黏弹流体挤出胀大行为的研究进展

2011-01-30樊斌斌

上海塑料 2011年3期

樊斌斌

(河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作454000)

0 前言

挤出胀大是高分子流变学研究的热点。挤出胀大是指聚合物熔体经口模挤出时,在未受到足够的牵引拉伸作用下,挤出物的截面积比口模出口截面积大的现象。挤出胀大是黏弹流体共有的特性,聚合物熔体在很低的剪切速率下(如0.1 s-1)就有非常明显的胀大行为。挤出胀大通常与聚合物的物理性质、生产工艺、口模构型和挤出设备等影响因素有关;而且最终的形状和尺寸还和停放、冷却等后续工序有关。目前,聚合物的挤出成型加工占很大比重,同时挤出胀大在很大程度上还决定了挤出制品的尺寸和质量。

本文主要总结了挤出胀大的理论机理及数值模拟研究,并对最近几年黏弹流体挤出胀大行为的研究进行论述。

1 挤出胀大理论机理

挤出胀大是非牛顿力学和聚合物流变学的一个重要课题。早期挤出胀大理论主要采用宏观的动量守恒和能量守恒定律进行研究。但那些早期研究只在雷诺数高和弹性形变相对小的情况下有效,仅仅适用于聚合物溶液。后来Bagley,Mori等以Lodge的理论为依据,相继提出了不同的挤出胀大表达式。其中,Tanner考虑一无限长的管流,在某一时刻,管壁被突然移掉,流体瞬时调整到应力为零的均匀流,得到公式(1):

式中:B为挤出胀大比;D为挤出口型直径;D0为挤出物直径;常数0.1是经验数据;SR是可回复的剪切应变。

式中:γ为剪切速率;τ为松驰时间;η为熔体黏度; Ψ为波函数。这一结果与流道尺寸无关,只反映挤出胀大与熔体弹性之间的关系,对弹性量的测量有适用价值。另外,只考虑剪切流动的历史,对过程的分析大大简化。但这些理论仅仅将挤出胀大与可回复形变关联起来,并未完全解释工业生产中的挤出胀大现象。

黏弹性的高聚物熔体在流动期间存在可恢复的弹性变形,挤出物直径比口模直径大,其离模膨胀机理如下[1]:(1)当熔体进入口模时,由于流线收缩,在流动方向产生速度梯度,即:产生拉伸变形。如果在口模中停留的时间短(L/D小),来不及松弛,离模后产生收缩,导致挤出胀大,即:由聚合物弹性变形效应或记忆效应引起的挤出胀大。(2)当L/D大,熔体在口模内的流动受到剪切变形,在垂直于剪切方向上存在正应力,引起挤出胀大,此为法向应力差导致的挤出胀大。(3)熔体在口模内的流动处于高剪切力场内,大分子在流动方向进行取向,离模后发生解取向,聚合物分子链回缩引起挤出胀大,即由取向效应引起了挤出胀大。

赵良知等[2]研究了圆锥挤出口模的几何结构对挤出胀大的影响,口模入口角15°～30°时,挤出胀大较小;当口模入口角45°～120°时,挤出胀大较大,但在这个圆锥口模入口角范围内,入口角的变化对挤出胀大影响很小。当L/D较大时,口模入口角对挤出胀大影响较小。对于没有平直段(L/D =0)的圆锥口模,在口模入口角处形成收敛流场,产生沿流动方向上的速度梯度,熔体受到拉伸形变产生较强烈的弹性效应,导致挤出胀大比较大。Guadarrama-Medina等[3]研究了壁面滑移对LDPE挤出胀大的影响。壁面滑移极大地降低了熔体的剪切应力,限制了大分子链在流动中的解缠和解取向,使挤出胀大比减小。

2 数值模拟[4-7]

挤出胀大数值模拟是随计算流体力学和计算机的发展而逐步发展起来的。挤出胀大的数值模拟,其困难主要有三点:一是本构方程的非线性;二是混合边界条件;三是自由面[8]的存在。挤出胀大数值模拟所采用的数学方法主要有差分法和有限元法[9-12]。黏弹流体挤出胀大问题的数值模拟基本上是从研究Maxwell流体的胀大问题开始的。因为Maxwell模型是一个数学形式简单的典型黏弹流体本构方程。

