鄧小珍

(南昌工程學院江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室，江西 南昌 330099)

聚合物異型材氣輔共擠口模改進設(shè)計及實驗研究

鄧小珍

(南昌工程學院江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室，江西 南昌330099)

運用有限元法，將熔體與口模壁面間的穩(wěn)定氣墊層作為實際流動層，對L形截面異型材雙層氣輔共擠流動過程進行了數(shù)值分析；對L形氣輔共擠口模進行了改進設(shè)計，并借助改進設(shè)計后的口模進行了實驗驗證。結(jié)果表明，將氣體入口位置設(shè)在2種熔體匯合后5mm處，可有效避免制品表面因氣流沖擊產(chǎn)生的氣槽；實驗驗證了模擬結(jié)果的正確性和口模改進后結(jié)構(gòu)的合理性。

聚合物；異型材；氣輔共擠；口模；實驗

0 前言

聚合物氣體輔助共擠成型技術(shù)(簡稱為“氣輔共擠”)是將氣體輔助技術(shù)應(yīng)用于聚合物共擠成型技術(shù)的一種新型聚合物加工成型工藝，它不僅具有傳統(tǒng)共擠成型技術(shù)的高效、低耗、環(huán)保等特點，還能有效減小甚至消除傳統(tǒng)共擠成型過程中普遍存在的離模膨脹[1]、黏性包圍[2]、界面不穩(wěn)定[3]、翹曲變形[4]等內(nèi)在缺陷。聚合物氣輔共擠出流動過程受流道結(jié)構(gòu)、口模構(gòu)型及工藝參數(shù)等因素的影響，其中，氣輔擠出口模流道的合理設(shè)計是保證和提高氣輔擠出制品品質(zhì)的關(guān)鍵。氣輔擠出口?？捎蓚鹘y(tǒng)擠出口模優(yōu)化改良得到。自氣輔擠出成型技術(shù)問世以來，氣輔擠出口模的設(shè)計及改進越來越引起業(yè)界研究人員的重視。氣輔擠出口模的設(shè)計主要有孔隙進氣法和縫隙進氣法2種。1987年，Brzoskowski等[5]首次公開采用孔隙進氣法設(shè)計的圓棒形氣輔單擠出口模，用于橡膠擠出成型；2001年，Liang等[6]公開了采用縫隙進氣法設(shè)計的圓棒形氣輔單擠出口模，用于塑料擠出成型。相對于孔隙進氣法，縫隙進氣法有便于加工及清理等優(yōu)點。隨后，南昌大學的黃興元等[7-8]采用縫隙進氣法設(shè)計了圓棒形和T形異型材氣輔擠出口模，并進行了實驗研究。結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)能有效提高塑料棒材和異型材擠出制品的品質(zhì)。2011年，黃益賓等[9]采用縫隙進氣法設(shè)計了矩形異型材氣輔共擠口模，用于塑料雙層(疊層)共擠成型。結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)雖然能有效改善甚至消除傳統(tǒng)共擠成型過程中存在的離模膨脹、黏性包圍等內(nèi)在缺陷，但因口模結(jié)構(gòu)問題(即氣體入口位置為2種熔體匯合處)，氣輔共擠出制品表面容易產(chǎn)生氣槽，當氣體壓力增大時，甚至出現(xiàn)2種塑料熔體界面無法結(jié)合的現(xiàn)象，大大降低了制品的外觀品質(zhì)和力學性能。

本文借鑒黃益賓等[9]有關(guān)矩形截面異型材雙層氣輔共擠口模的設(shè)計經(jīng)驗，將口模內(nèi)熔體表面與口模壁面之間的氣墊層單獨作為一層，而不是簡化為完全滑移邊界條件，可分析氣體流動狀態(tài)對擠出制品的影響，結(jié)果有助于氣輔共擠口模的改進設(shè)計。本文采用有限元法建立L形截面異型材三維非等溫黏彈氣 - 液 - 液共擠流動理論模型，進行數(shù)值模擬，并基于模擬研究結(jié)果，對L形截面異型材雙層氣輔共擠口模進行了改進設(shè)計，且通過實驗驗證了改進設(shè)計后口模結(jié)構(gòu)的合理性。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 數(shù)值模型

