聚合物挤出吹塑成型过程的数值模拟

挤出吹塑成型起源于20世纪30年代，经过几十年的发展，目前已成为第三大塑料成型方法。中空吹塑制品按用途可分为瓶、桶、罐等包装容器和汽车零件、家用电器配件、办公用品等工业制件两大类。挤出吹塑技术具有成本低、适应性强、成型制品性能好等特点，是一种广泛应用于各种中空制件和复杂工业制件生产的成型方法。为了提高制品质量，减少制品重量以降低成本。早期，科技工作者通过差示扫描量热仪(DSC)分析研究探索聚合物分子结构、支化和熔融的多层次性对制品质量的影响，分析吹塑制品熔接线缺陷区和非缺陷区的结晶度，改进工艺路线。

多层吹塑成型是塑料工业的第29个重大技术革新。20世纪70年代，作为包装材料的创新先锋，日本东洋公司首先尝试了多层挤出吹塑包装制品，在三层制品中使用了阻隔层和再粉碎可回收材料。1983年以后，多层共挤吹塑技术开始广泛应用于食品包装，化学和药品容器领域随着工业的发展，吹塑制品的形状越来越复杂，这对塑料工业提出了更大的挑战。传统的研究方法已经不能适应工业发展的要求。

2012年开始，根据企业的要求，陈晋南课题组使用Polyflow软件，数值研究聚合物材料吹塑加工成型过程和成型机理，模拟研究了吹塑的工艺过程，用软件数字设计异形型坯和口模，以改善挤出吹塑形状复杂的塑料制件的壁厚均匀性。数值模拟优化带把手HDPE油桶挤出吹塑型坯壁厚，研究了型坯温度对HDPE油桶成型的影响^[84-90]。下面仅综述陈晋南课题组数值研究聚合物挤出吹塑过程的研究工作。需要注意的是，描述吹塑过程必须考虑质量力的影响，研究非稳态过程，使用应力张量表示运动方程为式(3.2.18d)

2012年，李静和彭炯等^[84]用Carreau本构模型，数值模拟了用于管材挤出吹塑和型坯成型的圆环口模和锥形口模内HDPE熔体及其型坯的三维等温流场，考虑了挤出胀大和垂伸效应的综合影响，分析了两种口模的差异。研究结果表明，对于同一直径和口模间隙的环形口模和锥形口模，在相同入口流量下，环形口模内熔体的压力梯度大于锥形口模，环形口模成型型坯的厚度小于锥形口模，环形口模成型型坯的直径大于锥形口模；环形和锥形口模内熔体的压力梯度随着入口流量的增加而增加，在环形和锥形口模成型型坯的底端，型坯的厚度和外半径随着入口流量的增加而增加；锥形口模成型型坯厚度较环形口模对流量更敏感。

2013年，Peng和Li等^[85]用Carreau本构方程来描述高密度聚乙烯(HDPE)的流变特性，数值研究了吹塑过程中熔体的速度、剪切率、黏度、压力、厚度和半径的分布。研究了流量和温度对挤出膨胀和型坯下垂的影响。结果表明，型坯的厚度随着流量的增加而增加。型坯的厚度和半径对流量变化比对温度变化更敏感。

2013年，陈晋南课题组与中国石油化工股份有限公司燕山分公司树脂应用研究所合作。王建和陈晋南等^[86]使用K-BKZ本构模型拟合实验测试的HDPE流变数据，确定了HDPE的本构模型参数。数值研究HDPE熔体温度对油桶吹胀成型工艺的影响。通过DSC热分析实验研究了HDPE冷却速率和结晶度的关系，数值模拟了HDPE油桶的非等温吹胀过程，研究了初始型坯温度对制品温度、制品厚度、制品与模具接触时间的影响。研究结果表明，温度的最小值出现在油桶的拐角处，而温度的最大值出现在桶口处；随着初始型坯温度的升高，吹塑制品熔接线处厚度增加，吹塑制品与模具接触时间增大。(www.xing528.com)

2013年，李静和彭炯等^[87]实验测试了数值模拟了HDPE油桶的非等温吹胀过程，研究了吹胀压力对HDPE油桶吹胀过程的影响。结果表明，吹塑制品的温度随着吹胀压力的增加而减小；吹胀压力越大，接触时间越长；吹胀压力越大，分型线处壁厚越大。综合考虑生产效率和分型线处物料堆积的问题，吹胀压力宜选择0.6MPa左右。

2013年，刘沙粒和彭炯等^[88]在温度和吹气压力相同的条件下，分别数值模拟了均一壁厚初始型坯和优化的非均一壁厚初始型坯挤出吹塑HDPE带把手油桶的过程。用Polyflow软件中的型坯控制程序，将初始型坯分成10段，通过控制这10段型坯的厚度来控制吹塑制品的壁厚。结果表明：均一壁厚5.0mm的初始型坯经过吹胀阶段后，油桶大部分壁厚都小于3.0mm；使用Polyflow后处理程序对油桶型坯6次优化后，吹塑制品壁厚均大于3.0mm，且在第4次优化的基础上将油桶质量从646.89g降至642.68g。

2014年，武晓松和彭炯等人^[89]用Polymat拟合了实验测定的HDPE、EVOH和HDPE三种材料的流变数据，确定了每种物料的K-BKZ本构方程参数，应用自适应网格技术自动细化不同曲率位置的型坯网格，数值模拟了多层包装容器的吹塑成型过程。研究结果表明，多层包装容器高曲率位置的各物料层壁厚值较小，制品熔接线末端有物料堆积，各物料层壁厚值较大。不同物料层的壁厚分布规律基本一致。为多层包装容器制备提供了理论依据和技术支持。

2015年，武晓松和彭炯等人^[90]在0.7MPa、熔体温度210℃的条件下，在不同预吹压力下，用K-BKZ本构模型，数值研究了预吹气压力对多层聚合物包装容器壁厚的影响。初始型坯包括HDPE(内层)、EVOH(阻隔层)和HDPE回料（外层），初始型坯壁厚均一。对于吹塑问题，模具夹断处型坯曲率较大，计算过程用adaptive mesh法细化稿曲率部位的网格，数值模拟了均一壁厚多层初始型坯的挤出吹塑多层阻隔包装容器的等温过程，计算了HDPE(内层)、EVOH(阻隔层)和HDPE的松弛时间谱。研究结果表明，适当提高预吹气压，能提高制品的壁厚均一性，预吹气压过大使制品产生明显熔接痕，影响产品质量，同时造成原材料的浪费。在设备和材料确定的条件下，数值模拟分析吹塑过程，可以优化工艺条件。

本节介绍陈晋南课题组使用Polyflow软件数值模拟研究聚合物挤出吹塑成型过程，优化设计聚合物挤出吹塑成型口模和工艺条件的成功案例。本节分为3节，包括流速和温度对挤出吹塑型坯挤出胀大和垂伸影响的数值研究、带把手HDPE油桶挤出吹塑型坯壁厚的数值模拟优化、多层聚合物包装容器吹塑过程的数值研究。