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高分子材料的加工成型技術(shù)探究

來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:綜合論文時間:瀏覽:

  來源:新視線·建筑與電力·學(xué)術(shù) 2022年5期

  作者:尤慧芳

  摘要:在高分子成型加工中,擠出、吹塑等傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般采用理論計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)法。通過實(shí)驗(yàn)來獲取最優(yōu)設(shè)計(jì)的方法常受到多種人為和環(huán)境因素限制與影響,并且資金投入大、研究周期長,不利于快速應(yīng)對各種生產(chǎn)要求與任務(wù);而理論計(jì)算法因其計(jì)算量龐大需要大量人力,并且只能精確計(jì)算特殊條件下的情況,范圍有限。在數(shù)字化設(shè)計(jì)方法逐步取代試差法的背景下,通過POLYFLOW商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬能夠克服前面兩種方法存在的弊端。此外,數(shù)值模擬可以形象地使用流線圖、云圖等再現(xiàn)流動情景,更加直觀和精準(zhǔn)地分析流場,以便對設(shè)備和生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

  關(guān)鍵詞:高分子材料;加工成型技術(shù);POLYFLOW

  前言

  高分子材料源于20世紀(jì)60年代末期,通過在高分子上修飾反應(yīng)基團(tuán),使其具有化學(xué)反應(yīng)活性、催化活性、導(dǎo)電性及生物相容性等特殊功能[1]。相較于傳統(tǒng)高分子材料,高分子材料不僅具備理化特性,還因經(jīng)修飾的特殊基團(tuán)而具有其他特殊性能,備受矚目。當(dāng)今研究的熱點(diǎn)主要是功能高分子的性能與其結(jié)構(gòu)的聯(lián)系,通過不斷研究開發(fā)功能高分子的新型結(jié)構(gòu)及合成方法,篩選出具有更多功能的新興功能高分子,拓寬高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步,高分子材料領(lǐng)域正進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展以服務(wù)社會。

  1高分子材料的分類

  1.1反應(yīng)型高分子材料

  反應(yīng)型高分子材料通過將反應(yīng)活性中心或催化性中心接枝到高分子鏈上,達(dá)到將小分子試劑或催化劑高分子化的目的,主要包括高分子催化劑和高分子試劑等。

  1.2光高分子材料

  光高分子材料具有將光吸收、存儲和轉(zhuǎn)換的能力,主要包括光敏涂料、熒光劑、光轉(zhuǎn)化材料、光致變色材料和光導(dǎo)材料等。

  1.3電高分子材料

  電高分子材料主要依靠自身提供的導(dǎo)電載流子導(dǎo)電或者通過添加炭黑、金屬粉、箔等實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電,主要包括聚乙炔、線型聚苯以及各類導(dǎo)電塑料、橡膠、涂料和薄膜等。

  1.4生物醫(yī)用高分子材料

  生物醫(yī)用高分子材料主要用于診療疾病,還可以充當(dāng)生物體組織器官的替代品或者起到輔助作用的材料,主要應(yīng)用于人工器官、藥物釋放、生物組織工程等領(lǐng)域。

  1.5環(huán)境降解高分子材料

  環(huán)境降解高分子材料是指通過一定手段可以降解的高分子材料,主要包括光降解和生物降解兩大類,被廣泛應(yīng)用于生物工程和醫(yī)用降解高分子材料等學(xué)科領(lǐng)域。

  1.6形狀記憶高分子材料

  形狀記憶高分子材料是指改變并固定形狀后,通過改變外界條件(溫度、pH、電場力等)能恢復(fù)初始形狀的材料,主要有熱感、電感、光感和化學(xué)感應(yīng)型,被廣泛應(yīng)用于包裝、建筑等行業(yè)。

  1.7吸附分離高分子材料

  吸附分離高分子材料是具有吸附功能的高分子材料,主要有離子交換樹脂和吸附樹脂等。

  1.8液晶高分子材料

  液晶高分子材料主要來自纖維基體和樹脂基體的宏觀復(fù)合,液晶高分子材料強(qiáng)度較高、熱脹系數(shù)較小、電光學(xué)性質(zhì)較好,主要用于制作液晶顯示、復(fù)合材料,在電子工業(yè)有廣泛的應(yīng)用。

