气－液－液耦合作用下塑料异型材气辅共挤成型机理研究

通过对塑料异型材气体辅助共挤出成型的实验和理论研究，揭示气体流动状态、塑料流变性能、过程参数、口模构型对异型材气辅共挤出口模内外各场量、挤出胀大、黏性包围、二次流动及料层界面形貌的影响规律，建立气－液－液耦合作用下塑料异型材气辅共挤成型的机理模型及与其相适应的三维非等温黏弹数值模拟算法。通过对实验和数值模拟结果的分析，研究塑料异型材气辅共挤过程中各场量分布，气垫膜层、黏性包围、二次流动和界面不稳定等因素以及它们的相互作用对层间界面形貌的影响规律，研究形成稳定气垫膜层的进气方式和条件，探明气辅条件下影响黏性包围和界面稳定性的因素及其影响机理。在上述研究基础上提出塑料异型材气辅共挤成型的工艺条件，最终提出塑料异型材气辅共挤成型工艺和口模设计的理论和优化原则。

塑料异型材是占塑料制品份额很大的一个重要分支，共挤塑料异型材因其在生产成本、外观色彩、环保性以及产品性能等多方面的优势，应用日益广泛。但发展至今，共挤塑料异型材依然存在诸如挤出胀大、黏性包围、二次流动以及界面不稳定等制约其进一步发展的问题。. 气体辅助共挤成型技术是一种新型的塑料成型工艺。因为口模内壁与塑料熔体表面之间存在稳定的气垫膜层，使得熔体在口模内的挤出方式由非滑移黏着剪切流动转换为完全滑移非黏着剪切流动，从而可有效减小挤出胀大、黏性包围、二次流动以及界面不稳定等现象。本项目建立了塑料异型材气辅共挤出成型实验装置。为研究气垫层对共挤成型的影响，考虑真实的气-液-液三相流，建立了气-液-液耦合作用下塑料异型材共挤流动机理模型。并采用该实验装置和机理模型对塑料异型材气辅共挤成型进行了系统的实验研究和数值模拟。优化了塑料异型材气辅共挤口模结构，获取了共挤口模内形成稳定气垫膜层的影响因素及其影响规律，探明了气体辅助工艺对塑料异型材表观和内在质量的影响规律，得到了不同口模构型、不同工艺条件和不同物性条件下口模内外的速度场、温度场、压力场、应力场和剪切速率分布。同时，从理论上获得了气垫层对共挤成型的影响规律。研究结果表明：（1）在口模内气辅共挤流道前端增加一段长度为5mm左右的无气辅共挤流道，能有效避免成型过程中因气体冲击熔体结合面而产生气槽的问题；（2）气辅共挤成型过程中，气体压力和温度、螺杆与气阀的开启顺序、口模缝隙厚度、熔体流率、物料特性、牵引力等都是影响稳定气垫膜层形成的重要因素；（3）相比于传统共挤成型，气辅共挤能有效降低口模压降，从而提高共挤产量，且产量增幅随着挤出熔体黏度的增大而增大，如两种PP共挤时，产量增率为1.76%～4.65%，而PP和比之黏度更高的HDPE共挤时，产量增率高达12.95%；（4）气体辅助技术能有效消除共挤口模出口端面上熔体的二次流动，且使得熔体沿挤出方向的速度均匀一致，从而能有效减小甚至消除熔体离开口模后的挤出胀大和偏转变形等不利现象，同时能将黏性包围程度减小60%以上。基于上述研究成果，提出了塑料异型材气辅共挤成型工艺条件和口模设计的指导思想和优化原则。. 本项目的研究成果丰富和发展了塑料异型材共挤出成型理论，并为塑料异型材气辅共挤出成型技术的工业化应用奠定了坚实基础。