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聚合物多腔微管挤出成型理论与模具设计方法

作者:田慧卿年份:2016来源库:博士

摘要:在制造医用介入导管、超细同轴电缆、新型微结构光纤等制品的聚合物多腔微管挤出成型领域,聚合物在跨尺度粘弹性流动和无约束冷却收缩的共同作用下出现无法避免的型坯变形问题。型坯变形增大了模具设计难度,同时引起制品质量缺陷,是微管挤出成型技术的关键问题之一。由于聚合物多腔微管挤出流动和冷却理论尚不成熟,缺乏对微管挤出成型过程中型坯形状尺寸变化机理及规律的研究和掌握,微管挤出模具设计和工艺控制缺乏理论依据,制品成型质量难以保证,无法满足相关领域的应用要求。因此,本文以聚合物多腔微管的挤出成型为研究对象,通过建立聚合物跨尺度挤出流动和无约束冷却数学模型,对微管挤出成型过程中的型坯变形机理和规律进行深入研究,在此基础上形成基于型坯变形控制的微管挤出模具预补偿设计方法。主要研究内容如下:首先,结合微管挤出流动特点,建立了聚合物微管挤出成型的跨尺度粘弹性流动数学模型。分析了微尺度效应对流变测量的影响,提出毛细管流变仪微尺度粘度测量方法,获得了一定剪切速率和尺度范围内四种不同聚合物的粘度变化规律。根据模具流道特征尺寸逐渐减小时,尺寸变化对聚合物熔体流变特性的影响规律,通过引入尺寸因子的方法,建立了表征宏-微观粘度变化的聚合物熔体跨尺度粘度模型和考虑跨尺度粘度效应的粘弹性本构方程。结果表明:当流道特征尺寸由1000μm减小至350μm时,四种聚合物剪切粘度的平均降幅为9.9%-38.3%,微管挤出所涉及的宏-微观尺度范围内所建跨尺度粘度模型可以定量描述聚合物粘度随特征尺寸的变化。其次,利用建立的微管挤出流动数学模型,采用数值分析方法,研究聚合物微管挤出流动的模内外场量分布和型坯形状尺寸变化,揭示了跨尺度粘性流动和弹性回复共同作用下的型坯变形机理,分析了聚合物粘弹性、模具成型段截面参数和成型工艺对型坯变形的影响规律。结果表明:多腔微管挤出成型过程表现出显著的型坯轴向和径向变形现象。聚合物跨尺度粘弹性对挤出胀大有明显影响,弹性回复和粘性流动分别是引起挤出胀大和型坯变形的主要原因,微尺度效应增强了挤出胀大而减弱了轮廓变形。材料特性中,第二法向应力差系数增大将抑制轮廓胀大而增强壁厚胀大,分子链支化程度的影响与其相反,分子缠结程度越高壁厚胀大程度越小。模具成型段截面参数对型坯变形影响显著,型坯变形程度与模具截面非对称性参数之间存在非线性变化规律;型坯壁厚变形和轮廓变形分别由模内轴向速度不均匀引起的模外速度重排和轴向速度重排引起的径向速度分量导致。成型工艺中,微量注气条件的变化对型坯影响显著,在型坯壁厚满足设计要求时,合理的注气压力可以改善型坯轮廓;螺杆转速的增大会加剧挤出胀大及其各向异性,小流量下瞬时胀大起主导作用,随流量增大,延迟胀大对总体胀大程度的贡献增大。提出了实时拍照与冷却测量相结合的多腔微管挤出胀大测量方法,对双腔微管的挤出成型过程进行了实验验证。数值计算的型坯变形参数与实验测量结果的差异小于6.3%,验证了所建微管挤出流动数学模型可以定量表征挤出过程中的型坯变形程度。然后,基于传热学理论,建立了多腔微管型坯冷却过程数学模型,提出了型坯表面与冷却介质的对流换热系数的计算方法,通过实验测量了聚丙烯热力学参数对温度的依赖性,采用有限元方法,研究了双腔微管和五腔微管的冷却过程,揭示了型坯截面温度变化和收缩变形规律,以及牵引速度对冷却过程的影响规律。结果表明:微管型坯冷却经历的时间很短,所需冷却长度远小于常规挤出成型。冷却过程中截面温度分布不均匀,不同位置的相转变不同步,冷却所需时间不仅与型坯壁厚有关,同时还受型坯截面形状的影响。牵引速度的增大可以缩短冷却时间但降低温度分布的均匀性,其影响程度逐渐减弱。由于微管挤出冷却过程中没有外部约束,因此冷却结束时型坯截面的收缩较为均匀。但是冷却过程中,型坯内外区域的热变形不均匀,型坯内部对相邻区域的热变形存在约束而引起热应力,因此冷却后制品存在较大的内应力。最后,基于型坯变形补偿的设计思想,结合微管挤出成型流动、胀大、冷却、牵引全过程的型坯变形规律,建立了基于型坯变形控制的微管挤出模具预补偿设计方法,提出了微挤出模具设计原则、预补偿设计步骤和补偿量计算方法。以均匀壁厚双腔微管和非均匀壁厚五腔微管的挤出模具设计为例,分别采用常规方法和预补偿方法设计、制造相应的微管挤出模具,进行了挤出成型实验。结果表明:常规模具设计方法在进行微管挤出模具成型段截面设计时缺乏理论依据,制品截面相对其设计截面会产生无法通过工艺参数调整来改善的轮廓、壁厚变形缺陷。而通过模具成型段截面补偿量的定量计算,可以控制微管挤出成型过程中的型坯截面形状、尺寸变化,利用预补偿方法设计的微管挤出模具,通过注气参数的微量调整即可得到符合设计要求的多腔微管制品,证明了该方法在工程应用中的可行性和有效性。

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