(a)口模橫截面形狀及尺寸 (b)口模三維形貌及尺寸圖1 L形截面雙層氣輔共擠流道的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry structure of the gas-assistedco-extrusion with an L-shaped profile

L形截面雙層氣輔共擠流道的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，其中t為氣墊層厚，本文取t=0.1 mm；L為2種熔體匯合后的傳統(tǒng)共擠區(qū)長度，課題組前期研究結(jié)果表明L值太短不能使熔體界面黏合密實，L值太長則會增大“黏性包圍”程度，固本文分別取L=0、5 mm；口模收斂流動區(qū)的收斂角越小越有利于2種熔體平穩(wěn)匯合，但收斂角過小不利于加工，固本文收斂角度取10 (°)。模型網(wǎng)格劃分、基本方程及本構(gòu)方程、材料物性參數(shù)和邊界條件等見參考文獻[10]中“1 數(shù)值模型及模擬方法”的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 模擬結(jié)果對比

L=0(即氣體入口位置在2種熔體匯合處)和L=5 mm(即氣體入口位置在2種熔體匯合后5 mm處)時，共擠口模出口端熔體邊界形貌如圖2所示。由圖2可知，L=0時，熔體邊界在2種熔體結(jié)合界面處產(chǎn)生凹槽，實驗過程中表現(xiàn)為制品表面的氣槽；L=5 mm時，熔體邊界在2種熔體結(jié)合界面處光滑過渡，無凹槽，說明實驗過程中，氣體進入流道前，2種熔體界面已緊密黏合，可避免因氣體壓力的沖擊而產(chǎn)生氣槽。

L/mm：(a)0 (b)5圖2 共擠口模出口端熔體的邊界形貌Fig.2 Melt profile at the die exit plane

2 口?？傮w結(jié)構(gòu)及工作過程

2.1 口?？傮w結(jié)構(gòu)

L形截面塑料異形材氣輔共擠口模主要包括蓋板、匯料器、流道隔板、共擠過渡段、氣室腔體、底板等零部件，與傳統(tǒng)共擠口模相比，氣輔共擠口模除了流道橫截面尺寸略有變化外，還增加了氣室腔體，氣室腔體與底板裝配后形成氣室，用于口模內(nèi)氣體的儲存，確保流道內(nèi)氣壓平穩(wěn)以形成穩(wěn)定的氣墊膜層，氣室腔體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中螺紋孔M10×1為外部氣體進入口模的通道，φ8為銷定位孔，6-φ9為螺栓連接孔。

與黃益賓等[9]的矩形截面氣輔共擠口模結(jié)構(gòu)相比，本文根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，為避免氣輔共擠制品表面2種熔體界面結(jié)合處產(chǎn)生氣槽，在共擠過渡段的收斂流動區(qū)后增加了一段5 mm長的傳統(tǒng)共擠段，其結(jié)構(gòu)如圖4所示?？谀５目傮w結(jié)構(gòu)及實物圖分別如圖5、圖6所示。

2.2 口模工作過程

如圖5所示，2種熔體分別由2臺單螺桿擠出機擠出，經(jīng)過各自機頭分別進入聚合物熔體Ⅰ入口和聚合物熔體Ⅱ入口，在匯料區(qū)，2種熔體由流道隔板分開，流經(jīng)共擠過渡段的收斂流動區(qū)后進入5 mm長的傳統(tǒng)共擠區(qū)，經(jīng)過5 mm的傳統(tǒng)共擠區(qū)后，2種熔體界面已黏合得密實，此時熔體進入氣輔共擠區(qū)，最后由底板口模出口端面擠出。

(a)主視圖 (b)左視圖圖3 氣室腔體的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Geometry structure of the gas chamber

(a)共擠過渡段主視圖 (b)共過渡段A—A截面旋轉(zhuǎn)剖視圖 (c)共擠過渡段俯視圖圖4 共擠過渡段的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Geometry structure of the gas-assisted co-extrusion transition section

(a)口模結(jié)構(gòu)示意圖 (b)共擠流道橫截面示意圖 (c)塑件橫截面示意圖圖5 口?？傮w結(jié)構(gòu)及塑件截面示意圖Fig.5 The designed die with an L-shaped profile

