聚丙烯挤出胀大现象的研究毕业论文

1、本科毕业设计（论文）信息题目名称：聚丙烯挤出溶胀的研究摘要聚合物在挤出过程中，由于熔体的粘弹性，当挤出物离开模具时，会出现挤出物横截面积大于模具的现象，即挤出溶胀现象，也称为巴鲁斯效应。影响挤出溶胀的因素很多，如聚合物熔体的进出口流量、模具结构尺寸、聚合物的分子量和重均分子量分布、加工温度、熔体挤出时的剪切速率、剪切速率等。模具出口处的剪切应力和散热等。挤压膨胀严重影响零件的形状和尺寸精度，是挤压模具合理设计和产品质量控制必须考虑的关键因素之一。本文根据实验室现有的毛细管流变仪和激光卡尺设计了一种挤出物直径在线测量系统，具体研究了聚丙烯通过不同长径比模具的毛细管后的挤出膨胀现象。此外，还讨论了

2、振动力场下的挤压胀大，分析了挤压胀大现象的影响因素，为产品成型过程的控制提供了理论指导。关键词：聚丙烯，挤出溶胀，毛细管流变仪，激光卡尺摘 要在聚合物挤出过程中，与粘弹性熔体一样，当挤出物件后模头留下的材料会出现超出模头的截面积大于模头截面积的现象，即挤出物溶胀现象，又称巴鲁斯效应。影响挤出溶胀的因素很多，如聚合物熔体入口和出口的流动性、模头尺寸、聚合物分子量分布和重均分子量、加工温度、熔体挤出时的剪切速率、剪切应力和模具的出口，如散热。挤出胀大现象严重影响了零件的形状和尺寸精度，合理控制挤出模具的设计和产品质量是必须考虑的关键因素之一。本文针对实验室现有的毛细管流变仪和激光测径仪等设备设计了

3、挤出线测径系统，对不同长径比的聚丙烯通过毛细管模头后挤出物的膨胀现象进行了具体的实验研究，同时根据振动力场对挤出物溶胀现象也进行了分析，分析了影响挤出物溶胀现象的因素，为制品成型过程控制提供了理论指导。关键词： PP，聚合物熔体，挤出成型，挤出溶胀目录第 1 章 引言11.1 聚合物挤出溶胀现象研究进展11.3 正应力研究进展11.3 毛细管流变仪的测量原理与方法41.3.1毛细管流变仪的基本结构41.3.2毛细管流变仪测量原理7第二章毛细管挤出物直径在线测量系统设计92.1 硬件第9部分2.2软件部分10第3章实验第12节3.1 实验目的和内容123.2实验装置123.3实验原料133.4实

4、验参数133.5实验步骤和程序133.53.5第四章结果分析与讨论154.1 剪切速率对挤出溶胀比的影响154. 2模纵横比对挤压膨胀比的影响174.3振动力场对挤压膨胀比的影响18结论19参考20至21第一章简介1.1聚合物挤出溶胀研究进展挤出溶胀是指聚合物熔体通过模头挤出后挤出物直径的增加。它是由美国生物学家巴鲁斯于 1893 年提出的，因此也被称为巴鲁斯效应或死膨胀。使挤出物与模具的形状不一致，严重制约了挤出制品的质量。特别是异型材的模具通常采用逆向工程设计。因为在生产中，当原材料、成型工艺等因素发生变化时，逆向设计无法适当补偿熔体挤压膨胀引起的尺寸变化。因此，产品的尺寸精度受到很大影响

5、。粘弹性聚合物熔体在流动过程中具有可恢复的弹性变形，并且挤出物的直径大于模具的直径。模头膨胀机理如下1 ： (1)当熔体进入模头时，由于流线收缩，在流动方向上产生速度梯度，即发生拉伸变形。如果在模具中花费的时间很短（L/D 很小），则没有松弛。即聚合物的弹性变形效应或记忆效应引起的挤压膨胀； (2)当L/D较大时，模具内熔体的流动发生剪切变形，并有垂直于剪切方向的法向应力，引起挤压胀大，即法向差引起的挤压胀大压力; (3) 熔体在模头内流动处于高剪切力场，大分子沿流动方向取向，脱模后发生去取向。聚合物分子链的回缩引起挤出溶胀，即挤出溶胀是由取向效应引起的。华南理工大学梁志、吴顺英等2研究了锥形

