考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法技术

本发明专利技术属于聚合物微挤出模塑成型技术领域，具体涉及一种考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法。该方法首先是系统建立三类组合口模的流动平衡条件，三类口模包括扁孔模与扁孔模组合、扁孔模与圆孔模组合及圆孔模与圆孔模组合，从而总结出通用的流动平衡方程。其次是基于流动平衡理论方程，提出模具设计的目标函数与约束条件，指导设计出在模具芯棒尾上增加限流结构的微挤出成型模具。本发明专利技术弥补了现有技术忽略熔体粘弹特性的不足，在直角式微挤出模具流道设计中考虑塑料粘弹特性及流动平衡过程，提高了直角式微挤出模具流道设计的科学性和通用性，同时具备良好的可拓展性。展性。展性。

【技术实现步骤摘要】
考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法


[0001]本专利技术涉及聚合物微挤出模塑成型
，具体涉及一种考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法。

技术介绍

[0002]目前，工业产品逐渐向精密化、微型化、轻量化方面发展。塑料因其密度小、比强度高、物理机械性能多样、生物相容性好等其他材料不可比拟的突出特点成为微小工业产品的主要成型材料之一。鉴于对微小复杂截面塑料型材飞速增长的现实需求，聚合物微挤出模塑成型技术得到广泛的研究与发展。微挤出成型的微小复杂截面聚合物制品，如医用介入导管、超细同轴电缆和多腔光缆、新型塑料微结构光纤、油气路塑料微管等，在生命科学、医学工程、光电通信、传感测控和电动汽车等高新技术产业领域都有大量的应用。这也极大地促使了微挤出模具在科研与生产领域的应用需求。微挤出模具的流道压缩比显著大于常规挤出模具，同时，聚合物熔体的粘弹性效应对流动过程的影响更加明显，使得聚合物微挤出过程的流动平衡及胀大变形的精密控制变的更加苦难。因此，在考虑塑料粘弹特性及流动平衡的条件下，如何建立有效的微挤出模具流道设计方法，实现塑料熔体在微挤出模具流道内的流动平衡，成为当前亟待解决的问题。
[0003]为了解决相关的技术问题，中国专利技术专利公开了一种轮胎橡胶挤出机机头流道优化设计方法，申请号为201711309716.X，其技术方案为：该专利技术提供了一种轮胎橡胶挤出机机头流道优化设计方法，首先建立机头流道模型，通过基于Polyflow模流分析、PlackettBuman试验方法、响应面分析法和模拟退火优化算法，计算出最优的机头流道结构参数设计值；通过挤出胶料横截面积的仿真值与实测值检验Polyflow模流分析方法的有效性；通过响应面分析建立优化目标函数；通过方差分析检验响应面模型的有效性；采用模拟退火优化算法对目标函数进行优化分析。
[0004]上述方案虽然在一定程度上实现了机头流道优化设计，但是，该方案存在如下的问题：模拟过程中采用的是纯粘性的Bird
‑
Carreau本构模型，无法真实反映出熔体挤出流动过程中的粘弹特性。
[0005]为了进一步解决相关的技术问题，中国专利技术专利还公开了一种T型挤出模具平衡流道的设计方法，申请号为201910521366.6，其技术方案为：该专利技术涉及T型挤出模具平衡流道的设计方法，将阻流区沿流向分为阻流I区和阻流Ⅱ区，阻流I区和阻流Ⅱ区的厚度不等。在满足熔体出口体积流率均匀的条件下，利用流变学理论推演出阻流I区和阻流II区的分界形状曲线。该设计方法将T型挤出模具的阻流区设计为两个厚度不同的区域(即阻流I区和阻流II区)，通过对熔体在T型挤出模具流道中的流动进行分析，根据流变学理论对流道结构和尺寸进行理论设计，推演出阻流I区和阻流II区的分界形状曲线，在阻流区总长度不变的情况下，通过改变阻流I区和阻流II区的相对长度来改变熔体流经阻流区的压力降，使熔体沿模具宽度方向的出口体积流率达到均匀。
[0006]上述方案在一定程度上实现了机头流道内熔体的流动平衡，可以为微挤出模具流
道结构设计提供一定的技术思路，但是，微挤出模具流道结构包含两大类，即直通式微挤出模具和直角式微挤出模具，该方案对直角式微挤出模具流道的结构设计提供的设计思路则相对有限。
[0007]综上所述，现有的挤出模具流道设计方法，均没有同时考虑熔体的粘弹特性及流动平衡，也无法为直角式微挤出模具内熔体90
°
