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1、精品论文气体辅助共挤出矩形截面 PP 双层型材的实验研究黄益宾1,柳和生1,2,黄兴元2,熊爱华15(1. 上饶师范学院上饶市高分子材料辅助成型重点实验室,上饶 334001;2. 南昌大学聚合物加工研究室,南昌 330031)摘要:为实验研究气体辅助共挤成型工艺的特性,建立了气辅共挤成型实验系统,通过气辅共挤和传统共挤出矩形截面的 PP(2.0HC)/PP(T300)双层型材,在挤出胀大、黏性包围、挤出 产量及制品表面质量四个方面做了对比研究,结果表明:气辅共挤制品的挤出胀大率接近于10零,黏性包围程度相比传统共挤减小了 60%;在相同生产条件下,气辅共挤出产量高于传 统共挤,而气辅共挤制品
2、的表面质量与传统共挤制品无明显差别。研究证明了气体辅助共挤 能显著改善共挤制品质量并能提高生产效率。关键词:气辅共挤;实验;PP;型材;挤出胀大;黏性包围中图分类号:TQ320.66+315An Experimental Study on Gas-assisted Co-extrusion ofBilayer PP profile with Rectangular SectionHUANG Yibin1, LIU Hesheng1,2, Huang Xinyuan2, Xiong Aihua1(1. Shangrao Key Laboratory for Auxiliary Processin
3、g of Macromolecular Material,Shangrao20Normal University,Shangrao 334001;2. Polymer Processing Laboratory,Nanchang University,Nanchang 330031)Abstract: To study the characteristics of gas-assisted co-extrusion (GACE), an experimental system was established. An PP(2.0HC)/PP(T300) bilayer profile with
4、 rectangular section was extruded through GACE and traditional co-extrusion respectively. Then, a comparative study was performed in four25aspects, including the die swell, encapsulation, output and surface quality of the extrudate. The results indicate that the die swell rate of the GACE extrudate
5、is very close to zero and the encapsulation degreedecrease by 60%. Also, it is proved that the output of GACE is higher than that of traditionalco-extrusion under the same conditions. However, there is no obvious difference in surface quality between the exrudates obtained by GACE and traditional co
6、-extrusion. These results show that GACE30can improve the quality of co-extrusion products remarkably and raise productivity.Key words: gas-assisted co-extrusion; experiment; PP; profile; die swell; encapsulation0引言气体辅助共挤成型是在气体辅助挤出1-3基础上发展形成的一种新型共挤工艺,该工艺35能使口模内多相熔体近似呈柱塞状流动,各处熔体的速度近乎一致,剪切速率和剪切应力近 似为零
7、,从而能有效消除共挤出胀大4,气垫层的润滑作用还将对多相共挤过程中的黏性包 围现象以及料层界面稳定性产生积极影响5-7。因而这是一种具有广阔市场前景和巨大产业基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20093601110001);国家自然科学基金(51163011);江 西省自然科学基金(20114BAB206026);江西省青年科学基金(20121521090005)赣鄱英才 555 工程领军 人才计划作者简介:黄益宾(1978-),男,副教授,主要从事高分子材料成型加工工艺研究通信联系人:柳和生(1965-),男,教授,主要从事高分子材料成型工艺及设备研究. E-mail: - 5 -化