6、挤压模具的几何结构对挤压膨胀的影响。模具入口角为1530时，挤出膨胀小；角度为45120时，挤压膨胀较大，但在锥形模具入口角处，入口角的变化对挤压膨胀影响不大。当 L/D 较大时，模具入口角对挤压膨胀影响不大。对于没有直线段的锥形模头（L/D=0），在模头入口角处形成会聚流场，沿流动方向产生速度梯度，熔体被拉伸变形产生强弹性效果。这导致相对较大的挤压膨胀。GuadarramaMedina 等人。 3研究了壁滑移对 LDPE 挤出膨胀的影响。壁滑杆降低了熔体的剪切应力，限制了大分子链在流动中的解缠结和错位，降低了挤出溶胀比B。1.2正应力研究进展聚合物的所有弹性行为本质上是聚合物对力作用的反应，

7、主要与法向应力差有关。魏森伯格于 1949 年首先开始对正应力的研究，此后十年的研究工作主要集中在聚合物溶液，特别是聚异丁烯溶液的研究上。 1970年后，对聚合物熔体进行了大量的实验研究。法向应力的值通常可以通过魏森伯格粘度计、机械光谱、狭缝或毛细管粘度计来测量，但这些仪器价格昂贵，操作困难，其次，实际生产中的剪切速率往往很高，使用这些仪器进行测量是难以实现。为了在生产中使用，人们一直在努力寻找直接从挤压实验数据中预测法向应力差的方法，并取得了进展。Tanner 发现可以将以前关于聚异丁烯溶液的文献数据与法向应力和剪切应力之间的关系联系起来。 Kunio Oda, James L. White

8、 研究了聚苯乙烯熔体的法向应力和剪切应力之间的关系，发现法向应力差仅是剪切应力的函数，与温度和分子量分布无关，并以取以宽分子量和窄分子量分布的聚苯乙烯为对象，通过最小二乘回归法得到形式为=A的经验公式。 JLWhite根据二次流体理论将法向应力表示为，其中为法向应力差系数。 Lee 和 White 用锥盘粘度计进行实验，发现 /非常小且为负值，约为 -0.15。 Han使用狭缝和毛细管粘度计实验研究了N2 /N1 的值 -0.45 。 Kee 和 Stastna 研究了几种聚合物溶液的毛细流动中弹性特性和材料功能之间的关系。使用有限长度的珠状弹簧链模型，提出了剪切粘度与第一法向应力差系数之间的

9、相关性。Han、Pena、Carreau 及其同事假设流体为粘性流动，并假设狭缝通道和毛细管中的压降相同，并将出口压力损失 Pex与：是管壁处的剪应力。虽然已经得到了出口压降和法向应力差的对应表达式，但能否从出口压降中得到法向应力差一直存在很大争议。 Han 及其同事获得了五种聚合物熔体和聚丙烯邻苯二甲酰胺溶液的正出口压降值。然而，获得的 N: 值比使用锥盘粘度计获得的值高 1 到 3 倍，并且没有对过高的剪切速率进行比较，因为它们无法用锥盘粘度计进行验证。而另一些研究人员则得出出口压力降为零，有的为负值。一个原因是估计出口压降的误差很大。例如，粘性耗散和压力的粘性依赖性使得沿模具长度的压力分

10、布是非线性的，因此难以分析通过插值获得的出口压降值。Donald G. Baird和MDRead进一步研究了出口压降的插值方法，发现二次插值函数适用于PS出口压降，而线性插值函数最适用于LDPE。对于PS，出口压降是剪切应力的单调递增函数，但对于LDPE，它是非单调的，出口压降存在最小值。因此，仅对于 PS 应用，可以推断出法向应力，但是，获得的值仍然比使用锥盘粘度计获得的值高 2 到 5 倍。Choplin和Garreau利用宏观能量守恒定律的研究结果表明，聚合物溶液在狭缝通道中的出口压降主要代表粘性耗散，以及惯性流中狭缝通道壁上的法向应力差的表达。获得幂律流体。该表达式类似于 Boger

11、和 Denn 利用动量守恒定律得到的狭缝通道壁的法向应力表达式，两者都考虑了出口区域附近速度的重新分布。研究表明，如果不能忽略或明确确定粘性损失（即速度的重新分布），则无法从出口压降中获得法向应力差的值。 Carreau 还认为出口处存在速度重新分布，利用动量守恒和能量守恒两种方法研究了聚合物熔体与毛细管中溶液的法向应力差，发现出口附近的速度被重新分配，即粘滞损失不容忽视，粘滞损失对聚合物溶液出口压降的影响达到90%。如果假设流体为粘性流动，从出口压降得到的法向应力差估计值偏高，因此不能从出口压降得到预测的法向应力差。一些研究人员认为，挤压膨胀是由于法向应力效应，并建立了类似形式的挤压膨胀关系

