微纳叠层复合材料成型口模结构优化.pdf

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1、72工程塑料应用2011年，第39巷，第7期微纳叠层复合材料成型口模结构优化王乾安瑛王小华谢鹏程杨卫民丁玉梅(北京化工大学机电工程学院，北京100029)摘要使用Moldex3D模流分析软件对微纳叠层喇叭口模内部熔体的流动情况进行模拟，通过对阻尼块结构和尺寸的优化，分析了口模内部熔体的流动情况，根据熔体横向速度均匀性设计出最佳口模内结构形式，为微纳叠层复合片材制备提供借鉴。关键词微纳叠层喇叭口模阻尼块横向速度Moldex3D微纳叠层方法是将两种或多种聚合物通过一组喇叭口模人口处截面长为100into，宽为10mm，出特殊层叠单元进行共挤出，从而形成几十乃至

2、上千口处长为300mm，宽为3．33mill。物料沿人口处向层交替结构的复合材料，其层厚可达微米级甚至纳出口处流动，保持主流道充满。米级水平。这种方法生产的层状复合材料在力学性能、阻隔性能、导电性能、光学性能等方面具有独特的优点，应用前景非常广泛。笔者研制的新型叠层装置采用熔体模内扭转方法实现微纳层叠功能复合材料的制备，具有制造工艺简单、精度容易保证、流道分层规整性更好、流动阻力降低等优点。微纳叠层方法使用挤出机、口模、层叠器和喇叭口模进行生产，熔体在经过层叠器进行叠层复合之后，进入喇叭口模挤出所需的的微纳叠层片材。由J到1喇叭口模流遭几何模型于微纳叠层片

3、材是层状交替结构，层状结构若发生1．2材料选择破坏，则会对材料的强度、阻隔性能产生影响，因此模拟时选取的物料为DOW公司生产的牌号为需要控制复合材料的交替层状结构不发生破坏。同C705—44NAHP的聚丙烯(PP)，其泊松比为0．38。时在挤出时应保证挤出片材的横向厚度均匀性，而考虑到物料挤出时存在剪切生热，在机头中布置有横向厚度均匀性又直接受口模内部熔体流动前沿均冷却管道，故假设流道内物料恒温，且不可压缩，物匀性的影响，所以控制口模中熔体流动前沿均匀性料流动为层流，图2为物料的黏度曲线。对叠层材料的质量有重要的意义。随着计算科学的发展和计算机硬件条件的突

4、飞呐猛进，对高分子熔体进行流动模拟和CAE研究越来●山＼越引起人们的重视-4]。Moldex3D为全球塑胶注射成型产业中的CAE模流软件领导品牌，以先进的真实三维模拟分析技术解决各种高分子材料产品设计与制造问题，笔者采用Moldex3D模拟喇叭口模内部熔体流动情况，并根据熔体流动时流动前沿均匀图2物料的黏度曲线性对喇叭口模的结构和尺寸进行优化，设计出熔体1．3单元的划分流动前沿均匀性最好的喇叭口模，从而获得横向厚将流道划分成符合Moldex3D单元划分要求的度均匀、层状结构未发生破坏的叠层复合片材，为整四面体网格。该网格模型共有295396个单元，个微纳叠

5、层设备的开发奠定良好的基础。96075个节点，平均纵横比为0．89，最小纵横比为1建立模型0．291．1机头内部流道模型模拟时建立的喇叭口模流道几何模型见图1。收稿日期：2011-04—11王乾，等：微纳叠层复合材料成型口模结构优化731．4边界条件的处理根据PP在挤出机中的加工条件，人口面上施加压力为228MPa，出口面上压力为0。口模温度设定为24O℃，除了进口和出口两个面外，其余各表面速度边界分量均为0。2结果与分析图5增加阻尼块后喇叭口模熔体流动波前图2．1模拟结果分析熔体的流动速度小于两端靠近壁面部分的速度。阻喇叭口模熔体流动波前图如图3所示。由

6、图3可知，沿进料方向，熔体在流动过程中，中间部分的尼部分使得熔体向两端壁面部分流动，使得中间部分流速减小，但是阻尼部分对中间熔体流动的阻挡流动速度大于两端靠近壁面部分的速度。喇叭口模沿进料方向横向宽度不断增加，物料沿进料方向流作用比较大，使得中间部分熔体的流动速度小于两端靠近壁面部分熔体的流动速度，需要对喇叭ISI模动，保持流道充满，两端靠近壁面部分熔体在沿进料继续优化。方向流动的同时，也向口模两边扩散。所以熔体在(2)减小阻尼块高度流动时靠近口模中间部分的熔体流动速度大于两端将阻尼块的高度减小为0．5mm，进行熔体流动靠近壁面部分的速度，熔体流动前沿横向

7、速度分布不均匀，需要对口模进行进一步优化。的模拟，熔体流动波前图如图6所示。由图6可知，沿挤出方向，中间部分熔体的流动速度与两端靠近【S]壁面部分熔体的速度已经比较接近，熔体流动前沿j嘞{S3■■■：3■兮wn2u口■1H≈O"■lO叭．横向速度均匀性有了很大的提高。但是阻尼块对中。443322心物料的阻碍作用以及喇叭口模沿横向的增加，使薹得两端靠近壁面部分和中间部分的熔体流动速度比▲较小，需要对口模结构进行修改。L￡图3喇叭口模熔体流动波前图2．2喇叭口模结构优化(1)添加阻尼块沿进料方向熔体流动前沿横向速度要均匀，熔▲体在喇叭口模流动时中间部分的流动速

8、度大于两端靠近壁面部分的速度，需要在喇叭口模内部增加一图6减小阻尼