三層共擠出吹膜機(jī)頭流道的流場分析

        摘要: 三層共擠吹塑薄膜可將產(chǎn)品的多種特性在擠出過程中進(jìn)行復(fù)合，并能大幅度地降低成本，因而其應(yīng)用越來越廣泛。以 LDPE/HDPE/LDPE 三層共擠出薄膜為例，確定了三層共擠吹膜機(jī)頭的流道結(jié)構(gòu)，使用 ICEM CFD 對機(jī)頭流道劃分全六面體網(wǎng)格，采用 POLYFLOW 對機(jī)頭流道內(nèi)等溫流動過程進(jìn)行求解并分析了壓力場、速度場和剪切速率場。機(jī)頭流道流場的研究結(jié)果表明，層分配流道壓力降較高，共擠出流道壓力降較低; 層分配流道存在滯留區(qū)，熔體匯入共擠出流道后，相鄰層熔體的速度分布向該層速度分布方式不斷變化; 層分配流道中，沿螺旋槽軸線方向，剪切速率逐漸降低，隨著層數(shù)的增加，共擠出流道壁面上的剪切速率減小。
0 引言
        隨著市場對聚合物擠出包裝材料性能要求的不斷提高，單層包裝材料已無法滿足人們對包裝薄膜(片材)產(chǎn)品的特殊要求［1］，而多層復(fù)合包裝由各單層薄膜(片材)各自承擔(dān)一部分功能，可以滿足這些要求。目前，多層復(fù)合薄膜的成型方法主要有濕法復(fù)合、干法復(fù)合、擠出涂覆及共擠出復(fù)合等［2］。與其他工藝相比，共擠出復(fù)合生產(chǎn)的薄膜層厚可以更薄，降低成本，成為多層復(fù)合薄膜的主要生產(chǎn)方法之一，應(yīng)用較為廣泛。
國內(nèi)外對于共擠出復(fù)合法已有很多相關(guān)的研究。武 停啟［3］通過復(fù)合共擠的一維計算發(fā)現(xiàn)，共擠出中界面處速度和剪切應(yīng)力連續(xù)。Yu 等［4 － 8］在復(fù)合共擠出一維計算方面進(jìn)行了深入研 究，闡述了界面處速度和剪切 應(yīng)力連續(xù)等規(guī)律。Perdikoulias［9］用 4 種不同分子量分布(MWD)的低密度聚乙烯(LDPE)在雙層共擠環(huán)形機(jī)頭中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，指出了寬分布的材料更傾向于出現(xiàn)界面不穩(wěn)定。Ahmed［10］對 2 種高密度聚乙烯(HDPE)和 1 種 LDPE 的平面收縮狹縫流動進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，并與采用 Wagner 本構(gòu)方程的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。Anderson［11］研究了矩形流道中聚苯乙烯(PS)的共擠流動，指出由第二法向應(yīng)力差 引 起 的 彈 性 重 排 可 以 形 成 十 分 復(fù) 雜 的 界 面 形 狀。Michaeli［12］采用電子工程的網(wǎng)絡(luò)理論( network theory)計算了平面螺旋吹膜機(jī)頭流道的流場。尹華濤［13］等采用雙節(jié)點(diǎn)有限元法和曲面坐標(biāo)法求解了衣架機(jī)頭內(nèi)復(fù)合共擠出的界面位置，分析了物料特性和進(jìn)口流率對機(jī)頭出口處界面位置分布的影響。鄧小珍［14］以異型材為對象，對上下分層和芯殼分層的氣輔共擠成型過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬。解挺等［15］介紹了共擠出物料的黏度比、機(jī)頭溫度和流道幾何形狀等因素對共擠出流動的影響.Huang［16］分析了螺旋芯棒機(jī)頭二維流道幾何參數(shù)和流動均勻性的關(guān)系。吳衛(wèi)平［17］用計算機(jī)設(shè)計優(yōu)化了管材螺旋機(jī)頭的幾何尺寸和加工工藝，并用 MDPE 和 HDPE 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。張敏［18］對非牛頓流體共擠出流動過程的有限元模擬技術(shù)進(jìn)行了研究，得出了有限元方法求解的技術(shù)路線。
        共擠出技術(shù)可使產(chǎn)品具有特殊性能并降低成本，多層共擠薄膜消費(fèi)市場巨大，發(fā)展前景廣闊，在復(fù)合包裝材料的加工過程中，共擠機(jī)頭是核心部件。因此設(shè)計 1 個結(jié)構(gòu)合理、流道設(shè)計巧妙的共擠機(jī)頭十分關(guān)鍵［19 － 20］。然而，迄今為止，國內(nèi)對復(fù)合共擠出技術(shù)的理論研究還不完善。文章在前人研究的基礎(chǔ)上，采用某公司實(shí)際使用的 1 種多層共擠吹膜機(jī)頭結(jié)構(gòu)作為參考，對三層共擠吹塑薄膜平面疊加螺旋機(jī)頭進(jìn)行流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計。每層熔體的層分配流道結(jié)構(gòu)較為相似，各層熔體按復(fù)合順序依次匯入共擠出流道，完成復(fù)合。
1 三層共擠吹膜機(jī)頭的主要參數(shù)
        圖 1、2 分別為三層共擠吹塑薄膜平面疊加螺旋機(jī)頭流道幾何模型及螺旋分配系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)。文章采用的機(jī)頭使用兩臺或三臺擠出機(jī)生產(chǎn) ABA 型三層共擠吹塑薄膜，物料組合結(jié)構(gòu)形式為 LDPE/HDPE/LDPE。模型具有周期對稱的特點(diǎn)，為了減小計算規(guī)模，提高計算精度，文章使用周期性邊界對 1 /8 的流道進(jìn)行模擬，周期性邊界入口所在平面為 XY 平面繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) － 22. 5°后形成的面，周期性出口所在平面為 XY 平面繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) －67. 5°后形成的面。