8、价值的绿色成型工艺。目前,气辅共挤研究尚处于起步阶段,国外尚未见相关文献报道,国内学者开展了初步数值模拟研究4,8,9,但已得到的一些研究结果尚未经实验验证,有必要40进一步开展气辅共挤工艺的实验研究,探明其工艺特性,加快其产业化进程。本文搭建了聚 合物气辅共挤成型实验系统,以一矩形截面 PP 双层型材气辅共挤出为例,针对气辅共挤出 胀大、黏性包围、挤出产量和制品表面质量开展了实验研究。1实验部分1.1 气辅共挤成型实验系统45图 1 为气辅共挤成型实验系统示意图,整套系统由两台单螺杆挤出机、气辅共挤口模、 供气系统、气体控制系统、温度压力传感器以及相应的显示仪表组成。挤出机螺杆直径分别 为
9、65mm(SJ-65)和 50mm(SJ-50),供气系统主要由空压机、输气管道、储气罐、气体流量 计、压力控制系统以及气体加热装置组成,研究中采用压缩空气作为气源。图 2 所示为课题 组自行研制的采用缝隙进气方式的气辅共挤口模,矩形出口截面长宽尺寸分别为 30mm 和5020mm。图 1 气辅共挤成型实验系统示意图Fig. 1 Diagram of the gas-assisted co-extrusion system551.2 主要原料图 2 气辅共挤口模Fig.2 The gas-assisted co-extrusion die聚丙烯 PP RB2.0HC:Tri Polyta In
10、donesia Tbk,熔融指数为 1.6g/10min;聚丙烯 PP T300:上海石油化学工业公司,熔融指数为 3.0g/10min。卡博特聚烯烃通用级红色色母粒:北京吉60和色母粒有限公司。1.3 实验方法实验中,将红色色母粒按 1:100 比例掺入 PP(RB2.0HC)并混匀,由 SJ-50 挤出机挤出, 其螺杆上分三段控制的加热圈温度分别设置为 150、160和 170,机头压缩段温度设为180。SJ-65 挤出机挤出 PP(T300),其螺杆上三段加热圈以及机头压缩段的温度设置同65SJ-50,口模共挤段加热温度设置为 190,实验过程中螺杆温度和口模温度保持不变,调整 气体压力
11、和温度与聚合物熔体压力、温度一致,以建立稳定气垫层,形成稳定气辅共挤出。 为便于测量和取样,气辅共挤口模出口方向垂直朝下放置,在固定位置放置专用剪切装置以 便截取试样。实验制品在挤出口模后约 20mm 处开始浸入冷水中冷却,截取试样长度控制在50100mm 之间。用坐标纸 1:1 绘制试样冷却后的截面形状并计算其截面积作为有效分析70尺寸。2实验结果与讨论图 3(a)和图 3(b)分别是当 SJ-50 挤出机螺杆转速为 7.92rpm,SJ-65 挤出机螺杆转 速为 4.63rpm,入口体积流率均为 1.16cm3/s 时得到的传统和气辅共挤出样品(未经定型)的截 面照片,图中所示截面上浅色区
12、域是 PP(T300),深色区域是 PP(RB2.0HC)。75(a)传统共挤出型材截面(b)气辅共挤出型材截面(a) Cross section of the profile produced(b)Cross section of the profile producedby traditional co-extrusion by gas-assisted co-extrusion图 3 共挤出型材截面80Fig.3 Cross section of the profile2.1 挤出胀大率分析由图 3 看出,传统共挤样品截面胀大变形较大,而气辅共挤样品截面基本没有胀大变形, 截面形状与口模
13、出口截面形状基本一致。聚合物挤出成型过程中的挤出胀大现象通常用挤出 胀大率来衡量,如式(1)所示。85B = s2 s1 100%s1(1)式中:B 为挤出胀大率,S1 为共挤口模截面积,S1=30mm20mm=600mm2,S2 为挤出 胀大后型材截面的面积。采用坐标纸测量制品截面积的方法,可测得传统共挤制品截面积为:811mm2,气辅共 挤制品截面积为:592mm2,由式(1)可计算得到两样品的挤出胀大率分别为:35.2和-1.390。由于口模出口朝下,取样过程中传统共挤和气辅共挤制品均会受自身重力拉伸作用以及 聚合物材料的冷却收缩而发生小幅变形,因而挤出冷却后测得的实验制品截面积将略小于
14、实95100际值。气辅共挤出样品挤出胀大率的测量值为-1.3%,这说明其实际值非常接近于零,这与此前的数值模拟研究结果4相符。上述实验数据说明:气辅共挤工艺可极大改善传统共挤存 在的挤出胀大现象,其制品的挤出胀大率接近于零,远小于传统共挤制品。2.2 黏性包围程度分析由图 3 可看出,传统共挤时,黏度较低的 PP(T300)熔体对黏度更高的 PP(RB2.0HC)熔 体有较明显包覆趋势。而气辅共挤时,低黏熔体对高黏熔体仍然有包覆趋势,但包覆程度明 显减小。对于黏性包覆现象可以用黏性包围程度来衡量。为定量描述共挤界面的黏性包围现 象,引入黏性包围程度10这个指标,其具体含义如图 4 所示。图 4
15、 黏性包围程度定义Fig.4 Definition of the encapsulation degree也即在共挤流道某一截面上界面最高处与最低处的高度差值占口模高度的比值。黏性包 围程度可由式(2)计算。105De =y yc w 100%H(2)110115式中 De 表示黏性包围程度,yc 为流道截面上共挤界面的中心高度;yw 为流道截面上共 挤界面与壁面相交线的高度。实测两样品界面位置,yc-yw 值分别为 2.5mm 和 1.0mm。可计算得到两样品的黏性包围 程度分别为:12.5和 5,这说明气辅共挤使制品的黏性包围现象得到了明显改善。2.3 气辅共挤对挤出产量的影响Table.
