聚合物共挤出复合流动机理及数值模拟研究

【摘要】自改革开放以来,我国塑料包装行业得到稳步、高速发展,多层复合包装膜以其优异的性能而得到各行各业的青睐。然而生产宽幅、多层复合包装膜所用的复合成型机头的核心技术仍然为国外所垄断,因此开展复合共挤出成型机理研究已刻不容缓。本课题以高聚物熔体在衣架机头内的三维非等温计算与复合共挤出数值模拟为研究对象,提出了聚合物熔体三维非等温模型,探讨衣架机头内熔体温度分布规律及相关因素对温度分布的影响;并做了相应的实验研究。在非等温计算的基础上,构建三维非等温非牛顿聚合物复合共挤出熔体层间界面位置分布模型,模拟了衣架机头内共挤出熔体层间界面形状和机头出口处熔体内界面位置分布,讨论了相关因素对界面位置分布的影响；模拟结果与文献结论一致。本文主要取得如下成果和结论：1.提出了聚合物熔体三维非等温计算模型,采用有限体积法在交错网格上离散了四大方程,应用VisionFortran语言编制了聚合物熔体非等温挤出求解器。2.模拟了衣架机头内熔体的温度分布,并对衣架机头进行了逐区分析,总结了熔体速度梯度所产生的粘性耗散以及热传导和热对流对熔体温度分布的影响。3.考察了机头壁面温度、非牛顿指数和拉伸速率对熔体内温度分布的影响规律：1)机头壁面温度的变化会显著影响熔体温度值的大小,但对熔体内温度分布的规律影响不大；2)在聚合物熔体的非等温计算中,把非牛顿指数按温度的函数处理能够得到更接近于真实的模拟值；3)把熔体拉伸速率并入粘性耗散项来处理会不可避免地导致所模拟的熔体温度会比实际的要高。最后用实验验证了这些结论。4.在三维非等温模型的基础上,推导出三维非等温非牛顿聚合物复合共挤出熔体层间界面位置分布模型,并在交错网格上采用有限体积法离散了共挤出计算模型,编制了三维非等温非牛顿熔体共挤出模拟求解器。5.模拟了衣架机头内共挤出熔体层间界面形状,重点考察了机头出口处熔体层间界面位置的分布。6.应用本文提出的三维非等温非牛顿复合共挤出模型所模拟的结果与文献的结论是一致的。同时还分析了共挤出各组分熔体的流率比、粘度比和机头壁面温度对共挤出熔体层间界面位置分布的影响,得到如下结论：1)粘度比和机头壁面温度对熔体层间界面位置分布具有相同的影响,即：粘度比和机头壁面温度对界面形状有显著的影响,但对界面位置影响不大；机头壁面温度越高,共挤出熔体的粘度比就越小,则熔体界面的变形就越小。2)“包囊”现象主要是由于共挤出熔体间存在粘度差所造成的。当不同粘度的熔融物料在同一流道中一起流动时,其流速分布不同,根据“最小能量消耗原理”,低粘度熔体倾向于向高剪切速率区换位,所以才会有“低粘度熔体始终有包裹高粘度熔体”的趋势出现。3)共挤出熔体流率比的改变可以调整熔体层间界面位置,但对界面形状影响不大。4)实际生产中,在机头几何结构已定的情况下,可以通过调整共挤出熔体的粘度比、流率比和机头壁面温度这三个因素,以确保生产出合格的复合制品。
【作者】武停啟；
【导师】江波；
【作者基本信息】北京化工大学，材料加工工程，2006，博士
【关键词】非等温；三维共挤出；界面位置；衣架机头；

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