PET薄膜挤出成型有限元模拟和阻流分析

PET薄膜挤出成型有限元模拟和阻流分析
PET薄膜具有挺力好,尺寸稳定,光学性能好等优点[1]。

薄膜的制备方法主要有挤出成型､压延成型､层压成型､吹塑成型等,其中挤出成型是最常用的成型方法之一。

挤出薄膜常用的机头类型有支架管机头､鱼尾式机头､衣架式机头等。

衣架式机头便于调整聚合物熔体的流动行为,目前应用最多。

衣架式挤出模具的扩张角很大,能很好的引导熔体沿幅宽方向的流动,特别适用于生产比较宽的产品。

但衣架式机头结构复杂,使得分析成型过程中聚合物熔体的流动规律变得困难[2]。

本文针对厚度为0.12mm的PET薄膜,采用有限元技术模拟了聚合物熔体在机头内的流动,根据对出口处压力场､速度场和温度场的分析[3],优化了阻流部分的结构,实现了对薄膜厚度均匀性的控制。

一､流道结构的设计､
采用衣架式机头结构设计了流道。

流道包括6个部分:入口流道区､歧管､过渡区､扇形区､阻尼区､模唇[4]。

幅宽为200mm,成型段厚度为0.12mm,扇形区高度为0.5mm。

根据流道结构对称性特点,取其中的四分之一部分为研究对象,建立的流道模型图如图1所示。

1-入口流道区､2-歧管､3-过渡区､4-扇形区､5-阻尼区､6-模唇
图1 流道模型
Fig .1 Runner model
二､有限元建模
由于PET薄膜挤出加工中材料参数及工艺条件关系复杂,为了便于研究,对模型作出如下假设:a.成型过程为是稳态非等温;b.熔体不可压缩;c.层流;d.惯性力忽略不计;e.壁面无滑移。

根据聚合物成型流变学理论,熔体在流道内的流动规律服从连续性方程､动量方程和能量方程。

基于PET熔体的流动行为,本构方程选用Cross模型[5-7]。

考虑到温度对流动过程的影响,选用Arrhenius模型描述了粘度对温度的依赖关系,其中参考温度为700K[8]。

三､结果与分析
为获得合理的流道结构尺寸,本文分析了当挤出流量为360mm3/s时，模拟分析了流道扩张角､歧管大小､成型段长度､入口形状对流动的影响。

3.1流道扩张角
衣架式流道的扩张角(a)一般在160°~180°之间取值,本文分别模拟了流道扩张角为164°､168°､174°时流场情况,获得了压力､速度和温度的分布。

图2为三种扩张角下熔体的压力场分布。

由图2可以看出,流道内熔体的压力沿着
流动方向递减,压力在机头的横向分布逐渐变的均匀,三个扩张角度下的入口压力值分别为5.20Mpa､5.79Mpa､6.11Mpa。

由图2(a)可以看出,在扩张角为164°时熔体流经阻尼区后,压力分布变得比较均匀,且离出口越近,压力的横向分布就更加均匀,此时出口处压力最均匀,能减少由于压力不均匀可能造成的翘曲､厚薄不均等产品缺陷。

由图2(b)､(c)可以看出,扩张角为168°､174°在出口处中间和两边呈现出一定的压力不均匀现象。

因此,扩张角为164°时机头结构最为合理。

(a)a=164°(b)a=168°(c)a=174°
图2流道内压力分布
Fig. 2 Pressure distribution in the runner
图3为三个扩张角下流道内熔体速度分布。

从图3可以看出,三个扩张角下流道内熔体的速度分布趋势一致。

熔体在流道入口区域内速度梯度较大,流经歧管后速度梯度减小,后经过渡区､扇形区､阻尼区对流速的调整,熔体在流道出口处(模唇)推进速度已变得比较均匀。

对比三个角度下速度分布趋势和数值,扩张角大小对速度场的影响并不明显。

(a)a=164°(b)a=168°(c)a=174°
图3 流道内速度分布
Fig .3 Velocity distribution in the runner
图4为三个扩张角下流道内熔体的温度分布。

由图4可以看出,在绝热的情况下温度由入口到出口逐渐降低,且在歧管附近温度梯度较大。

对比三个角度下温度分布趋势和具体数值,扩张角大小对流道温度场分布影响也不明显。

(a)a=164°(b)a=168°(c)a=174°
图4 流道内温度分布
Fig .4 Temperature distribution in the runner
3.2 第一歧管对流动的影响
本文中设计的挤出机头包括三个歧管,从入口开始依次为第一歧管､第二歧管和第三歧管。

其中第一歧管结构对熔体的流动会产生较大影响[9]。

首先模拟了第一歧管分别为直径等大和中间大两边小（变直径）时熔体的流动规律,图5和图6分别为两种
歧管时熔体的压力分布。

由图5和图6可以看出,采用变直径截面歧管比等直径截面歧管熔体的压力场分布更为均匀。

这是因为熔体在机头内由入口到达垂直于推进方向截面的流动距离不同,引起在该流程距离上的压力降存在差异,而熔体流经变直径截面歧管时的压力降可以补偿由于流程距离引起的压力降。