通常地,广义黏弹流体的Maxwell模型具有下述本构关系,即:

式中:σ为剪切应力;ε为剪切应变;λ=μ/G为松弛时间;G为剪切模量;μ是黏性系数。将分数阶微积分运算引入黏弹性流体的本构方程,得到具分数阶导数型的广义Maxwell模型:

这里要求α≤β。当α=β=1时即简化为通常的Maxwell模型,α=0,β=1时则简化为经典的牛顿流体本构方程。

聚合物挤出胀大数值模拟的发展,同时也是一个从一维模拟向三维模拟[13-14]发展的过程。其二维稳态等温挤出胀大流动问题的边界条件:u为流动方向的速度,入口处的 u根据充分发展的 Poiseuille流动计算,v为垂直流动方向的速度;F为边界作用力,Fn和 Ft分别为边界作用力沿边界法向和切向的分量。F,Fn,Ft的表达式分别为

对稳态挤出胀大流动,自由面上还满足法向速度为零的条件,即:=0。对依时性的动态挤出胀大流动,自由面上法向速度又满足式(8):

式中:x为自由面的位置[15]。

3 挤出胀大研究

黏弹流体的挤出胀大行为是流变学研究的一个热点。挤出胀大的影响因素众多,其还决定了挤出成型产品最终的性能。因此,不少学者已经进行了大量聚合物熔体挤出胀大的研究,探索不同条件对它的影响,这对产品的挤出成型生产有着重要的意义。

张晗等[16]利用恒速式毛细管流变仪对 PS熔体在不同长径比的管模与不同宽高比的缝模中进行了挤出实验。绘制了剪切速率、长径比、宽高比等与膨胀比的关系曲线;分析了挤出胀大的影响因素。结果表明:PS在不同口形和不同长径比、宽高比的口模中挤出时,在不同温度与不同剪切速率下表现出不同程度的挤出胀大现象。与 HDPE, PA610,PP,ABS相比,PS的挤出胀大现象更显著。

曾小梅等[17]采用毛细管流变仪对聚丙烯腈(PAN)的二甲基亚砜(DMSO)溶液的挤出胀大进行了研究。研究发现:孔口胀大比随表观剪切速率、溶液浓度的增大而增大;随毛细管长径比增大、温度升高、滤布层数增多而减小;长径比增大或剪切速率增大时,孔口胀大比活化能(EB)下降,C%增大,EB也增加。

李朋朋等[18]采用毛细管流变仪测试2种进口茂金属聚乙烯(mPE)的挤出胀大。研究发现:在剪切速率较低时,2种mPE的挤出胀大比随剪切速率增大变化不明显,在剪切速率超过60 s-1时,2种mPE的挤出胀大比都随剪切速率增大而增大。在相同剪切速率条件下,1012EA的挤出胀大比远大于 3527CB的,说明 1012EA的弹性远大于3527CB的。

梁基照等[19]应用流动速率仪,在温度170～220℃和载荷12～125 N的条件下,考察了剪切速率、剪切应力及温度等对聚甲醛熔体挤出胀大的影响。结果表明:当载荷不变时挤出胀大比随着温度的升高而近乎线性下降;随着剪切速率和剪切应力的增加而呈非线性增加。

王燕飞等[20]采用毛细管流变仪,对不同温度、长径比、剪切速率、熔融指数等条件下熔喷非织造布专用聚丙烯材料的挤出胀大行为进行系统研究。结果表明:在相同的剪切速率作用下,挤出胀大比随PP的熔融指数增加而减小;当毛细管长径比确定时,在不同的剪切速率条件下,随着温度的升高,挤出胀大比降低;不同熔融指数的 PP材料在温度、长径比一定时,挤出胀大比随剪切速率的增加而增大;而随着毛细管长径比的增加,挤出胀大比变化不大。

