三层共挤成型界面偏移和挤出胀大的影响因素

张广冬，王林峰，宋树权

(盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051)

挤出成型作为主要的聚合物成型工艺之一，广泛应用于板材、管材、薄膜和异型材的制造[1]。挤出成型是将一种或多种塑料树脂在挤出机中塑化熔融，将塑料熔体输送至挤出模具中成型，经过冷却、定型和切割后得到所需的挤出制品。根据所用材料数量的不同，挤出成型可以分为单挤成型和共挤成型。单挤成型是将单一种类的材料挤出成所需的形状。这类挤出制品在功能性、外观、物理性能和成本方面可能存在一些不足。为了克服上述问题，共挤成型通过在挤出过程中将不同的材料组合在一起，从而获得了更广泛的功能性、外观选择和性能调整能力，并一定程度上降低了材料成本[2]。

共挤成型可用于制造具有复合结构、不同功能区域或多色的产品。然而，共挤成型的工艺控制、材料选择和模具设计也更为复杂。在共挤成型过程中，界面偏移[3]和挤出胀大[4]问题对产品的形状、尺寸和精度影响较大[5]，引起了国内外学者的广泛关注。

界面偏移是由于不同聚合物材料流动性的差异性引起的[6]，会对多层共挤制品层厚的准确性和均匀性产生不良影响。界面偏移通常发生于流道内不同熔体交汇处以及模具出口位置[7]。挤出胀大是指聚合物熔体从模具出口流出后其截面面积或直径有增大的现象，主要是由于高分子材料的弹性记忆效应造成的[8]。研究发现，在共挤成型中，导致界面偏移和挤出胀大的主要影响因素包括不同聚合物材料的速度比和黏度比[9-10]、成型段长度、压缩角的大小[11-12]和工艺参数[13]。

共挤成型中界面偏移和挤出胀大的影响因素研究具有重要的理论和实际价值。虽然国内外学者对界面偏移和挤出胀大进行了广泛的研究，但大多是针对界面偏移或者挤出胀大单一问题的影响因素进行研究。然而在共挤成型中，界面偏移和挤出胀大问题不是孤立存在，是同时发生且存在相互作用。基于此，笔者采用数值模拟方法，对三层共挤板材成型过程进行仿真，分析入口流率、材料参数和流道压缩角对界面偏移和挤出胀大的影响。

1 三层共挤板材成型数值模拟

1.1 流道几何和网格模型

三层共挤板材成型的流道几何模型如图1 所示。流道内层熔体为聚乙烯(PE)，具有良好的柔韧性和耐化学腐蚀性。外层两侧熔体为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，具有优异的耐磨损性。三层熔体汇合后进入模具成型段，在成型段内初步形成制品的形状，从模具出口离开后发生挤出胀大。

图1 三层共挤板材成型的流道几何模型(单位mm)

由于流道几何模型的对称性，为了适当减少计算量，采用1/2 流道模型建立有限元模型并对其进行网格划分。该模型由1 255 个节点和1 080 个单元组成，如图2所示。

图2 三层共挤板材成型的网格模型

1.2 本构方程

根据熔体流动特点，选择Bird-Carreau 黏度模型，如式(1)所示，对熔体的流变性能进行表征。Bird-Carreau 本构方程[14]中剪切黏度(η)和剪切速率(γ̇)的关系为

本研究使用的PE 和TPU 熔体的Bird-Carreau模型参数见表1[15]。

表1 材料参数

1.3 边界条件设置

有限元模型的边界条件如图3 所示，其中包括入口、出口、壁面、运动界面、自由面和对称面边界条件[16-17]。边界条件中用vs，vn，fs和fn分别表示边界条件中的切向速度、法向速度、切向应力和法向应力。

图3 有限元模型的边界条件

(1)壁面边界条件。流道壁面采用壁面无滑移假设，即vn=vs= 0。

(2)入口边界条件。内层入口流率Q1和外层入口流率Q2均为7 000 mm3/s。在分析时采用了1/2几何模型，内层入口流率输入值为Q1的1/2。

(3)出口边界条件。无牵引力作用，即fn=fs= 0。

(4)运动界面。采用Polyflow 设置中的“interface”边界条件，位置未知。

(5)自由面边界条件。自由面上法向力为零，法向速度为零，即fn= 0，vn= 0。

根据类似工程资料，NM360耐磨性能不低于普通钢板的两倍。其焊接性能与普通钢板类似，但其可切削性能较低，尤其是钻孔比普通钢板略困难。根据笔者调研，在过煤面较大的螺旋溜槽入料段以及刮板输送机槽箱内采用该耐磨衬板效果良好。