  1.9導(dǎo)熱高分子材料

  導(dǎo)熱高分子材料是指具有良好導(dǎo)熱性能的高分子材料,主要有高導(dǎo)熱絕緣膠黏劑等。

  2 POLYFLOW軟件與模擬分析步驟

  POLYFLOW是基于有限元法的計(jì)算流體動力學(xué)軟件,其中包含了許多實(shí)用的模型和完善的算法。POLYFLOW相較于其他流體計(jì)算軟件具有完備黏彈性模型體系,并對AutoCAD、SolidWorks等軟件兼容,因此可以用來解決牛頓/非牛頓流體及線性/非線性問題。20世紀(jì)90年代以來,因計(jì)算流體和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,POLYFLOW軟件得到快速發(fā)展,并應(yīng)用于包裝、電子電氣等諸多工業(yè)部門,而且它可以提高設(shè)計(jì)精度,降低設(shè)計(jì)成本并縮短設(shè)計(jì)周期,在工業(yè)設(shè)計(jì)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用,從而促進(jìn)高分子加工行業(yè)的發(fā)展。POLYFLOW在高分子成型加工中的模擬分析步驟如下:(1)建立有限元模型:設(shè)計(jì)或讀入幾何模型;定義材料屬性;劃分網(wǎng)格(節(jié)點(diǎn)及單元)。(2)施加載荷并求解:施加載荷、設(shè)定約束條件;求解。(3)查看結(jié)果:查看分析結(jié)果;檢驗(yàn)結(jié)果(分析是否正確)。

  3 POLYFLOW在擠出中的應(yīng)用

  POLYFLOW用于擠出方面的數(shù)值模擬主要有兩類:(1)正向分析:對于給定的口模形狀與參數(shù),可以用POLYFLOW來分析不同工藝條件下制品擠出成型的各種參數(shù),如制品的最終形狀、口模處的壓力變化等,由此來確定最佳工藝條件。(2)逆向分析:與正向分析過程相反,是根據(jù)已知的制品形狀,運(yùn)用POLYFLOW的逆向分析功能來設(shè)計(jì)口模。優(yōu)點(diǎn)是不依賴經(jīng)驗(yàn)口模并直接給出口模形狀,但仍然需要正向分析來檢驗(yàn)和優(yōu)化。擠出成型是高分子成型加工過程中重要的工藝之一。在擠出成型過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象,并且在異型材擠出設(shè)備中存在復(fù)雜功能塊部位的尺寸超差問題[3]和高分子材料擠出脹大導(dǎo)致的尺寸不一等問題,因此需要優(yōu)化擠出參數(shù)和預(yù)測擠出形狀,利用POLYFLOW可以有效地分析和解決上述難題。

  3.1模型建立

  建立幾何和數(shù)學(xué)模型:建立幾何模型并根據(jù)流道復(fù)雜度進(jìn)行網(wǎng)格劃分;根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律以及本構(gòu)方程來建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型(一般根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型選擇相應(yīng)的黏性流體模型);設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,并重置網(wǎng)格。

  3.2計(jì)算結(jié)果分析

  (1)正向分析:正向分析得到密封條熔體擠出脹大圖、入口處流速等值線圖和流速曲線圖,可以分析截面上各特征點(diǎn)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)口模上的凸點(diǎn)有橫向收縮,縱向延伸的趨勢,口模上凹點(diǎn)位移相對較小,有橫向延伸的趨勢,設(shè)計(jì)口模時需相應(yīng)減小凸點(diǎn)與凹點(diǎn)的尺寸,以此設(shè)計(jì)并優(yōu)化口模。

  (2)逆向分析:三維逆向設(shè)計(jì)是根據(jù)制品已知的橫截面形狀來設(shè)計(jì)口模橫截面形狀,通常先根據(jù)制品形狀參數(shù)得到相應(yīng)的熔體擠出脹大圖和速度場分布圖來分析流體在不同擠出位置時的形狀,運(yùn)用POLYFLOW數(shù)值設(shè)計(jì)的功能以制品的橫截面形狀為口模內(nèi)流道來建立幾何模型得到預(yù)測的密封條擠出口模橫截面形狀圖,然后再進(jìn)行正向分析來優(yōu)化。

  4結(jié)論與展望

  綜上所述,高分子材料成型技術(shù)在應(yīng)用過程中會根據(jù)不同材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及用途等做出相應(yīng)的調(diào)整與改變,目前高分子材料的成型加工技術(shù)已經(jīng)成為材料合成、制備與工業(yè)化生產(chǎn)的前沿技術(shù)。在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn),逐步向著低能耗、高效率、經(jīng)濟(jì)低成本、污染小的方向發(fā)展,在我國大力推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展倡議的背景下,高分子材料成型加工技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢。

  參考文獻(xiàn):

  [1]劉紅彬,施政敏.基于POLYFLOW擠出成型的模擬分析[J].橡塑技術(shù)與裝備,2013(12):1-4.

  [2]劉斌,馬駿.Polyflow逆向擠出功能在異型材口模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].塑料科技,2008(01):66-70.

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