【摘 要】
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气体辅助挤出成型技术是一种基于传统挤出工艺发展出来的具有广阔前景的新型聚合物加工技术,因其能通过在聚合物熔体与口模内壁面之间形成一层薄气垫膜层从而有效改善传统挤出过程中熔体挤出胀大等缺陷而备受国内外学者和业界的重视。纵观目前的气辅挤出研究,大多都是研究口模截面形状或工艺参数对气辅挤出成型在挤出制品界面尺寸及气垫层稳定性的影响,而关于口模内注气角度对气辅挤出制品质量的影响等方面鲜有研究。本文以聚合物
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(51163011)“气-液-液耦合作用下塑料异型材气辅共挤成型机理研究”; 江西省重点研发项目(20203BBE53065)“水辅助注射成型短纤维增强聚合物的结构、性能与机理研究”;
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气体辅助挤出成型技术是一种基于传统挤出工艺发展出来的具有广阔前景的新型聚合物加工技术,因其能通过在聚合物熔体与口模内壁面之间形成一层薄气垫膜层从而有效改善传统挤出过程中熔体挤出胀大等缺陷而备受国内外学者和业界的重视。纵观目前的气辅挤出研究,大多都是研究口模截面形状或工艺参数对气辅挤出成型在挤出制品界面尺寸及气垫层稳定性的影响,而关于口模内注气角度对气辅挤出制品质量的影响等方面鲜有研究。本文以聚合物片材为研究对象,通过对其在气辅挤出成型的理论分析和实验研究,揭示了进气角度对塑料片材气辅挤出过程的影响机理,并进一步探究不同聚合物材料对进气角度的适应性,最终提出合理有效的片材气辅挤出口模进气角度选用原则,为塑料片材气辅挤出制品质量的提高提供可靠的科学依据。本论文主要工作内容如下:(1)简要介绍了聚合物挤出成型的起源、发展和工艺改进,概括阐述了气辅挤出成型技术以及气辅挤出口模的研究现状,对聚合物气辅挤出的流变学理论及实验模型进行了论述。(2)以塑料片材为研究对象构建了片材气辅挤出三维耦合有限元模型,将模型整体分为口模无气辅段、口模气辅段和自由胀大段三个部分,并将气体作为单独一相进行了数值模拟,通过对比分析传统挤出技术和气辅挤出技术的挤出制品形貌变化,说明气体辅助技术的应用对传统挤出的改善作用。搭建了塑料片材气辅挤出实验平台,分别对无气辅传统挤出与气体辅助挤出进行了实验探究,将实验结果与模拟结果相对比,从而验证片材气辅挤出三维有限元模型的有效性和正确性。(3)为了探究进气角度对塑料片材气辅挤出成型的影响,建立了进气角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、90°的六种片材气辅挤出三维数值模型,以聚丙烯(PP)作为模拟实验材料,对其熔体在六种不同进气角度下的气辅挤出过程进行了有限元模拟,通过对比分析聚丙烯片材模拟挤出过程中熔体在口模气辅段内的内外压差、各方向速度和剪切速率等场量的变化,探究了不同进气角度对聚丙烯片材形貌的影响机理,并且发现当进气角度为15°时能够在有效减小熔体表面剪切速率的同时尽量消除气体对聚合物熔体的冲击作用。基于搭建的气辅挤出实验平台进行了相应的实验研究,结果表明:实验现象与数值模拟结果基本一致,从而验证了有限元模拟的正确性。(4)为了进一步探究不同聚合物材料对进气角度的适应性,选用高密度聚乙烯(HDPE)作为原材料,基于构建的不同进气角度片材气辅挤出三维数值模型和气辅挤出实验平台进行了数值模拟和实验探究,结果表明:只有当进气角度为30°时,才能在完全消除高密度聚乙烯片材挤出胀大现象的条件下,达到减小熔体表面剪切速率,提高聚合物制品质量的目的。通过对比聚丙烯片材与高密度聚乙烯片材的气辅挤出模拟结果和实验结果,发现在相同工艺参数和实验条件下,粘度更高的聚合物材料需要更大的进气角度来消除挤出物的胀大行为。
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