聚合物气辅共挤成型理论研究进展

气体辅助共挤成型技术（简称气辅共挤成型）是一种新型的聚合物挤出成型技术，其实质是将气辅挤出技术应用于共挤成型技术，发挥气辅挤出和共挤成型的优点。文章综述了气体辅助挤出成型技术机理和研究现状、聚合物共挤出成型机理和研究现状以及气辅共挤成型机理和研究现状。     

气辅挤出口模的研究现状

气辅挤出成型可以显著消除传统挤出成型中出现的挤出胀大、鲨鱼皮、耗能高等现象。在气辅挤出系统中,气辅挤出口模的设计是核心部分。介绍了国内外关于气辅挤出口模设计的特点,并进一步对口模设计进行了展望。     

聚合物熔体轴对称共挤出流动的有限元计算

建立数学模型，利用有限元法作数值解，确定界面，速度场及压力场，利用界面处法向速度为零，通过迭代求解界面位置，在界面处采用双结点法以保证速度和应力的连续性并满足压力的不连续性，使用ｅｎｎｅｒ迭代法求解圆形通道中两个共轴层流动的非线性方程。求出共挤出轴对称棒材的流量压降关系，计算结果与解析解比较，有很好的一致性。该数值方法可以运用于无法得到解析解的复杂流道。     

聚合物双组分复合共挤成型的挤出胀大研究

以PP和PS两种聚合物为实验材料,使用截面为矩形、层比为1的双层共挤口模,实验研究了聚合物共挤成型过程中的挤出胀大现象.采用Phan-ThienandTanner(PTT)本构方程,建立了复合共挤口模内外熔体流动的三维黏弹数值模型,有限元模拟了共挤出的胀大过程,计算分析了熔体在口模内外的速度场及剪切速率分布.研究表明,在入口体积流量相同的情况下,两熔体挤出口模后,存在由黏度较低的PP向黏度较高的PS一侧偏转的现象,型材截面呈不对称畸变.数值模拟结果与实验结果较吻合,两种聚合物熔体的速度分布决定了共挤出胀大过程中熔体的偏转流动行为,口模出口处的剪切速率分布基本决定了挤出胀大后型材的截面形状.     

双复合胎面共挤成型过程的数值分析

使用流体计算软件Polyflow,三维数值模拟某双复合胎面(TWD40/FS10)的共挤成型过程,分析了牵引速度对共挤出产品的影响,并将模拟结果与实际挤出产品进行对比,验证了模拟结果.研究表明:在两熔体入口流量不变且存在牵引速度时,垂直于挤出方向向上的速度分布是影响最终产品质量的关键因素;胀大比的减小主要是由牵引速度的增大引起而非壁面剪切的作用引起;在预测牵引速度范围内,所得模拟结果与实际挤出断面尺寸的最大相对误差为7.39%,在工程允许误差范围内,可以指导双复合胎面的实际生产.     

气辅成型制品与模具设计

了解气体辅助成型技术的产生及应用,合理设计制品和设计模具是保证气辅成型实现的关键.     

气体辅助聚合物挤出中的二维等温粘弹流动的数值模拟

以圆棒挤出为例，采用通用的流体力学有限元软件FIDAP，以壁面剪切应力为零的边界条件代替气体辅助挤出过程中的气垫膜层的作用对新型挤出方式——气体辅助挤出二维等温流动进行了粘弹数值模拟，得出和分析了口模内外的流线、速度、压力、应力分布和挤出胀大率等模拟结果，并将模拟结果和传统挤出进行了对比．分析和对比表明：气辅挤出可以基本消除挤出胀大，和传统挤出时的速度场、压力场和应力场在口模出口处沿轴向和径向均变化剧烈，而口模内部变化平缓的情况相比，气辅挤出时在有气辅段内各处的流线、速度、压力、应力很快趋同，到出口处几乎完全一致，从而可有效消除挤出过程中的“鲨鱼皮”现象，提高挤出制品的表面质量。     

流率和牵引速度对两种聚合物熔体共挤出影响的数值研究

利用流体计算软件包POLYFLOW对两种熔体的二维等温共挤出进行了数值模拟，重点讨论了两种熔体的流率比和牵引速度对共挤出流动情况、界面形状和挤出胀大的影响．模拟结果表明：流率比增大，两种熔体的壁面平均剪切粘度比增加，流动性差异增加，挤出物层比增加；牵引速度增加，界面平直段增加，挤出物截面减小。     

基于有限元方法的聚合物共挤出界面形成过程数值研究

用有限元方法对两种不相容聚合物熔体在共挤出流道内的流动进行了三维数值模拟,计算了共挤出流动过程的速度场、压力场和应力场．根据数值计算的结果得到了沿流动方向和宽度方向的共挤出界面变化,并分析了入口体积流量和聚合物材料参数对共挤出界面偏移的影响．结果表明：宽度方向共挤出界面的形状和位置沿聚合物流动的方向不断变化;界面偏移量的大小随着流量差异的增加而增大;聚合物入口流量的变化是导致共挤出界面位置变化的决定性因素,流量比的变化对出口处界面形状的影响不大;两种聚合物粘度的不同会导致界面偏向粘度较低的熔体一侧．     

两层聚合物共挤出过程的流变模型建立与仿真研究

使用牛顿流体模型与微分黏弹模型分别对双层聚合物共挤出过程进行了流变模型建模与仿真,得到了两路熔体流动的流变趋势与二维有限元模型.模拟结果表明:共挤过程中两路熔体在交界面处保持连续稳定流动,所受剪切应力相等,最终达到流率平衡.利用微分黏弹Oldroyd-B模型分析了共挤出过程聚合物的挤出胀大效应,可知在两路熔体体积流率逐渐增加时,共挤物的挤出形态也发生了对应偏转变化.微分黏弹模型相比普通牛顿流体模型可更好地反映聚合物共挤出加工过程中熔体的流变特性.     

