UHMWPE薄膜熔體擠出壁面滑移的研究

陳海明，林廣義，劉扶民，潘云浩

（青島科技大學 機電學院，山東 青島 266100）

超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）具有耐磨損性能好、抗沖擊性能強、耐低溫、吸水率低、不易黏附異物等優(yōu)點，因此，UHMWPE薄膜在機械、運輸、造紙、礦業(yè)、化工、食品及體育運動器械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1］。目前，UHMWPE薄膜工業(yè)化生產(chǎn)方法主要是凝膠制膜，需要使用化學溶劑，對環(huán)境造成危害，且成本較高。熔體擠出制備UHMWPE薄膜是一種新技術(shù)，具有成本低、無污染等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊，因此，研究UHMWPE薄膜熔體擠出成型技術(shù)，具有重要的理論和實際意義［2］。在聚合物擠出加工過程中，當擠出速度較低時，擠出過程相對平穩(wěn)，擠出物表面質(zhì)量較好，隨著擠出速度不斷增加，并超過某一臨界值時，擠出物的表面質(zhì)量逐漸變差，最初表面變得暗淡，進而出現(xiàn)“鯊魚皮”甚至表面凹凸不平等缺陷，將其稱之為熔體破裂［3］，這主要是由流動不穩(wěn)定造成的。研究表明，這種表面質(zhì)量惡化的直接原因是熔體產(chǎn)生壁面滑移［4］。當擠出速度繼續(xù)增大時，會發(fā)現(xiàn)聚合物擠出表面又變得近似光滑，主要原因是在高剪切速率下，熔體發(fā)生全滑移而無黏附，當聚合物在口模內(nèi)發(fā)生全滑移，熔體以柱塞式被擠出，在口模中熔體速度趨于一致，且可以降低擠出壓力［5］。目前，鮮有壁面滑移條件下UHMWPE魚尾形擠出有限元模擬的研究。本工作基于Polyflow軟件，采用不同滑移系數(shù)對魚尾形流道中UHMWPE熔體的三維等溫流動開展有限元模擬，研究不同的壁面滑移條件對擠出過程的影響。

1 物理模型

以平面對稱結(jié)構(gòu)的魚尾形流道為研究對象，包括過渡段、魚尾段、壓縮段、成型段四部分。采用不帶歧管的魚尾形流道，選取擴張角為80°。阻力塊的截面形狀為梯形，并且在流道上下兩側(cè)各設(shè)置一個，呈對稱結(jié)構(gòu)。選取圓柱橫截面為熔體入口，直徑0.02 m。有限元分析選擇1/2流道，魚尾形流道三維模型和網(wǎng)格見圖1。

圖1 魚尾形流道三維模型和網(wǎng)格Fig.1 3D model and grid of fish tail channel

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程

根據(jù)聚合物流變學理論，熔體可視為廣義牛頓流體，流動為不可壓縮、等溫的穩(wěn)態(tài)流動。熔體流動行為服從連續(xù)性方程、動量方程，見式（1）～式（2）。

式中：ρ為密度，g/cm3；u為熔體速度矢量，m/s；t為時間，s；p為壓力，Pa；τ為偏應(yīng)力張量，Pa；g為重力加速度，m/s2。

熔體的黏度模型直接影響模具內(nèi)熔體的流場分布。采用冪律型黏度模型，方程見式（3）。

式中：η為黏度，Pa·s；η0為零剪切黏度，Pa·s；λ為松弛時間，s；γ˙為剪切速率，s-1；n為非牛頓指數(shù)。

2.2 壁面滑移模型

由于在螺桿擠出流動中流場受到壁面滑移的影響，本實驗采用廣義牛頓流體的Navier滑移模型［6］進行了模擬，Navier滑移模型見式（4）。

式中：fs為熔體在壁面處的剪切應(yīng)力，Pa；F為壁面滑移系數(shù)，Pa·s/m；vw為壁面的切向速度，m/s；vs為熔體在壁面的切向速度，m/s；e為與材料相關(guān)的系數(shù)，通常為熔體冪律指數(shù)。

2.3 材料參數(shù)

選用經(jīng)納米級蒙脫土改性的UHMWPE為研究對象，其密度為0.935 g/cm3，η0為27 401 Pa·s，λ為0.5 s，n為0.365。

2.4 邊界條件與計算方法

假設(shè)熔體在入口處的流動是充分發(fā)展流動；入口處選取體積流動速率為1.6×10-5m3/s；流道的內(nèi)壁使用壁面無滑移條件；fs=0，法向速度為0。出口邊界條件：法向力為0，fs=0。在數(shù)值計算中，速度和壓力采用線性函數(shù)插值，黏度采用皮卡迭代。

3 結(jié)果與討論

運用Polyflow軟件，對魚尾形流道中UHMWPE熔體的三維等溫流動進行了有限元模擬，設(shè)置滑移系數(shù)分別為4.00×105，2.00×105，1.00×105，0.50×105，0.25×105，0 Pa·s/m，其中，滑移系數(shù)為0時熔體發(fā)生全滑移。研究了在不同滑移系數(shù)下發(fā)生的壁面滑移對魚尾形流道內(nèi)UHMWPE熔體速度場和壓力場的影響規(guī)律。