(6)对称面边界条件。对称面上切向力为零，法向速度为零，即fs= 0，vn= 0。

1.4 三层共挤成型分析结果

三层共挤成型中，模具出口处外层熔体发生了挤出胀大，材料汇合区域和模具出口处发生了材料界面产生偏移，如图4 所示。内、外层熔体均以186.65 mm/s 的平均速度流入模具成型段中，当内、外层熔体交汇时，共挤界面向内侧偏移。此时，内层熔体的最大速度增大至362.89 mm/s，而外层熔体的速度则有所降低。当熔体从模具出口离开后，共挤界面向外侧偏移，同时外层熔体发生了挤出胀大。此时，内、外层熔体的平均速度均逐渐降低至202.88 mm/s。

图4 三层共挤成型速度分布云图

为了更好地描述共挤界面偏移和挤出胀大情况，界面位置的初始值为1.5 mm，三层熔体通过各自的流道流入模具成型段时，界面位置可能发生偏移。当共挤界面位置小于1.5 mm 时表示共挤界面向内层熔体偏移，当共挤界面位置大于1.5 mm时表示向外层偏移。同样的，将挤出胀大(外层熔体的外表面)初始位置为4.5 mm，外层熔体从模具成型段挤出到自由射流段时，外层熔体发生挤出胀大。

2 结果与讨论

2.1 入口流率比对界面偏移和挤出胀大的影响

入口流率比Qr为内、外层入口流率之比，即Qr=Q1/Q2，其中Q1为内层入口流率，Q2为外层入口流率。将外层入口流率Q2设置为定值(7 000 mm3/s)，入口流率比Qr分别取1.4，1.2，1.0，0.8，0.6，分析入口流率比对界面偏移的影响，结果如图5 所示。模具出口位置处，挤出位置取值为0 mm。

图5 入口流率比Qr对共挤界面的影响

由图5 可知，当内、外层熔体汇入模具成型段中，共挤界面向内侧偏移。随着入口流率比Qr的增大，成型段的共挤界面的偏移量逐渐减小。当入口流率比Qr取最大值(1.4)时，共挤界面由1.5 mm向内偏移至1.25 mm，偏移量为-0.25 mm，共挤界面仍向内侧偏移，其原因是流道压缩角的存在。

当共挤熔体从模具出口离开后，自由射流段的共挤界面向外侧偏移，在距离模具出口10 mm左右时共挤界面均不再发生偏移。随着Qr的增大，自由射流段的共挤界面的偏移量逐渐增大。当Qr为0.8时，共挤界面的界面偏移量为0。当Qr＞0.8时，界面偏移量为正值，反之为负值。

Qr分别取1.4，1.2，1.0，0.8，0.6 时，Qr对挤出胀大的影响曲线如图6所示。

图6 入口流率比Qr对挤出胀大的影响

由图6 可知，外层熔体从模具出口离开后发生了挤出胀大。在距离模具出口8 mm 左右时，外层熔体均不再发生胀大，直至出口40 mm处外层熔体的胀大量保持不变。当Qr= 0.6 时，熔体挤出后由4.5 mm 胀大至5.03 mm，胀大量为0.53 mm。当Qr= 1.4 时，熔体挤出后由4.5 mm 胀大至5.38 mm，胀大量为0.88 mm。由此可见，随着Qr的增大，挤出胀大也随之增大。

在多层共挤成型中，界面偏移和挤出胀大对各层材料厚度的准确性和均匀性有着一定的影响。层厚的准确性可以通过后续的牵引拉伸予以调整，而层厚的均匀性则需要在成型过程中加以保证。本研究中，层厚比Xr定义为外、内层厚度之比，即Xr=X2/X1，其中X2为外层层厚，X1为内层层厚。由于有限元模型取1/2 几何模型，当层厚比Xr为2 时，内外层厚度相同，层厚的均匀性最佳。Qr分别取1.4，1.2，1.0，0.8，0.6时，分析了Qr对层厚比的影响，如图7所示。由图7 可知，Xr随着Qr的增大而逐渐减小。当Qr为1 时，Xr约为2，此时层厚的均匀性最佳。也就是说，对于三层共挤成型，当内、外层的入口流率相等时，挤出制品的层厚最为均匀。

