基于有限元分析的聚丙烯发泡体系挤出胀大模拟及其实验研究

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挤出胀大是聚合物挤出成型中常见的现象,在挤出成型参数的选择和调试中起着重要的作用。特别是发泡制品的应用越来越广,研究发泡体系的挤出胀大具有工业实用价值。本文综合采用实验和有限元分析的方法对不同配方的聚丙烯发泡体系膨胀率及其作用机理进行分析讨论。 首先在数值模拟方面,借助于有限元分析的方法,并采用积分型方程——KBKZ本构方程对聚丙烯发泡体系在毛细管流道挤出进行恒温、稳态的模拟。在本构方程参数的确定中,松弛时间谱是通过动态流变实验得到离散储能模量G’、耗能模量G”,利用线性最小二乘法对其进行拟合而获得;而衰减函数中的参数则是由毛细管流变仪得到的粘度值,利用非线性规划的方法确定。在得到模拟结果后,本文首先分析了熔体离开口模后膨胀率的变化过程;然后再对流道内熔体的各主要流场参数,如中心线上沿程速度、压力、各向应力、第一法向应力差等,进行了系统的分析。从分析中发现,不同配方在毛细管挤出中无论在成型过程或流道内的流场都有很大的不同。 在实验方面,本文采用数码拍照的方法记录聚丙烯发泡体系从毛细管挤出的全过程。具体做法是将坐标纸和电子秒表固定在毛细管出口附近,用数码相机将时间与挤出样条的运动情况同时拍摄在一个画面上。通过数码照片上的信息便可得到挤出过程中的参数,如平均速度、流量、粘度、膨胀率等。 在分析气泡对聚丙烯发泡体系膨胀率的作用时提出了当量泡孔数β。结合当量泡孔数对模拟分析的结果与实验结果进行比较,可以发现在发泡体系中实验得到的胀大结果与模拟分析结果的差值刚好是当量泡孔数。这对发泡体系膨胀率的模拟分析提出了有益的方法。同时分析了实验中温度、压力等参数对不同配方发泡体系的膨胀率所产生的影响。发现不同的配方受到其加工参数的影响有很大的不同。 最后对气泡形态的研究方面,本文主要研究了在180℃情况下的气泡形态(气泡的平均直径、气泡面密度)和膨胀率的关系。发现泡孔面密度到达最大值与泡孔平均直径达到最小值所对应的膨胀率值很接近。
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