12、，假设弹性模量恒定，分别是更熟悉的 Graessleyp、Bagley 和 Tanner 的：梁继钊对挤压膨胀与法向应力的关系进行了一系列实验研究，得到了对应关系。实验验证了该关系预测的弹性流值与前人建立的模型预测的值相同。更近。Juan J.Pena 和 Anton Santamaria 使用毛细管装置，使用末端压降损失、入口压降损失和挤压三种方法比较了聚苯乙烯和高抗冲聚苯乙烯之间的法向应力差。从溶胀三个方面得到法向应力差的数据，结果发现三种方法得到的法向应力差吻合较好，聚苯乙烯的法向应力差大于高抗冲聚苯乙烯的法向应力差。法向应力的研究对于揭示挤压膨胀的本质具有重要意义。今后应改进实验设备和

13、实验方法，争取获得准确的法向应力值，从而深入了解挤压膨胀的性质。建立其相应的表征，为聚合物生产中的质量控制提供理论指导。1.3毛细管流变仪的测量原理及方法1.3.1毛细管流变仪的基本结构毛细管流变仪是目前最成熟、最典型、应用最广泛的流变仪。其主要优点是：操作简单、测量准确、测量范围宽（ ），而且毛细管内物料的流动与某些加工成型过程中的物料流动相近，具有实用价值。使用毛细管流变仪不仅可以测量材料的剪切粘度，还可以通过对挤压行为的研究来讨论材料的弹性行为。毛细管流变仪的基本结构如图（1-01）和图（1-02）所示。它的核心部分是一组具有不同纵横比（通常L/D=10/1、20/1、30/1、40/1

14、等）的精密毛细管；筒体周围是带电热丝的恒温加热夹套；料筒上部为液压驱动柱塞。物料受热变成熔体后，在柱塞的高压作用下被迫从毛细管中挤出，从而测量物料的粘弹性。图 1.1 毛细管流变仪示意图图 1.2 毛细管和压力传感器的布置此外，该仪器还配有高档调速机构、测力机构、自动记录和数据处理系统，以及定型或自行设计的计算机控制、计算和绘图软件，非常方便操作。根据测量原理的不同，毛细管流变仪分为等速型和恒压型两种。恒速型仪器预设柱塞加压速度恒定，被测量为毛细管两端的压差。恒压式仪器预设柱塞前进压力恒定，被测物料的挤出速度（流量）。塑料工业中常用的熔体指数仪是恒压毛细管流变仪。通过在柱塞上预先设定一定的重量

15、（压力），在指定的温度和指定的时间测量通过毛细管的流量。通过这种方式，比较材料相对分子量的分子，以确定它适用于哪种成型工艺。通常，流量大，材料的熔体指数高，说明其相对分子量小，这类材料多适用于注塑成型工艺。流速小，熔体指数低，说明其相对分子量大，这类材料多适用于挤出成型工艺。熔体指数仪的结构原理如图1-03所示。图1.3 熔体指数仪结构示意图物料从大口径筒体以一定的入口角度通过入口区域进入毛细管，然后从出口挤出，其流动状态变化很大。入口附近有明显的流线会聚行为，会影响刚进入毛细管区的物料的流动，使其流入毛细管一定距离后发展成流线平行的稳定层流。在出口附近，由于管壁约束的突然消失，弹性液体出现挤

16、压膨胀，流线随之发生变化。因此，整个毛细管内的物料流动可分为三个区域：入口区、展开流动区和出口区（见图1-04）。图 1.4 毛细管中的三个流动区域1.3.2毛细管流变仪的测量原理毛细管壁处材料的剪应力是通过测量完全展开区上的压力梯度得到的，公式为：当压力梯度均匀时，一个方便的计算压力梯度的公式是：其中 P 应该是完全展开的流动区的压力差（长度为 ）。但在实际测量中，压力传感器不是安装在毛细管上，而是安装在筒壁上。那么测得的压力包括三个部分：人口区的压降、充分发展的流动区的土壤压降和出口区的压降。另外，在充分发达的流动区域内的流道长度不等于毛细管长度L，因此在通过测量压力差计算压力梯度时，必须

