木塑复合材料是将20%—85%的木粉和其它添加剂加入到塑料基体,经混合造粒与挤出成型而成。相比于木材和塑料,木塑复合材料在品质性能、加工性能以及耐腐蚀性、阻燃等方面具有更多优势。国内木塑复合材料的挤出成型都是采用普通塑料挤出机,根据技术人员的实践经验进行改进加工。由于木塑复合材料与普通塑料在加工性、传热性以及流变性等方面存在诸多差异,且木塑复合材料的流变特性等基础问题缺乏深入研究,致使生产的木塑制品呈现出塑化不佳、表面纹理不好、米重不达标、断筋等诸多缺陷,目前木塑复合材料专用加工装备设计与工艺技术缺乏理论指导。对此,本论文以PVC(聚氯乙烯)木塑复合材料挤出成型过程为研究对象,基于高分子流变学基础理论和数值模拟技术,通过理论建模与数值模拟,系统研究了木塑复合材料挤出过程的流变特性,并通过试验验证了其理论模型与数值模拟的正确性,其研究结果为木塑复合材料加工专用的单螺杆挤出成型设备设计与加工工艺提供了理论基础与指导。主要研究工作内容如下:(1)基于高分子流变学基础理论,分析了木塑两相高分子混合熔体的流变特性及其重要表征参数粘度,确定木粉体积分数是影响木塑复合材料挤出成型过程中熔体粘度的主要因素。基于国内外学者关于高分子熔体粘度与不同影响因素关系数学模型等理论基础,并结合本研究的试验现象与结果,针对木塑复合材料挤出过程的关键环节(即熔体输送段)建立了PVC木塑两相混合熔体粘度的数学模型。利用该模型可对挤出成型过程中熔体粘度的变化趋势进行预测,为PVC木塑挤出成型的数值模拟与生产实际提供理论指导,避免工艺参数的盲目配置。(2)基于木塑复合材料挤出成型熔体复杂的流变特性,综合考虑PVC木塑复合材料加工过程中物料的属性、螺杆和流道的几何形状、加工条件等因素,分别建立了熔融段、熔体输送段的流道模型。对某配方PVC木塑粒料进行流变性能试验,通过试验测试获得了物料在不同剪切速率和温度条件下的粘度数据,揭示出该配方PVC木塑粒料为典型的非牛顿流体,同时也验证了所建立熔体粘度数学模型的准确性。采用幂律模型和近似阿雷尼克斯模型相结合的流动模型,运用POLYFLOW软件的POLYMAT模块对试验测试数据进行拟合,获取该配方PVC木塑粒料的流变性能参数,为后续数值模拟研究提供了所需的流道模型和物料流变性能参数。(3)根据所建立的熔体粘度数学模型并结合试验配置相关工艺参数,通过改变某一个螺杆参数或工艺条件,采用FLUENT软件求解得到了PVC木塑单螺杆挤出机熔融段在不同螺杆参数和工艺条件下流道内的压力场、温度场、速度场、液体分数以及热焓等流场指标及变化规律,并对热焓、粘性耗散热等流场指标的变化规律进行了分析与讨论。(4)根据所建立的熔体粘度数学模型和木塑熔体运动状态方程,并结合试验相关工艺参数配置体积流量等边界条件参数;通过改变某一个螺杆参数或工艺条件,采用POLYFLOW软件求解得到了PVC木塑单螺杆挤出机熔体输送段在不同螺杆参数和螺杆转速条件下流道内的压力场、温度场、速度场以及粘度场等流场指标及变化规律,并重点讨论了不同螺杆转速(以剪切速率体现)条件下剪切速率与熔体粘度之间关系的变化规律,数值模拟的定性与定量结果与数学模型计算结果基本吻合,充分体现了所建立数学模型的理论价值。(5)在数值模拟研究的基础上,开展了PVC木塑挤出成型温度测量试验、木塑制品挤出成型试验和挤出成型流变测试试验,研究了不同螺棱断面形状的挤出试验机在不同时刻和位置PVC木塑物料的温度变化情况,不同螺杆转速对木塑制品质量的影响,不同初始温度和转速对PVC木塑物料熔融过程的影响等。结果表明,数值模拟结果与试验测试结果基本吻合,同时也验证了PVC木塑物料挤出成型过程与影响因素部分关系的模型,并提出了在某木塑配方条件下部分结构与工艺参数较为合理的取值,为木塑复合材料的加工装备设计与加工工艺提供了确切理论指导。