2 模型的建立和邊界條件設(shè)置
2. 1 數(shù)學(xué)模型
        聚合物共擠出過程中，由于流道結(jié)構(gòu)和聚合物流變行為的復(fù)雜性，為了便于計算且符合實(shí)際加工條件，數(shù)值模擬的簡化和假設(shè)為:聚合物熔體為不可壓縮流體，熔體進(jìn)行等溫和穩(wěn)定層流流動;熔體之間互不相容且無滑移，不計界面張力，忽略體積力、慣性力，流道壁面無滑移。
連續(xù)性方程如式(1)所示。

        式中:V 為速度矢量，m/s;ρ 為熔體密度，kg /m3;t 為時間，s。
        動量方程如式(2)所示。
        式中: P 為 靜 水 壓 力，Pa;

        τ 為 應(yīng) 力 張 量，Pa; g 為 重 力 加 速度，m/s2。
        廣義牛頓流體的本構(gòu)方程如式(3)所示。

2. 2 有限元模型
        將 SOLIDWOＲKS 中建立的流道模型導(dǎo)入 ICEM CFD 中進(jìn)行離散，劃分有限元網(wǎng)格，使用周期性邊界對 1 /8 的流道進(jìn)行模擬。采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，Y 正方向?yàn)閿D出方向，以 XY 平面為基準(zhǔn)，Y 正方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn) － 22. 5°為周期性入口所在平面，旋轉(zhuǎn) － 67. 5°為周期性出口所在平面。利用 ICEM CFD 特有的多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式對整個機(jī)頭流道全部采用填充性更佳的八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格離散。
2. 3 物性參數(shù)
        模擬分析所用物料為低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。LDPE 的擬合流變參數(shù)和 HDPE 的流變參數(shù)如表 1所示。

2. 4 邊界條件
        (1)入口邊界:由于模型的周期對稱性，體積流率按 1 /8 模型計算，第一層 LDPE 入口邊界的體積流率為 2. 64 × 10 － 7m3 /s，第一、二、三層體積流率之比為 Q1 ∶ Q2 ∶ Q3 = 1. 5∶ 1. 5∶ 1。
        (2)流道壁面邊界:模擬分析采用無滑移邊界條件，且采用Navier 滑移定律，降低了計算收斂難度，如式(4)所示。

式中:f(v) 為剪切應(yīng)力，Pa;vs 為壁面上熔體的切向速度，m/s;vwall為壁面切向速度，m/s;k 為滑移系數(shù)，Pa·s/m;e 為控制方程線性關(guān)系。k 和 e 均是與材料相關(guān)的參數(shù)。文章取 vwall = 0，k =108，e = 1。
        (3)周期性邊界:模型以 Y 軸正方向?yàn)橹行?，?－ 45°周期對稱，設(shè)置周期性入口邊界和周期性出口邊界，組成周期性邊界。
        (4)分界面邊界:界面上的速度連續(xù)，熔體不能穿越界面，即 vn = 0;界面兩側(cè)的切應(yīng)力和法向應(yīng)力連續(xù)。
        (5)出口邊界:忽略膜泡所受牽伸和吹脹的影響，fn = 0，fs= 0。
3 數(shù)值模擬結(jié)果及討論
3. 1 壓力場結(jié)果分析
        模型流道的壓力場及周期對稱模型形成機(jī)頭整體壓力場，如圖 3 所示。從圖 3 中可以看出，流道內(nèi)壓力沿熔體流動方向逐漸減小。第一層壓力最大，結(jié)合模擬所用的 LDPE，最大值約為 32. 32 MPa，第二層和第三層壓力較小，機(jī)頭壓力降較大。這和螺旋芯棒機(jī)頭壓力降較大的特點(diǎn)相一致。