聚合物共挤成型的黏性包围和界面不稳定现象

聚合物共挤成型中的黏性包围和层间界面不稳定现象是制约其发展的两大技术难题。本文详细介绍了黏性包围及界面不稳定现象的定义、特点及对制品性能质量的影响,综述并总结了这些现象形成和演变的机理,相关研究表明：黏性包围现象可用＂最小黏性耗散＂原理和＂二次流动＂理论解释,而引起界面不稳定的主要原因则是界面剪切应力过大。最后,从机理研究和工艺创新方面,对共挤成型今后的研究做了展望。     

成型中固体输送段聚合物的计算机层析测量

提出了对成型中固体输送段聚合物进行计算机层析图像测量的新方法。该方法综合运用核物理学、光电子学、高分子物理、计算机技术和数学知识，通过γ－射线的光子流与聚合物原子、聚合物链段相互作用所产生的光电效应、康普顿效应和电子对效应，来图像化地测量固体输送段的聚合物形成。实验结果表明，利用该方法不仅能对处于密闭空间的聚合物形态进行非破坏性在线测量，而且可以推导出固体输送段聚合物形态与其性能的关系。     

聚合物对水泥基建筑密封砂浆性能的影响

采用自行设计的方法研究了可再分散乳胶粉、纤维素醚和淀粉醚对建筑密封砂浆工作性能、抗流挂性能及力学性能的影响.结果表明:掺加乳胶粉后,密封砂浆挤出时间明显减少,但抗流挂性能降低;掺入纤维素醚后,密封砂浆抗流挂性能得到显著改善,但挤出时间增加,强度明显降低;淀粉醚与乳胶粉及纤维素醚配合使用有利于改善密封砂浆的挤出性能和抗流挂性能,但强度有所降低.     

聚合物熔体在直线型异型材挤出口模内三维粘弹流动分析

利用罚函数有限元法，采用PTT粘弹模型，对聚合物熔体在直线型异型材挤出口模内的三维等温流动进行了数值模拟，得出了不同挤出量下的速度和应力分布．结果表明：口模截面上流动中心位于流动阻力较小的部分，而且这部分的流速较快；必须依据流动阻力的大小来匹配组成口模截面的各部分所对应的成型区长度，流动阻力大的部分，长度应较小，以免产生流动不平衡从而导致挤出物离模后的扭曲；过渡区对熔体在其上游的稳流区和在其下游的成型区内的流动均有明显影响；聚合物熔体的松弛时间对熔体流速无影响，对剪切应力的影响非常小，随着松弛时间的增大，熔体的粘弹性拉伸应力下降，而且熔体粘弹性拉伸应力对总拉伸应力的贡献很大．     

特种工程塑料螺杆挤出纤维的成型机理

基于特种工程塑料纤维拉伸及冷却固化段的流变特性，选用White-Metzner本构方程，推导出了特种工程塑料螺杆挤出纤维成型过程的非定常拉伸流动数学模型．通过对此数学模型进行简化，并用差分法进行数值计算，求出了特种工程塑料PEEK纺丝线上的速度分布及拉伸应变速率分布，为特种工程塑料螺杆挤出纤维成型装置的设计和纤维成型过程工艺参数的确定提供了理论依据．     

纳米压印过程中的聚合物流变机理

针对紫外纳米压印工艺,采用有限元软件对光刻胶的流变填充过程进行了模拟.根据紫外压印中光刻胶黏度系数小的特点,建立了基于黏性流体的模型,采用流固耦合的ALE（Arbitrary Lagrange Euler）方法,系统分析了模板的周期性、占空比、深宽比及非周期结构对光刻胶填充效果的影响.结果表明,相对于非周期模板,周期结构的模板所能引起的图形转移缺陷小;占空比及深宽比对小周期模板比大周期模板的影响大.进行了纳米压印实验,实验结果与仿真结果吻合,说明了仿真的可信,可以作为模板结构设计及表面处理工艺的依据.     

天然纤维/聚合物复合材料的研究进展

从传统均相结构、共挤出型芯-表结构的天然纤维/聚合物复合材料、纳米纤维素及微(纳)米纤维/聚合物复合材料3个方面综述了国内外利用天然纤维增强聚合物复合材料的研究现状。芯-表结构的天然纤维/聚合物复合材料(NFPC)作为新型的绿色环保型材料已成为研究热点。使用芯-表结构可以显著改善复合材料的综合性能,大大提高复合材料的使用率,并使其在原料使用和材料性能与功能上更符合循环经济和绿色环保的原则。芯-表结构NFPC的芯层与表层间的界面性能是影响芯-表结构NFPC整体性能的主要因素。在此基础上,笔者从农作物纤维/聚合物复合材料的高值化应用的角度,分析了天然纤维/聚合物复合材料研究方向和应用方面存在的主要问题及解决思路。