17、进行适当的修正。测量的压力差 P准确确定完全展开的流动区域上的压力梯度，Bagley 提出以下修正方法。中心思想是，保持压力梯度恒定，毛细管（实际上完全展开的流动区域）实际上扩展了，入口区域的压降相当于虚拟扩展长度上的压降。设毛细管长度为 L，根据 Bagley 方法，虚拟延伸长度记为 。称为 Bagley 校正因子。认为 P 均匀地落在 L+ 上，所以压力梯度为：这里P 是测量的总压差，包括入口压降。管壁材料所承受的剪应力等于：第2章毛细管挤出物直径在线测量系统设计建立在毛细管流变仪上的料径测量系统，在毛细管流变仪测控系统的基础上，扩展了料径测量装置、直径数据采集、直径数据实时显示、数据存储

18、等相关功能。2.1硬件部分图 1.1 显示了材料直径测量系统的示意图。被挤出的物料在重力的作用下不断下落。当挤出的材料通过激光卡尺的光路时，由于材料的阻挡，光路会产生相应的阴影。通过卡尺装置测量阴影的大小可以得到当前材料的直径，并产生相应的数据信号。信号通过串口线连接到计算机的标准RS232接口（即COM口），然后由RS232驱动程序将信号处理成数字序列提交给操作系统，最后由应用程序处理和处理。显示当前直径数据。图 2.1 测径系统示意图图2.2是材料测径系统的实际场景图，红线用激光测径仪标注。图 2.2 测径系统现场实物2.2软件部分材料直径测量系统的软件部分是在NI LabVIEW8.5平

19、台上开发的，实现了直径数据的采集、处理和显示等功能。VISA read 函数。具体信息由激光卡尺制造商确定为ASCII码流（字符串），这是软件处理的基础和关键。然后，通过模式匹配确定有效的直径数据，并实时保存并显示具体数值，具体流程如图1.3所示。开始开始初始化串口初始化串口读入指定长度的字符串读入指定长度的字符串在当前字符串中查找有效直径数据在当前字符串中查找有效直径数据NYNYYY结束找到了有效数据退出吗保存并显示当前直径NYNYYY结束找到了有效数据退出吗保存并显示当前直径图图2.3 直径测量流程图第三章实验部分3.1 实验目的和内容利用自行设计的测量系统和相关实验室设备，以多功能流变测

20、试仪为实验机，对聚合物熔体进行稳态和动态流变实验，从不同方面对聚合物熔体进行研究。比率。讨论了模具内振动力场作用下的挤出特性、聚合物熔体挤出膨胀的机理以及振动参数对挤出膨胀和熔体流动的影响，为产品成型过程控制提供理论指导。3.2 实验仪器图 3.1 高级毛细管流变仪图 3.1 显示了实验中使用的流变仪设备。它是自主研发的单筒先进毛细管流变仪，具有独立的加热系统和温度控制系统，采用特定的双模式数字调速技术。 ，用于控制新的毛细管流变仪。该技术使用不同的速度控制算法来适应高速和低速操作以获得最佳性能。它可以对毛细管流变仪进行广泛的速度控制。整个测试由软件控制。测试控制软件为（RH2008）；它可以

21、自动保存和获取测试结果。激光卡尺：LDW-10A，励德高科技此外，还使用了图 3.2 所示类型的模具。图 3.2 模具2组分为两组进行对比研究(1) =1mm，h为8、16、32、42mm；(2) / d=16mm，h分别为16、24、32mm 。3.3 实验原料材质：PP（聚丙烯）。制造商：中国石油化工集团公司型号： 305AT1执行标准：QISH1085 15820063.4 实验参数温度：180剪切速率（ /s）：10、14.67、21.54、31.62、46.41、68.12、100、146.77、215.44、316.22、464.16、681.29、1000 _ _ _ _ _ _

22、 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _动态实验中施加的振动力场的频率为10 Hz，振幅为0.23.5 实验步骤和过程3.5.1实验程序1、打开仪器电源（墙上三相开关-仪器后部电源开关-仪器红色开关）。2 打开电脑，打开软件（RH2008），进入操作界面。并运行软件。3 设定实验温度（180度），保持恒温20-30分钟，升温至准备实验温度。4 然后软件压力被清除。5 安装测试用模具并送料（尽量紧凑）6 安装柱塞，在电脑软件控制下，设定柱塞下降速度，使柱塞与物料接触，停止下降。恒温融化15-20分钟。7 设置测试参数（剪切速率周长、模具直径等），设置柱塞下降速度，