16、1 所示为 PP(RB2.0HC)和 PP(T300)两种材料在螺杆转速较低情况下(10rpm) 测得的传统共挤和气辅共挤的产量。由表中数据可看出,在相同挤出条件下,气辅共挤出产 量相比传统共挤出增加约 1.83.8。表 1 传统和气辅共挤出产量Tab. 1 Output of the traditional and gas-assisted co-extrusion50 ExtruderScrew speed(rpm)65ExtruderScrew speed(rpm)Output of traditional co-extrusion(Kg/h)Output of gas-assisted
17、 co-extrusion(Kg/h)12010 30 2.5 412 34 3.0 5气辅共挤对产量产生积极影响的原因在于气辅共挤口模内气垫层的润滑作用使得气辅流道内压降降低甚至为零4,从而降低机头总压降。本文实验中螺杆转速较低且气辅流道较 短,机头总压降值降低并不明显,因而气辅共挤产量较传统共挤产量增加的幅度较小。2.4 气辅共挤出对制品表面质量的影响图 5 所示是传统共挤和气辅共挤制品冷却后的实物照片。由图可看出,在正常挤出时,气辅共挤出和传统共挤出的制品表面质量没有明显差别。1253结论图 5 制品表面质量对比Fig.5 The contrast of surface quality1
18、30135140145150(1)本文在国内外首次搭建了气辅共挤成型实验系统,并实现了 PP 双层型材的稳定 气辅共挤出,这为气辅共挤成型技术的深入研究奠定了技术基础;(2)气辅共挤出制品的挤出胀大率接近于零,黏性包围程度远小于传统共挤,实验结 果验证了数值模拟结果,证明气辅共挤确实能有效改善多层共挤制品质量;(3)在相同生产条件下,气辅共挤与传统共挤出制品的表面质量相当,但气辅共挤出 能提高共挤产量。参考文献 (References)1 Ryszard Brzoskowski,James L.White,Witold szydlowski et al. Air-lubricated die
19、for extrusion of rubber compoundsJ. Rubber Chemistry and Technology,1987,60:945-956.2 R F Liang, M R Mackley. The gas-assisted extrusion of molten polyethyleneJ. Rheol,2001,45(1):211-226. 3 柳和生, 卢臣, 黄兴元. 塑料异型材气辅挤出成型实验J. 高分子材料科学与工程.2010, 26(7):93-96.4 黄益宾, 柳和生, 黄兴元, 等. 聚合物气辅共挤成型中挤出胀大的数值模拟J. 高分子材料科学与工
20、程,2010, 26(5):171-174.5 吕静, 陈晋南, 胡冬冬. 壁面滑移对两种聚合物熔体共挤出影响的数值研究J. 化工学报, 2004,55(03):455-459.6 Zatloukal M, De Witte J. Influence of process aids on zigzag type of interfacial instabilities in multilayer flows:theoretical and experimental investigationJ. Plastics rubber and composites, 2006, 35(4): 49-1
21、54.7 Zatloukal M, De Witte J, E C L, et al. Investigation of PPA interactions with polymer melts in single layer extrusion and coextrusion flowsJ. Plastics, Rubber and Composites, 2007, 36(6):248-253.8 周文彦, 周国发. 聚合物多层气辅共挤精密成型机制的数值分析J. 复合材料学报, 2009, 26(3): 90-98.9 张敏, 黄传真, 贾玉玺. 气辅共挤出流道中聚合物流动过程的数值分析J. 高分子材料科学与工程,2012, 28(1): 176-179.10 Sunwoo K B, Park S J, Lee S J, et al. Three-dimensional numerical simulation of nonisothermal coextrusion process with generalized newtonian fluidsJ. Korea-Australia Rheology Journal. 2000, 12(3/4): 165-173.
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