3 氣輔共擠實驗驗證

3.1 實驗材料及工藝參數(shù)

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，對改進設(shè)計后的口模加工完成后進行實驗驗證。實驗用材料及工藝參數(shù)與數(shù)值模擬研究一致，聚合物熔體I和II分別采用大慶石化公司生產(chǎn)的聚丙烯(PP，T30S)和中國臺灣永嘉公司生產(chǎn)的PP(5018T)，實驗過程中，2種熔體和氣體溫度均設(shè)定為190 ℃，PP(T30S)和PP(5018T)2種熔體的入口體積流率分別為0.88、1.13 cm3/s，氣體壓力分別設(shè)定為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa。

3.2 實驗結(jié)果分析與對比

圖7(a)、7(b)為氣體壓力分別設(shè)定為0.1、0.4 MPa時的實驗結(jié)果，圖7(c)為黃益賓等[9]的實驗結(jié)果。由圖7(a)可知，塑料異型材雙層氣輔共擠成型時，若氣輔入口位置為2種熔體匯合后5 mm處，則擠出物表面可避免產(chǎn)生氣槽，原因是2種熔體匯合流經(jīng)一段距離后，料間界面已黏合緊密，此時不容易受氣流沖擊產(chǎn)生凹槽；由圖7(c)可知，若氣輔入口位置為2種熔體匯合處，則擠出物表面容易產(chǎn)生氣槽，原因是2種熔體剛匯合時，料間界面尚未黏合緊密，此時容易受氣流沖擊而產(chǎn)生凹槽。此外，實驗研究還表明，氣體壓力分別設(shè)定為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa時，擠出物表面均未產(chǎn)生氣槽，如圖7(a)、7(b)所示。為驗證實驗結(jié)果的可靠性，實驗過程還分別取了多組PP(T30S)/PP(5018T)熔體流率進行實驗(0.61/0.78、1.13/1.45、0.61/1.56、0.61/2.34 cm3/s等)，結(jié)果一致表明，采用改進設(shè)計后的口模進行氣輔共擠成型，擠出物表面均無嚴重影響制品力學性能和外觀缺陷的氣槽。

氣壓/MPa：(a)0.1 (b)0.4(c)對比實驗圖7 實驗結(jié)果對比圖Fig.7 Experimental and contrast result

4 結(jié)論

(1)將氣體入口位置設(shè)在2種熔體匯合后5 mm處，此時2種熔體料間界面已黏合密實，可有效避免氣輔共擠出制品的表面產(chǎn)生氣槽；

(2)不同工況條件下，改進設(shè)計后的L形截面雙層共擠口模能避免制品表面產(chǎn)生氣槽，與有限元分析結(jié)果一致，驗證了有限元分析的可靠性及口模改進后結(jié)構(gòu)的合理性。

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ImprovedDesignofGas-assistedCo-extrusionDiesforPolymerProfileandItsExperimentalInvestigation

DENGXiaozhen

(Jiangxi Province Key Laboratory of Precision Drive amp; Control, Nanchang Institute ofTechnology, Nanchang330099, China)

This article reported a numerical simulation for the gas-assisted co-extrusion process of profiles with an L shape by a finite element method under the consideration of the gas layer as an actual flow. The simulation results indicated that the gas groove on the surface of the extrudates could be avoided when the gas entry location of the die was reasonably designed regardless of a high gas pressure. The gas-assisted co-extrusion die with an L-shaped profile was designed based on the previous studies and simulation results, and then an experimental investigation was carried out by use of the improved co-extrusion die. The experimental results confirmed that the gas groove on the surface of the extrudates could be avoided when the gas entry was located at a 5 mm position after the two melts converged. The experimental results were in good agreement with simulation results and also verified the rationality of the structure for this improved die accordingly.

polymer; profile; gas-assisted co-extrusion; die; experiment

2017-05-26

江西省教育廳科研技術(shù)研究項目(GJJ161103)；江西省塑料制備成型重點實驗室開放基金(JXSR201603)；江西省重點研發(fā)計劃項目(20151BBE50044)

聯(lián)系人，Pearl617@163.com

TQ320.66+3

B

1001-9278(2017)11-0090-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.11.014