转向后的流动特性提供技术基础。因此，迫切需要提供一种考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有技术的缺陷，没有考虑微挤出模具流道结构设计中熔体粘弹特性的影响，针对直角式微挤出模具的流道结构设计多以经验调整为主，面对流道内复杂的熔体粘弹特性和流动过程缺乏普遍适用性，专利技术了一种考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法。该设计方法提高了直角式微挤出模具流道设计的科学性和通用性，同时具备良好的可拓展性。
[0009]本专利技术主要包括如下四部分。首先是系统建立三类组合口模的流动平衡条件，三类口模包括扁孔模与扁孔模组合、扁孔模与圆孔模组合及圆孔模与圆孔模组合，从而总结出通用的流动平衡方程。其次是基于流动平衡理论方程，指导设计出在模具芯棒体上增加限流结构的微挤出成型模具。接着是将基于流动平衡理论初步设计的流道结构进行粘弹性流动过程的数值模拟，分析熔体的流动状态并检验流道设计方法。最后，根据获得的结构参数设计制造出对应的微挤出模具，开展微挤出成型实验验证流动理论与流道结构的合理性与有效性。方法的具体步骤如下：
[0010]步骤一、建立组合口模流动平衡理论
[0011](1)扁孔与扁孔组合口模
[0012]将聚合物熔体简化为非牛顿幂率流体，考虑到聚合物熔体的粘弹特性，非牛顿幂率流体的参数可通过旋转流变仪得到的熔体粘弹性参数进行转化得到。聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的体积流量Q1表达式如下：
[0013][0014]其中，ΔP1为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的流程压降；K为聚合物熔体的稠度，n为聚合物熔体的非牛顿指数；l1、w1、h1分别为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的流道长度、流道宽度、流道厚度；
[0015]同理，聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的体积流量Q2表达式如下：
[0016][0017]其中，ΔP2为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的流程压
降；l2、w2、h2分别为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的流道长度、流道宽度、流道厚度；
[0018]根据口模几何结构将一侧与另一侧扁孔口模的体积流量Q1与Q2分别表达为下式：
[0019]Q1＝w1h1v1[0020]Q2＝w2h2v2[0021]其中，v1为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的流动速度；v2为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的流动速度；
[0022]要使组合口模非对称流道实现流动平衡，聚合物熔体流动过程需要满足如下两个具体关系式：
[0023]v1＝v2[0024]ΔP1＝ΔP2[0025]通过以上方程的联立，可以得到如下的流动平衡方程：
[0026][0027]化简方程得到如下的扁孔与扁孔组合口模条件下的聚合物熔体流动平衡方程：
[0028][0029](2)扁孔与圆孔组合口模
[0030]聚合物熔体在扁孔与圆孔组合口模中的圆孔口模中的体积流量Q3表达式如下：
[0031][0032]根据口模几何结构可将扁孔与圆孔口模的体积流量Q1与Q3分别表达为下式：
[0033]Q1＝w1h1v1[0034]Q3＝πr
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v3[0035]其中，ΔP3为聚合物熔体在扁孔与圆孔组合口模中的圆孔口模中的流程压降；l3、r3分别为聚合物熔体在扁孔与圆孔组合口模中的圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑塑料粘弹性及流动平衡的微挤出模具流道设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、建立组合口模流动平衡理论(1)扁孔与扁孔组合口模将聚合物熔体简化为非牛顿幂率流体，考虑到聚合物熔体的粘弹特性，非牛顿幂率流体的参数通过旋转流变仪得到的熔