图7 流率比Qr对层厚比Xr的影响

2.2 零剪切黏度比对界面偏移和挤出胀大的影响

零剪切黏度是指在剪切速率非常低(接近零)时的流体黏度。它表示在没有剪切应力作用下，流体内部的阻力或黏性。零剪切黏度比ηr为内、外层熔体零剪切黏度之比，即ηr=η1/η2，其中η1为内层熔体(PE)的零剪切黏度，η2为外层熔体(TPU)的零剪切黏度。将η2设置为定值(3 300 Pa ⋅s)，ηr分别取0.4，0.63，0.8，分析零剪切黏度比对界面偏移和挤出胀大的影响，结果如图8 所示。两种材料的初始ηr为0.63。

由图8a 可知，当内、外层熔体汇入模具成型段中，成型段的共挤界面向内侧偏移。当共挤熔体从模具出口离开后，自由射流段的共挤界面向外侧偏移。随着ηr的增大，成型段和自由射流段的共挤界面的偏移量均逐渐减小。产生该现象的主要原因是共挤成型中的黏性包围[18]。内外层熔体的黏度比对于共挤界面有着重要的影响。当黏度比较高时，内层熔体更加黏稠，会将共挤界面推向共挤结构的中心。相反，较低的黏度比会导致共挤界面更靠近共挤制品的表面。

由图8b可知，外层熔体从模具出口离开后发生了挤出胀大。随着ηr的增大，挤出胀大随之减小。产生该现象的主要原因仍然是共挤成型中的黏性包围。当黏度比较高时，内层熔体更加黏稠，其流动性变差从而抑制了挤出制品的胀大。反之，较低的黏度比会导致更为显著的挤出胀大。

在三层共挤板材成型中，ηr取定值0.63，内、外层熔体零剪切黏度同比增大或减小，界面偏移和挤出胀大的变化较为轻微，可以忽略其影响。

2.3 流道压缩角对界面偏移和挤出胀大的影响

三层共挤成型过程中，Qr设为1，流道压缩角θ分别取30°，60°和80°，分析流道压缩角对界面偏移和挤出胀大的影响，如图9所示。

流道压缩角对界面偏移的影响曲线如图10 所示。由图10 可知，当内、外层熔体汇入模具成型段中，成型段的共挤界面向内侧偏移至1.04 mm。当共挤熔体从模具出口离开后，自由射流段的共挤界面向外侧偏移至1.73 mm。在成型段入口汇流区(-20，-12.5 mm)，共挤界面的偏移量先增大后减小。产生该现象的主要原因是，外层熔体汇入成型段时具有和挤出方向垂直的速度分量，从而推动共挤界面产生偏移。流道压缩角越大，偏移量也越大。然而，后续在模具成型段中内、外层熔体的流动逐渐趋于一致，偏移量随之减小。由于压缩角的存在，相比单挤成型，三层共挤模具的成型段长度应相应的增大，以保证汇流区域的长度足够，从而获得良好的界面结合强度。

图10 压缩角θ对界面偏移的影响

流道压缩角对挤出胀大的影响曲线如图11 所示。外层熔体从模具出口离开后发生了挤出胀大，熔体挤出后由初始值4.5 mm 胀大至5.19 mm，胀大量为0.69 mm。随着θ的增大，外层熔体的挤出胀大未发生显著变化。

图11 压缩角θ对挤出胀大的影响

3 结论

采用Polyflow 软件对PE 和TPU 两种熔体的等温三层共挤成型进行了数值模拟，分析了入口流率比Qr、熔体零剪切黏度比ηr以及流道压缩角θ对界面偏移和挤出胀大的影响。

(1)在三层共挤成型中，随着Qr的增大，成型段和自由射流段的共挤界面向共挤制品的外侧移动，自由射流段的挤出胀大也随之增大。当Qr为1时，Xr约为2，此时层厚的均匀性最佳。

(2)在三层共挤成型中，随着ηr的增大，界面偏移和挤出胀大均随之减小。增大内层零剪切黏度或减小外层零剪切黏度，均会有助于界面偏移和挤出胀大的减小。

(3)流道压缩角对界面偏移和挤出胀大的影响较小。当压缩角为30°时，共挤界面最为稳定。由于压缩角的存在，相比单挤成型，三层共挤模具的成型段长度应相应的增大，以保证汇流区域的长度足够，从而获得良好的界面结合强度。