3.1 壁面滑移系數(shù)對速度場的影響

從圖2和圖3看出：滑移系數(shù)對UHMWPE熔體在口模內(nèi)的速度影響很大。當1.00×105Pa·s/m≤F≤4.00×105Pa·s/m時，隨著滑移系數(shù)的減小，熔體在魚尾段和成型段內(nèi)的橫向速度分布逐漸變得均勻，在出口處熔體邊界層的速度增大，速度梯度相應(yīng)減小，流動相對穩(wěn)定，由廣義Navier滑移模型可知，其主要原因是當滑移系數(shù)減小時，口模壁面對熔體的剪切應(yīng)力減小，即壁面對熔體的阻力減小，近壁面的熔體速度增大，更接近于中心速度；當0≤F＜1.00×105Pa·s/m時，隨著滑移系數(shù)的減小，熔體在魚尾段和成型段內(nèi)的橫向速度分布變得不均勻，且在成型段內(nèi)熔體速度分布趨勢由中間速度快兩側(cè)速度慢變?yōu)橹虚g速度慢兩側(cè)速度快，在出口處的速度梯度相應(yīng)增大，越靠近壁面速度越大，其主要原因是隨著滑移系數(shù)減小，熔體受到壁面阻力減小，在壁面處的速度增大，而口模內(nèi)的阻流塊位置不變，對中間熔體的阻力未減小，理論上阻流塊不會改變速度的大小，因此，出現(xiàn)熔體兩側(cè)速度大于中間速度的現(xiàn)象。

圖2 不同滑移系數(shù)下UHMWPE熔體在y=0（y為熔體厚度方向）截面上的速度分布Fig.2 Velocity distribution of UHMWPE melt at y=0 cross section at different slip coefficients

圖3 不同滑移系數(shù)下UHMWPE熔體出口橫向中心線上的速度分布曲線Fig.3 Distribution curves of velocity on lateral center line of UHMWPE melt outlet at different slip coefficients

為進一步研究在UHMWPE熔體發(fā)生全滑移（即F=0）下，入口體積流量對熔體速度的影響，在滑移系數(shù)為0的條件下，設(shè)置入口體積流量分別為0.2×10-5，0.4×10-5，0.6×10-5，0.8×10-5，1.0×10-5，1.2×10-5，1.4×10-5，1.6×10-5m3/s時的熔體流動情況。從圖4可以看出：當入口體積流量較小時，熔體在出口處的速度梯度較小，分布相對均勻；隨著入口體積流量的增大，熔體速度在出口處出現(xiàn)中間速度慢而兩側(cè)速度快的現(xiàn)象，且速度梯度逐漸增大，流動不穩(wěn)定。主要原因是在全滑移條件下，口模壁面對熔體無阻力，但阻流塊仍然對熔體有阻力，使中間熔體受到的阻力大于口模兩側(cè)的阻力，隨著入口體積流量的增大，速度梯度相差越大。因此，為增加UHMWPE薄膜的產(chǎn)量而增大入口體積流量時，同時需要調(diào)節(jié)阻流塊的高度來改善UHMWPE熔體在口模內(nèi)的速度分布，以保證薄膜質(zhì)量。

3.2 壁面滑移系數(shù)對壓力場的影響

從圖5和圖6可以看出：隨著滑移系數(shù)的減小，熔體在口模內(nèi)的橫向壓力分布變得不均勻，在同一橫截面上出現(xiàn)中間壓力小兩側(cè)壓力大的現(xiàn)象，同時熔體的壓力降由12.620 MPa降至1.354 MPa，減小了89.3%，可以推斷出在流道內(nèi)壓力損失減小，沿擠出方向的壓力梯度減小，在入口體積流量一定的情況下，需要的擠出壓力減小，其主要原因是滑移系數(shù)減小，熔體受到口模壁面的阻力減小，同時受到阻流塊的阻力作用，使熔體的中間壓力小兩側(cè)壓力大。這表明模具流道表面對熔體流動的穩(wěn)定性影響很大，在設(shè)計模具時應(yīng)充分考慮對流道壁面進行一定的處理。

圖5 不同滑移系數(shù)下UHMWPE熔體在y=0截面上的壓力分布Fig.5 Pressure distribution of UHMWPE melt at y=0 cross section at different slip coefficients

圖6 不同滑移系數(shù)下的壓力降Fig. 6 Pressure loss with different slip coefficients

4 結(jié)論

a）基于Polyflow軟件，采用不同滑移系數(shù)對魚尾形流道中UHMWPE熔體的三維等溫流動開展了有限元模擬。

b）在入口體積流量一定的情況下，隨著滑移系數(shù)的減小，熔體邊界層的速度不斷增大，速度梯度減小；當滑移系數(shù)減小到某一值時，熔體在魚尾形流道出口處的速度由中間快兩側(cè)慢的趨勢變?yōu)橹虚g慢兩側(cè)快的趨勢。

c）在入口體積流量一定的情況下，隨著滑移系數(shù)的減小，熔體在口模內(nèi)的橫向壓力分布變得不均勻，出現(xiàn)中間壓力小兩側(cè)壓力大的現(xiàn)象，同時，熔體的壓力降減小。

d）模具流道表面對熔體流動的穩(wěn)定性影響很大，在設(shè)計模具時應(yīng)充分考慮對流道壁面進行一定的處理。