因此,采用变直径截面歧管比等直径截面歧管流道更为合理。

本文进一步模拟了多尺寸歧管设计时的流道内熔体的流动规律,表1为不同尺寸下机头出口处压力差分布。

方案1､2､3的第一歧管最大直径上分别为7mm､6mm､6mm，末端直径分别为为2mm､2mm､1.8mm,其余参数一致。

由表1可以看出,流道截面略微改变,压力就会有较大变化。

因此,流道截面尺寸对熔体压力分布的影响显著。

此外,还分析了不同截面歧管时熔体的速度场和温度场的分布,研究表明,歧管截面尺寸对速度场和温度场的影响并不明显。

表1 方案1､2､3的出口处压力差
Table.1 Exit pressure difference of program 1､2､3
Program Maximum iameter End diameter Exit pressure difference (ΔP)
1 7mm 2mm 1.31Mpa
2 6mm 2mm 0.51Mpa
3 6mm 1.8mm 0.21Mpa
图5等直径截面流道内压力分布图6变直径截面歧管时流道内压力分布图
Fig .5 Pressure distribution with equal diameter section Fig.6 Pressure distribution with unequal diameter section
3.3 第二歧管和第三歧管对流动的影响
在第一歧管采用变直径截面的情况下,进一步分析了第二､第三歧管对流场的影响情况。

首先模拟了第二歧管直径分别为4mm､5mm､6mm时的流场分布,研究表明第二歧管直径大小不改变熔体压力场的分布趋势,其中直径为5mm时出口处熔体压力分布最为均匀。

进一步分析了第三歧管直径分别为2mm､2.5mm､3mm时的流场规律,研究表明第三歧管直径为2.5mm时出口处熔体压力分布最为均匀。

因此,第二､三歧管的直径对熔体压力场产生了一定的影响,在模具设计时应充分考虑歧管直径的选取。

3.4 成型段(模唇)长度对流动的影响
为获得成型段(模唇)长度对流场的影响规律,分别取模唇长度为12mm､18mm､24mm时开展了模拟分析。

研究发现,当模唇长度为24mm时熔体冷却过快,在出口处压力不均衡;当模唇长度为12mm时,在中间和两边处压力过低,压力整体分布更不均衡,且在出口处某些位置上速度会变得很高,易导致产品缺陷;当模唇长度为18mm时,出口处压力､速度分布相对均匀，能很好的符合设计要求。

因此,成型段的长度需要设计合理,过长､过短都容易引起产品缺陷。

3.5 流道入口形状对流动的影响
本文流道入口为圆台形,其中流道入口长度为20mm､末端直径为12mm。

对流道入口直径分别为7mm､8mm､9mm､10mm时的流场开展了模拟。

结果表明,入口直径由10mm 递减至8mm时,出口处压力依次变得均匀,但当入口直径减小为7mm时,出口处压力均匀性变差。

此外,上述方案中速度和温度分布变化不明显。

因此,流道入口尺寸设计需合理,过大､过
小都容易引起产品缺陷。

3.6最终模拟结果
根据对不同尺寸的扩张角､歧管､成型段长度､入口形状的模拟分析,采用了扩张角为164°,第一歧管为变直径截面,第二､三歧管直径分别为5mm和2.5mm,成型段长度为18mm,入口形状为长度为20mm,入口直径为8mm,末端直径为12mm的圆台形,并对流道内的流场开展了模拟分析,如图7~11分别为流道内熔体压力､速度､温度､速度矢量以及流道出口处速度的模拟结果。

熔体通过流道入口首先进入第一歧管,在其中流动受到缓冲,使压力和速度趋于一个平衡态,有利于挤出过程的进行。

综合各模拟结果可以看出:流道压力､速度分布均匀,温度梯度满足要求,故方案选取合理。

图7流道压力分布图8 流道速度分布图9流道温度分布
Fig .7 Pressure distribution Fig .8 Velocity distribution Fig .9 Temperature distribution
图10流道内部速度矢量分布图11流道出口处速度XY曲线
Fig .10 Velocity vector distribution Fig .11 XY curve of the exit velocity 本文还针对不同流量开展了模拟,图12分别为流量(Q)等于360 mm3/s和720 mm3/s 时的压力分布。

由图12可以看出,流量大小对压力分布趋势影响不明显。

但随着流量的增加,出入口处的压力值相应增加。

因此,机头结构一旦确定,生产效率可以在一定程度内显著变化。

但流量过大时,会导致挤出速度的增加,容易引起熔体破裂和挤出不均等缺陷。

（a）Q=360 mm3/s （b）Q= 720 mm3/s
图12不同流量下的压力分布
Fig .12Pressure distribution with different flow rata
四､结论
本文模拟了PET薄膜衣架式模具挤出流动过程,分析了模具结构对制品成型的影响规律,结论如下:衣架式挤出模具的扩张角大小､歧管大小､成型段长度､入口形状大小等因素都会对模具的流场产生很大的影响,而且流道结构对压力的影响比对速度､温度的影响显著,所以在设计时需多考虑流道结构对熔体压力场分布的影响。

在实际
生产中为获得最优的压力场､速度场和温度场分布,往往要进行大量的模拟工作,从而得到一个合适的流道尺寸。

为获得良好的流场分布，必须在模具结构设计时参数选取恰当,过大､过小的取值都容易引起产品缺陷。

此外,熔体流量大小对薄膜挤出压力场均匀性的影响非常小。