孫闊，張冰

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

1 研究背景

軟質(zhì)PVC指增塑劑含量在30%～70%的PVC制品，廢料主要來源于軟管、電纜外皮或用作裝飾材料的人造革等。Recovinyl的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，到2020年，歐洲PVC再生量達(dá)到80萬t，軟制品比例逐年增加[1]。反觀國內(nèi)，軟質(zhì)廢PVC的回收利用率較低，甚至再生制品仍需進(jìn)口[2]。

目前，軟質(zhì)廢PVC的主要處置方法仍停留在填埋或焚燒階段，不僅對(duì)環(huán)境造成二次污染，更是一種資源的浪費(fèi)[3]。物理再生擠出成型可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境與資源的合理配置，但聚合物擠出時(shí)的熔體破裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了廢料擠出成型的表面質(zhì)量。Kwon Y[4]采用Leonov粘彈性模型，對(duì)二維流動(dòng)的不穩(wěn)定性及熔體破裂進(jìn)行模擬分析，認(rèn)為熔體破裂的4種類型（鯊魚皮、總體斷裂、表面起伏和表面波紋）取決于熔體流量和流體性質(zhì)等流動(dòng)條件。Ketata M等[5]研究了位于模具入口處的會(huì)聚流動(dòng)和聚合物平均分子量對(duì)螺旋缺陷的形成和發(fā)展的影響。

2 理論分析

擠出物離開口模時(shí)，出口附近復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)一旦超過臨界點(diǎn)時(shí)，表面將出現(xiàn)鯊魚皮、表面波紋甚至整體破裂現(xiàn)象。廢舊物料來源廣泛，雜質(zhì)類型與含量也不盡相同，故熔體在流道中各位置所受的應(yīng)力作用歷史差異較大，導(dǎo)致熔體離開機(jī)頭后各處的彈性恢復(fù)不同。一旦熔體強(qiáng)度不能承受不均勻彈性恢復(fù)帶來的作用力，就會(huì)引起熔體破裂[6]。

對(duì)于多數(shù)物料而言，熔體破裂行為可大致分為兩類：LDPE型與HDPE型。LDPE型熔體擠出時(shí)，隨剪切速度的增大，先呈現(xiàn)粗糙表面，當(dāng)剪切速率超過臨界值時(shí)，擠出物表面呈現(xiàn)無規(guī)則破裂狀態(tài)；HDPE型熔體則先出現(xiàn)粗糙表面，其后呈現(xiàn)有規(guī)則的竹節(jié)或螺旋畸變，最后出現(xiàn)無規(guī)則破裂[7]。

含纖維的軟質(zhì)廢PVC擠出再生時(shí)，并不具有兩類熔體破裂行為的典型性。因軟質(zhì)廢料擠出時(shí)表層熔體抗拉強(qiáng)度低，加之纖維在基體中取向、拉伸作用，導(dǎo)致擠出物熔體破裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重。同時(shí)，廢料在使用過程中受光、熱等影響，自身發(fā)生復(fù)雜的降解反應(yīng)，分子鏈斷裂，分子量降低，導(dǎo)致玻璃化溫度與粘流化溫度向低溫移動(dòng)，材料對(duì)溫度的響應(yīng)更加敏感。剪切速率對(duì)擠出物表面形態(tài)的影響較小，而隨溫度的降低，擠出物表面由無規(guī)則的整體破裂逐漸發(fā)展為類似鯊魚皮現(xiàn)象的粗糙表面，最終在低溫下可以得到表面光滑的制品。

3 計(jì)算分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1.1 網(wǎng)格重置技術(shù)

應(yīng)用Polyflow進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算域?yàn)閮刹糠郑謩e為機(jī)頭內(nèi)部分與擠出自由段，其中機(jī)頭定型段半徑為8 mm，長(zhǎng)度為10 mm，自由段長(zhǎng)度為20 mm。Polyflow軟件可以對(duì)自由段進(jìn)行網(wǎng)格重置，計(jì)算出脹大后的形態(tài)。根據(jù)流道的對(duì)稱性，可將模型簡(jiǎn)化為1/4流道，如圖1所示。

圖1 Polyflow網(wǎng)格重置后的擠出物形態(tài)

3.1.2 表面質(zhì)量的表征

高纖維含量的軟質(zhì)廢PVC熔體在流道中流動(dòng)時(shí)，由于速度梯度的存在，導(dǎo)致各層熔體間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，由流道中心向壁面，剪切應(yīng)力逐漸增大。分子鏈與纖維在流道中央呈較為自由的卷曲狀態(tài)，越靠近壁面，受剪切應(yīng)力作用，鏈發(fā)生取向，熔體離開機(jī)頭后，熔體在很短的時(shí)間內(nèi)由壁面處的0速度加速到擠出物的平均速度，產(chǎn)生拉伸作用，同時(shí)纖維尺寸遠(yuǎn)大于分子鏈，對(duì)熔體的拉伸作用更加顯著，與純料相比更易發(fā)生熔體破裂現(xiàn)象，裂口一般垂直于流動(dòng)方向，如圖2所示。

圖2 含纖維的軟質(zhì)廢PVC的熔體破裂

模擬中為了反映擠出物表面的應(yīng)力作用，提取靠近壁面處的第一法向應(yīng)力差波動(dòng)情況來表征制品的表面質(zhì)量，表達(dá)式如式（1）。

