)擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了氣泡在非牛頓聚合物熔體內(nèi)的等溫長(zhǎng)大過(guò)程。分析了擠出微孔發(fā)泡工藝中氣泡長(zhǎng)大的動(dòng)力來(lái)源，獲得了氣泡壓力和氣泡半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究了氣液界面處發(fā)泡劑濃度梯度以及“細(xì)胞”內(nèi)外壁處發(fā)泡劑濃度的變化規(guī)律。討論了幾何模型(氣泡初始半徑以及“細(xì)胞”外徑尺寸)、材料參數(shù)(零剪

6、切粘度、擴(kuò)散系數(shù)、亨利常數(shù)以及表面張力系數(shù))以及工藝參數(shù)(發(fā)泡溫度和氣泡壓力)對(duì)氣泡長(zhǎng)大過(guò)程的影響。
　　 以流體力學(xué)有限元理論為基礎(chǔ)，建立了粘性不可壓縮流體擠出脹大的有限元模型。采用罰函數(shù)法將連續(xù)性方程代入動(dòng)量方程，從而避免了對(duì)壓力項(xiàng)直接求解，減少了同時(shí)計(jì)算的變量數(shù)，有效提高了計(jì)算效率。擠出脹大問(wèn)題的求解困難在于聚合物脹大部分的自由表面位置是事先未知的，給數(shù)值求解額外增加了非線性。本文采用解耦合方法求解自由脹大表面位置，先假設(shè)

7、一個(gè)自由表面的位置，利用流線方程更新自由表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)從而得到真實(shí)表面位置。考慮聚合物熔體的非牛頓特性，采用冪律本構(gòu)流變模型，針對(duì)常見(jiàn)的正方形口模進(jìn)行擠出脹大過(guò)程的數(shù)值模擬。引入的罰數(shù)是一個(gè)不確定量，通過(guò)系統(tǒng)地?cái)?shù)值計(jì)算獲得罰數(shù)的最佳取值。分析了聚合物熔體離開(kāi)口模后的速度分布規(guī)律，探討了非牛頓流體擠出脹大現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。同時(shí)研究了體積流量對(duì)擠出脹大率的影響。討論了相同體積流量和相同口模截面面積的情況下口模截面形狀對(duì)擠出脹大率的影響。

8、　　 粘彈性是聚合物熔體的一種重要特性，在實(shí)際加工生產(chǎn)中，對(duì)塑料產(chǎn)品的形狀及尺寸具有較大影響。本文采用PTT本構(gòu)方程，充分考慮聚合物熔體的粘彈特性，建立了粘彈流體的擠出脹大有限元數(shù)學(xué)模型。通過(guò)引入?yún)⒖颊扯葘?duì)動(dòng)量方程進(jìn)行了橢圓化處理，提高了方程求解的穩(wěn)定性。采用Streamline Upwind/Petrov-Galerkin formulation(SUPG)方法構(gòu)造非對(duì)稱(chēng)權(quán)函數(shù)，克服了本構(gòu)方程對(duì)流項(xiàng)占優(yōu)時(shí)導(dǎo)致的數(shù)值解的振蕩。針對(duì)圓環(huán)

9、截面及橢環(huán)截面口模的擠出脹大過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)圓環(huán)口模，分析了聚合物熔體內(nèi)外邊界處第一法向應(yīng)力差的分布規(guī)律。在口模外徑尺寸相同的情況下，選取了不同的口模內(nèi)外徑比例，分析了相同體積流量下，口模尺寸對(duì)擠出脹大率的影響。討論了體積流量對(duì)擠出脹大率的影響規(guī)律。針對(duì)橢環(huán)形口模，研究了與材料本身性質(zhì)有關(guān)的零剪切粘度、松弛時(shí)間以及拉伸參數(shù)對(duì)擠出脹大率的影響，同時(shí)也考慮了體積流量對(duì)擠出脹大率的影響。
　　 采用能夠精確控制工藝參數(shù)的間歇法發(fā)

10、泡工藝中的快速降壓法，以實(shí)驗(yàn)中常用的聚苯乙烯為基體，超臨界CO2為發(fā)泡劑進(jìn)行了微孔發(fā)泡實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)飽和吸收/解吸實(shí)驗(yàn)獲得了發(fā)泡劑擴(kuò)散系數(shù)和亨利常數(shù)；采用毛細(xì)管流變儀測(cè)定了150℃下純聚苯乙烯的粘度；利用WLF方程計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)條件下PS/CO2均相體系的粘度；采用專(zhuān)業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus對(duì)發(fā)泡樣品的SEM照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，獲得泡孔密度和泡孔平均直徑。根據(jù)間歇法發(fā)泡實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，得到了相同溫度下壓力對(duì)發(fā)泡工藝過(guò)程的影