        第一層層分配流道的壓力等壓線如圖 4 所示。在第一條螺旋槽和第二條螺旋槽前段部分，等壓線垂直于螺旋槽軸線;在狹縫中，等壓線是以 Y 軸為中心的帶有“Z”形彎折的一簇類同心圓，“Z”形彎折均發(fā)生在螺旋槽區(qū)域中，彎折點(diǎn)位于螺旋槽和狹縫的相貫線附近。在螺旋槽和狹縫交匯處，等壓線開始變成類同心圓形狀，且該處等壓線十分密集，壓力梯度較大;沿狹縫流動方向，壓力梯度越來越小。圖 5 為各條螺旋槽出口在層分配流道對稱平面上的壓力降，這是模型周期對稱后一條完整螺旋槽的出口在層分配流道對稱平面上的壓力降。從圖 5 中可以看出，螺旋槽沿程，壓力梯度整體上不斷減小，在第五條螺旋槽末尾段趨于零，在螺旋槽與狹縫交匯處所對應(yīng)的角度上，壓力出現(xiàn)一小段局部的升高。
3. 2 速度場結(jié)果分析
        圖 6a 為整體速度分布云圖，圖 6b 為 XY 平面繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)－ 45°截面上的速度分布云圖。由圖可知，共擠出流道壁面上的速度幾乎為 0(10 － 5 ～ 10 － 4m/s)，較好地接近壁面無滑移假設(shè)。
        圖 7 為第一層熔體層分配流道對稱平面上的速度分布云圖。熔體受到壁面的粘附作用，沿螺旋槽徑向速度降低;隨著螺旋槽徑向尺寸不斷減小，流動截面逐漸變小，沿螺旋槽軸線方向，速度先增大后減小，極大值出現(xiàn)在螺旋槽和狹縫交匯處及其上游。圖 8 為各條螺旋槽出口在層分配流道對稱平面上的速度分布。由圖 8 可知，螺旋槽和狹縫交匯處的漏流最大，接著，迅速減小，在螺旋槽沿程方向上，運(yùn)行至螺旋槽和狹縫交匯處所對應(yīng)的角度，螺旋槽中的流量受到螺旋槽和狹縫交匯處漏流的補(bǔ)充而增大，漏流逐漸增大，但隨著狹縫高度的增大，流動截面增大，所以幅度不斷減小。運(yùn)行至滯留區(qū)所對應(yīng)的角度，均會再次出現(xiàn)低點(diǎn)。

3. 3 剪切速率場結(jié)果分析
        圖 9 為第一層層分配流道的剪切速率場。圖中的最高剪切速率控制為 1 500 s － 1，實(shí)際深色區(qū)域最高值為 4 363 s － 1，出現(xiàn)在螺旋槽和狹縫交匯處的狹縫壁面上。從圖 9 中可以看出，沿螺旋槽軸線方向，剪切速率逐漸降低;沿狹縫流動方向，剪切速率逐漸減低，螺旋槽區(qū)域出現(xiàn)局部的低值;在滯留區(qū)，剪切速率出現(xiàn)最低值，在螺旋槽和狹縫交匯處出現(xiàn)最高值。這和速度場的分布規(guī)律較為一致。

        圖10 為共擠出流道的剪切速率場，圖11 為界面上的剪切速率場。從圖10、11 中可以看出，在各層熔體匯入共擠出流道處，界面上的剪切速率最大，隨著層數(shù)的增加，共擠出流道壁面上的剪切速率減小。以第一層為例，當(dāng)?shù)诙訁R入共擠出流道后，第一層脫離了第一、二層間共擠出流道壁面的影響，速度梯
度隨著層數(shù)的增加而降低，剪切速率減小。

4 結(jié)論
        (1)壓力場:層分配流道中，螺旋槽沿程方向的壓力不斷降低，在螺旋槽和狹縫交匯處的對應(yīng)角度上出現(xiàn)局部高點(diǎn);沿著某一擠出徑向的徑向位置減小方向，壓力不斷降低，在螺旋槽區(qū)域出現(xiàn)平臺。
        (2)速度場:層分配流道中，螺旋槽出口中心線上的速度不斷降低，在螺旋槽和狹縫交匯處的對應(yīng)角度上出現(xiàn)局部高點(diǎn)。層分配流道存在滯留區(qū)，層分配流道出口速度呈類正弦曲線的分布，螺旋槽和狹縫交匯處對應(yīng)的角度附近為高點(diǎn)，滯留區(qū)對應(yīng)的角度附近為低點(diǎn)。
        (3)剪切速率場:層分配流道中，沿螺旋槽軸線方向，剪切速率逐漸降低，在螺旋槽區(qū)域出現(xiàn)局部的低值。共擠出流道中，界面1、2 上的剪切速率分別在第二、三層熔體匯入共擠出流道處最佳。隨著層數(shù)的增加，共擠出流道壁面上的剪切速率明顯減小。