23、开始测试。8、在各剪切速率稳定时取样，用卡尺测量各样条3次，取结果平均值。9测试完成后，获取测试结果数据，并存储测试结果（结果）。10缓慢降低柱塞以挤出剩余材料。柱塞慢速升起时，当传感器压力不低于-0.1时，可快速升起。11拆下并清洗柱塞和模具。12重复测试步骤 4 开始新的实验。运营思路：1 安装模具时，必须注意防止模具断裂。使用2升柱塞时，必须先慢速，以免损坏传感器。当传感器读数没有变化时，可以快速升高。3 安装模具、清洗机筒和模具时戴上防护手套，以防烫伤。4 发生紧急情况时，按下紧急停止按钮。5 使用激光卡尺时，不要直视激光发射装置，以免刺痛眼睛。3.5.2实验过程第一阶段：熟悉测试操作

24、步骤和方法。第二阶段：做一个直径为1mm，高度为8、16、32、42mm的模具实验。第三阶段：做一个长宽比为16，高度为16、24、32mm的die test。第四阶段：做直径1mm，高度16模的动态实验（振动频率10Hz，振幅0.2）。第四章实验结果分析与讨论聚合物熔体的挤出膨胀分析基于等温流动、体积不可压缩性和流体流动的假设，不考虑惯性力、重力和表面力的影响。4.1 剪切速率对挤出溶胀比的影响图4.1 挤压膨胀比与剪切速率的关系（长径比L/D=16）图4.2 挤压膨胀比与剪切速率的关系（长径比L/D=8）图4.3 挤压膨胀比与剪切速率的关系（长径比L/D=32）图4.4 挤压膨胀比与剪切速

25、率的关系（长径比L/D=42）从图 4.1、图 4.2、图 4.3、图 4.4 可以看出，在其他参数不变的情况下，挤压膨胀比 B 随剪切速率的增加而增大，因为剪切速率的增加使模具中的熔体。因此，提高了脱模后熔体的弹性恢复。4.2 模具纵横比对挤压膨胀比的影响图 4.5 挤压膨胀比与模具长径比的关系从图 4.5 可以看出，在其他参数不变的情况下，在相同剪切速率下，随着长径比 L/D 的增加，挤压膨胀比减小。这是由于长径比的增加。停留时间越长，模具入口拉伸引起的弹性回复松弛时间越长，挤压膨胀变形越慢。但当 L/D 值较大时，挤压膨胀比几乎与毛细管长径比无关，说明此时入口区弹性变形的影响并不明显，挤

26、压膨胀为主要是由于毛细管壁上的分子取向。产生的弹性变形。4.3 振动力场对挤压膨胀比的影响图 4.6 振动力场对挤压膨胀率影响的关系曲线从图4.6可以看出，聚丙烯的挤出膨胀率在外振动力场的作用下减小。通过观察比较聚丙烯的动态和稳态挤出物，发现动态挤出物有明显的波纹。初步估计波动频率应等于振动力场的振动频率，幅度应小于振动幅度，但这些推论需要进一步实验。争论。综上所述本文采用激光卡尺技术研究分析聚丙烯熔体通过不同纵横比模具和振动力场的挤出膨胀。可以得出以下结论：(1)在其他参数不变的情况下，挤出溶胀比B随着剪切速率的增大而增大。这种增加缩短了熔体弹性能在模具中的弛豫时间，从而增强了脱模后熔体的弹

27、性恢复。(2)当L/D值小时，随着毛细管长径比的增大，挤压膨胀比减小。它反映了毛细管越长，入口区域材料的弹性变形越松弛。但当 L/D 值较大时，挤压膨胀比几乎与毛细管长径比无关，说明此时入口区弹性变形的影响并不明显，挤压膨胀为主要是由于毛细管壁上的分子取向。产生的弹性变形。(3)聚合物的动态挤出膨胀小于稳态挤出膨胀，其动态挤出膨胀具有脉动特性。参考1梁志，吴顺英锥形短模内聚合物熔体的挤出膨胀方程J.中国塑料。 2004.3，18（3）：5861。 2 刘和生, 熊洪怀, 等. 聚合物挤出溶胀的研究进展J.中国塑料工程学报。 2001.3，8（1）：1317。 3 冼勇，翟金平聚合物弹性行为的研究进展J.轻工机械。 2002，（2）：1315。 4 梁继钊 PE/PP共混物挤出溶胀性能研究J.现代塑料加工与应用。 1995, 7(4):1。 5 周彦豪高分子加工流变学基础M.: 交通大学, 1988, 403. 6 Z. 泰德莫尔。聚合物加工原理，化学工业，19957 姜提干.工业流变学，化学工业，1995 8 晋阳光高分子流变学及其在加工、化工中的应用，1986 9 AB Metzner 和 JL White，Trans。社会党。罗尔, 5, 133 (1961) 10 Y. Mori