体粘弹性参数进行转化得到；聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的体积流量Q1表达式如下：其中，ΔP1为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的流程压降；K为聚合物熔体的稠度，n为聚合物熔体的非牛顿指数；l1、w1、h1分别为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的流道长度、流道宽度、流道厚度；同理，聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的体积流量Q2表达式如下：其中，ΔP2为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的流程压降；l2、w2、h2分别为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的流道长度、流道宽度、流道厚度；根据口模几何结构将一侧与另一侧扁孔口模的体积流量Q1与Q2分别表达为下式：Q1＝w1h1v1Q2＝w2h2v2其中，v1为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的一侧扁孔口模中的流动速度；v2为聚合物熔体在扁孔与扁孔组合口模中的另一侧扁孔口模中的流动速度；要使组合口模非对称流道实现流动平衡，聚合物熔体流动过程需要满足如下两个具体关系式：v1＝v2ΔP1＝ΔP2通过以上方程的联立，可以得到如下的流动平衡方程：化简方程得到如下的扁孔与扁孔组合口模条件下的聚合物熔体流动平衡方程：
为聚合物熔体在圆孔与圆孔组合口模中的一侧圆孔口模中的流动速度；要使组合口模非对称流道实现流动平衡，聚合物熔体流动过程需要满足如下两个具体关系式：v4＝v3ΔP4＝ΔP3通过以上方程的联立，可以得到如下的流动平衡方程：化简方程得到如下的圆孔与圆孔组合口模条件下的聚合物熔体流动平衡方程：(4)组合口模流动平衡理论根据以上三类组合口模非对称流道的平衡方程，得到如下的结论：从流道几何结构角度，发现流动平衡方程中始终不包含有流道宽度参数w，仅含有成型段流道长度参数l与流道厚度参数h，说明流动平衡过程不依赖于流道宽度w，只需要考虑成型段流道长度l与流道厚度h的结构参数匹配即可；从聚合物熔体流动特性角度，流动平衡方程中始终含有聚合物熔体的非牛顿指数n，表明流动平衡过程强烈依赖于聚合物熔体特性，不同的聚合物熔体将会出现结构差异大的流道结构；同时，聚合物熔体作为非牛顿流体，非牛顿指数n的取值范围为0<n<1，平衡方程中的指数项(n+1)的取值范围大于1，如果流道长度l不相等，则必定有流道厚度h不相等；即当流道长度l1<l2时，此时的流道厚度h1<h2；因此，针对微挤出模具的直角式圆环形流道，合流段环形间隙采用偏心楔形环状结构是实现聚合物熔体流动平衡的前提条件；步骤二、建立微挤出模具直角式流道设计方法：直角式微挤出模具流道按照结构及功能特征划分为三段，即进料合流段、压缩段及成型段；选取进料合流段四个重要的技术参数：进料合流段长度、合流段长度，分料线斜角以及合流段环形间隙，进料合流段为非对称流道结构；压缩段设计为轴对称结构；(1)直角式流道的合流段分区模型直角式流道的合流段沿着聚合物熔体主流动方向划分为四个区域，即进料区、转向合流区、平衡区及过渡区；其中，进料区的轴向长度为L1，功能是连接微型挤出机的机筒与模具，使得聚合物熔体平稳流入到微挤出模具的流道中；转向合流区的轴向长度为L2，是偏心楔形环状流道，该区域能实现聚合物熔体流动方向的90
°
转向，转向曲线均设计为椭圆曲线；平衡区的轴向长度为L3，也是偏心楔形环状流道，该区域需要实现聚合物熔体转向后的流动平衡，轴向长度大小需要在能够实现聚合物熔体流动平衡的基础上尽可能短，以减小整个流道的轴向长度并缩短聚合物熔体的停留时间，避免聚合物熔体因长时间的高温停留出现热降解现象；过渡区的轴向长度为L4，因平衡区流道是偏心楔形环状流道，而后续的压缩段流道是同心的环形流道，过渡区起着平衡区与压缩段之间的过渡作用；(2)直角式流道的合流段结构设计
根据设计经验及现有微...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏杰，刘奎，李红霞，杨龙杰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：