式中：N1為第一法向應(yīng)力差，Pa；σ為法向應(yīng)力，約定下標(biāo)1為熔體流動(dòng)方向，下標(biāo)2為速度梯度方向。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 熔體流速對(duì)表面質(zhì)量的影響

為分析熔體流速對(duì)擠出物表面質(zhì)量的影響，繪制不同流速下，沿熔體流動(dòng)方向的第一法向應(yīng)力差的分布情況，如圖3所示。熔體流速分別取0.002 m/s，0.004 m/s，0.006 m/s與 0.008 m/s。由圖 3 可以看出，熔體擠出時(shí)在機(jī)頭出口附近出現(xiàn)了明顯的第一法向應(yīng)力差的波動(dòng)，熔體受應(yīng)力的影響，將在出口附近發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)。隨著熔體流速的增加，出口處的第一法向應(yīng)力差波動(dòng)也更加劇烈，表明擠出物表面的熔體破裂現(xiàn)象更加明顯。在實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)降低擠出速度可以一定程度地改善制品的表面質(zhì)量。

圖3 不同熔體流速下第一法向應(yīng)力差沿流動(dòng)方向的變化

3.2.2 定型段溫度對(duì)表面質(zhì)量的影響

作出不同定型段溫度下的第一法向應(yīng)力差沿流動(dòng)方向的變化圖，如圖4所示。定型段溫度分別設(shè)定為160℃，150℃，140℃與130℃。與熔體流速影響的第一法向應(yīng)力差分布規(guī)律類似，在機(jī)頭出口附近同樣出現(xiàn)了第一法向應(yīng)力差的波動(dòng)。由圖4可以看出，隨著定型段溫度的降低，機(jī)頭出口處第一法向應(yīng)力差的最大值增大，表明降低定型段溫度將加劇熔體表面的破裂程度。

圖4 不同定型段溫度下第一法向應(yīng)力差沿流動(dòng)方向的變化

以上影響擠出物成型與表面質(zhì)量的分析中，都是建立在完全液相的基礎(chǔ)之上，其中關(guān)于機(jī)頭定型段溫度的影響因素方面，僅利用近似阿雷尼克斯模型引入了溫度對(duì)于熔體粘度的影響，沒有考慮相變的問題。

實(shí)際上，含纖維的軟質(zhì)廢PVC的熔點(diǎn)在160℃左右，當(dāng)定型段溫度低于其熔點(diǎn)時(shí)，壁面附近的熔體將會(huì)發(fā)生相變，形成一定厚度的高彈態(tài)凝固層，制品離開機(jī)頭之后，表面凝固層越厚，制品表面的抗拉強(qiáng)度也就越大，對(duì)提升制品成型與表面質(zhì)量有積極影響。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

高纖維含量的物料在不同工況條件下，擠出成型后的表面狀態(tài)差異較為明顯，可直觀看出表面質(zhì)量隨工況參數(shù)的變化。不同熔體流速下的擠出物如圖5所示。由圖5可以看出，隨著熔體流速的增加，擠出物表面的熔體破裂現(xiàn)象更加顯著，與模擬分析結(jié)果相符。但較低的熔體流速下擠出物表面質(zhì)量仍然較差，表明定型段出口附近較低的應(yīng)力集中仍然不能有效控制制品的表面熔體破裂。

圖5 不同熔體流速下的擠出物表面形態(tài)

不同定型段溫度下的擠出物如圖6所示。由圖6可以看出，隨著定型段溫度的降低，擠出物表面由整體破裂逐漸向類似鯊魚皮轉(zhuǎn)變，最終表面光滑。表明適當(dāng)降低定型段溫度，使擠出物離開機(jī)頭時(shí)表面形成凝固層，可以有效提高制品的表面質(zhì)量。

圖6 不同定型段溫度下的擠出物表面形態(tài)

4.2 結(jié)果分析

與多數(shù)聚合物的擠出成型中的不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象不同，含纖維的軟質(zhì)廢PVC擠出時(shí)，隨剪切速率的增加，擠出物的熔體破裂現(xiàn)象加劇，但影響較小。隨著熔體溫度的降低，擠出物由表面整體破裂向鯊魚皮表面過渡，最終光滑無缺陷。

原因在于升溫使熔體粘度降低，其流動(dòng)性增加，熔體的抗拉強(qiáng)度降低，混雜在PVC基體中的纖維在擠出時(shí)相互纏繞、拉伸，更易使擠出物表面的熔體發(fā)生破裂。

擠出成型中，物料大多以粘流態(tài)擠出，而對(duì)于高纖維含量的軟質(zhì)廢PVC來說，粘流態(tài)的擠出物表層抗拉強(qiáng)度不足以抵抗出口附近的應(yīng)力集中與纖維取向的共同作用。將定型段溫度降低到熔體熔點(diǎn)之下，使擠出物表層在高彈態(tài)下擠出，分子鏈間無相互運(yùn)動(dòng)，可以有效提升制品的表面質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）有限元分析的結(jié)果表明，降低熔體流速可以一定程度上改善擠出物的表面質(zhì)量，但低剪切速率下仍然不能得到表面光滑的制品。在不考慮相變時(shí)，降低機(jī)頭定型段溫度將加劇熔體破裂現(xiàn)象。

（2）實(shí)驗(yàn)中，降低定型段溫度至熔體熔點(diǎn)之下，擠出物表面形成的高彈態(tài)凝固層可以顯著提升制品的表面質(zhì)量。