目前,单一的树脂已不能完全满足产品的性能要求;而通过共混改性可改善树脂性能。因此,研究共混物体系的挤出胀大就显得尤为重要。

周剑明等[21]利用毛细管流变仪研究发泡聚丙烯(PP)挤出胀大行为;分析加入不同的AC发泡剂和CaCO3后其膨胀率不同的变化情况。研究发现:只加入AC发泡剂,体系的熔体膨胀率随挤出压力的增加而增加;但挤出压力继续增加时,膨胀率基本不再变化;而加入过量的发泡剂,PP熔体膨胀率反而会减小。当在发泡体系中加入CaCO3后,在相同条件下膨胀率会减小。

梁基照等[22]应用熔体流动速率仪考察了聚丙烯(PP)用量、温度、载荷及口模直径对 FEP(聚全氟乙丙烯)/PP共混物熔体的挤出胀大行为的影响。结果表明:在试验条件下,FEP/PP共混物熔体的挤出胀大比(B)基本上随着温度的升高而线性增大;随着载荷的增加而非线性提高;随着 PP用量的增加,B略为下降。当口模直径小于1.500 mm时,B随着口模直径的增加急速减少;然后,B随着口模直径的增加显著增加。梁基照等还研究中空玻璃微珠(HGB)填充聚丙烯(PP)复合材料的挤出胀大行为。结果表明:在200℃下,B随着剪切应力的增加而提高,两者之间大致呈线性函数关系;当 P为38 N时,B随着温度的升高而下降,两者之间基本上呈线性关系。在190℃时,随着HGB的体积分数(Фf)增加而呈非线性减小;当Фf为10%,P为38 N时,B随着HGB粒径的增加而有所提高[23]。

杨芳等[24]研究了改性 PVA体系的挤出胀大行为。结果表明:改性PVA熔体为假塑性流体。在相同加工条件下,Ac含量增加,改性PVA体系表观黏度和剪切敏感性下降,温度敏感性升高,且改性体系的挤出胀大比减少。

何柳等[25]采用共混方法制备了聚甲醛(POM)/高密度聚乙烯 (HDPE)共混物和POM/ HDPE/纳米碳酸钙(nano-CaCO3)复合材料。应用流动速率仪考察了温度、载荷及 HDPE用量等对共混物和复合材料熔体挤出胀大行为的影响。结果表明:复合材料的挤出胀大比随着温度的升高而近似线性下降;挤出胀大比随着载荷的增加而非线性提高;挤出胀大比随着 HDPE用量的增加而提高,两者间呈非线性关系。

曾广胜等[26]为了改善聚合物材料的挤出胀大现象,将振动力场引入聚合物的挤出过程。采用动态毛细管流变仪对不同振动参数下的挤出胀大进行研究。研究表明:振动场的引入可以降低聚合物熔体的松弛时间,加速弹性恢复,降低熔体黏度,减小出口压力,促进聚合物分子解缠等。因此,能够很好地减少挤出胀大。随着振动频率和振幅的增加,挤出胀大呈非线性减少,并最后趋于稳定。

赵良知等[27]从理论上和实验上研究了圆锥挤出口模的几何结构对挤出胀大的影响。结果表明:不同角度圆锥口模挤出过程中,熔体在收敛流道受到拉伸流变,导致强烈的入口弹性效应,表现出熔体在不同角度圆锥口模挤出时有不同的挤出胀大比。当L/D较小时,挤出胀大与口模入口角有关。口模入口角为15°,30°时,挤出胀大较小;当口模入口角在45°～120°时,挤出胀大较大。但在这个圆锥口模入口角范围内,口模入口角的变化对挤出胀大影响很小;当L/D较大时,口模入口角对挤出胀大影响较小。

4 结语

随着对塑料等聚合物加工业高效率、高质量的要求,挤出胀大影响因素及数值模拟越来越成为挤出成型加工业的研究重点。虽众多的研究已经对工业生产起到了重要的作用,但目前黏弹流体挤出胀大行为仍存在理论机理的研究尚不成熟、数值模拟亟需新的开发等问题。今后,黏弹流体挤出胀大应致力于加强完善理论研究和加快三维数值模拟的开发应用;同时研究各种实际生产因素对挤出胀大的影响,以解决工业生产问题,指导实际生产。

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