多层聚合物包装容器吹塑过程的数值优化研究

多层聚合物包装容器吹塑过程的数值研究^[89]

武晓松，彭炯，王建

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。该公司开发了一种三层结构制品，并在制品中使用了阻隔层和再粉碎可回收材料。这一技术最终应用于易氧化食品包装和多层燃料油箱。1983年多层包装容器在食品包装领域Heinz Ketchup瓶被用户接受，多层共挤吹塑技术开始广泛应用食品包装，化学和药品容器领域。包装材料在保证食品的品质和安全上起了极其重要的作用，而科技的进步和材料性能的提升又使乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)成为高阻隔性包装材料的首选。包装的内、外层以低成本的聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等为主。Laroche等使用RMS得到K-BKZ方程中的材料参数，用K-BKZ积分型黏弹性本构方程，数值模拟了非等温挤出吹塑高密度聚乙烯(HDPE)油箱过程。研究结果表明，在高吹胀比区，数值模拟壁厚的数据与实验数据吹合较好，可以通过数值模拟预测薄壁区域和夹口等处的厚度；在低吹胀比区，数值模拟壁厚的数据明显高于实验数据。Karol等用Polyflow软件数值模拟了轴对称圆形塑料瓶的吹气成型过程，分析了型坯直径对制品壁厚分布的影响，优化初始型坯壁厚得到最终壁厚均大于设定值1mm的制品。Miranda等用B-SIM软件数值模拟了某PET包装瓶的拉伸吹塑过程，对比实验和计算的结果表明，模拟优化计算减轻了制品21%的质量。刘沙粒等用Polyflow软件数值模拟了带把手HDPE油桶的等温吹气成型过程，用数值模拟方法优化了型坯壁厚，第4次优化后制品的壁厚值均小于预设值，减轻了制品的质量。

国内外对单层中空制品的拉伸吹塑和挤出吹塑成型的研究较多，鲜见多层中空制品的数值模拟研究。本文拟以三层聚合物包装容器为研究对象，用Polyflow软件数值模拟了其吹塑成型过程。

1 数学物理模型和数值计算方法

三层包装容器的几何模型如图1所示，容器高L＝200mm，容器直径Φ＝70mm，容器口半径R＝15mm。A—A参考线为通过制品中轴线的xy平面与制品壁面的交线。挤出吹塑中空制品中轴线的xy平面与制品壁面的交线。挤出吹塑中空制品过程主要包括型坯成型、型坯吹胀和冷却固化3个阶段。本文研究重点是数值模拟型坯的吹胀成型过程。

图1多层阻隔容器几何模型

初始型坯由HDPE(内层)、HDPE回料（外层）和EVOH(阻隔层)三部分构成，厚度依次为1.88、0.28、1.84mm，初始型坯总厚度为4mm。型坯底面圆心与坐标原点重合，型坯直径为20mm。模具为开合结构，型坯置于模具中央，模具距原点的最近距离为25mm。由于壁厚尺寸远远小于其他三维尺寸，故采用shell模型，即用面网格代替体网格。由于模具和型坯结构对称，为提高计算效率只选制品的一半为模型进行计算。型坯和模具的网格划分如图2所示。模具用四边形和三角形划分网格，型坯用四边形划分网格，网格数为1607个。节点数为1679个。

图2 型坯和模具的网格划分

(a)型坯(b)模具

考虑到挤出吹塑过程的实际工艺条件和聚合物熔体的流变特性，作出如下假设： 1)吹胀过程中聚合物熔体为等温流动；2)吹胀过程中，型坯与模具接触壁面无滑移；3)初始型坯壁厚均一。建立描述型坯吹胀过程中聚合物熔体流动的控制方程：

连续性方程

运动方程

接触力张量

总应力张量

K-BKZ本构方程

式中，D为微分算符；δ为型坯壁厚，m；t为当前时间，s；Δ为哈密顿算子；u为速度矢量，m/s；ρ为材料密度，kg/m³；p_p为吹胀压力，Pa；N为单位长度接触力张量，Pa· m；T为总应力张量，Pa；T₁为弹性应力张量，Pa；T₂为黏性应力张量，Pa；n为分子链的运动模式，η_k为特征黏度参数，Pa· s；t_λ为松弛时间，s；t′为当前时间，s；C_t为Cauchy-Green应变张量。(https://www.xing528.com)

多层吹塑型坯为三层结构，阻隔层为日本合成化学工业株式会社生产的EVOH，牌号为DC3203F。密度为1170kg/m³；内层为道达尔公司生产的吹塑级HDPE，牌号为MS201BN，密度为949kg/m³；外层为生产现场收集的HDPE回料，密度为1000kg/m³。文中制品各物料壁厚分别用thickness1，thick-ness2，thickness3表示，总物料层壁厚为thickness。用Polyflow软件的材料参数模块Polymat拟合实验测定的流变参数，分别得到210℃条件下的上述三种材料的松弛时间谱，见表1至表3。

表1 HDPE的松弛时间谱

表2 EVOH的松弛时间谱

表3 HDPE回料的松弛时间谱

用Polyflow软件包数值求解式(1)至式(5)。数值计算的收敛精度为10^－3，最小时间步长为10^－6，采用隐式欧拉法迭代求解离散的控制方程。对于吹塑问题，在模具夹断位置型坯曲率较大，为了提高计算结果的精确度，计算过程应用自适应网格技术细化高曲率部分的网格。在等温条件下，分别数值模拟了均一壁厚多层初始型坯的挤出吹塑多层阻隔容器过程。在惠普工作站HPXW9300上完成全部计算工作，计算时间约为5h。

2 结果和讨论

图3给出了不同吹胀时间下型坯的网格图。为了减小计算结果与真实结果的偏差，提高模具曲率较大位置网格的质量，在曲率较大位置，随着吹胀时间的增加，型坯网格被不断细化，使数值模拟的结果更加接近真实情况。当型坯与模具完全接触后型坯网格不再发生变化。

图4给出了预吹气压力为7kPa，成型吹气压力为0.7MPa，熔体温度为210℃条件下，各层物料的壁厚分布。由图可知各物料层的相对壁厚大小分布规律大致相同。在制品上下两端曲率较大位置的壁厚值较小，在熔接线尾端壁厚值较大。这是由于在整个吹胀过程中，在模具曲率较大位置，型坯拉伸较大，故该位置的型坯壁厚相对较薄。在熔接线位置，型坯最早与模具接触，由于壁面无滑移条件，接触后型坯不再受吹气压力的影响，壁厚基本保持不变；同时在吹气压力的作用下，物料向四角堆积，导致熔接线尾部壁厚值较大。

图3 不同时间条件下的型坯网格图

图4 制品壁厚分布

(a)HDPE(b)HDPE回料(c)EVOH(d)总物料层

图5A—A参考线上的壁厚分布

图5给出了A—A参考线上制品壁厚沿y轴的分布情况。由图可知，总壁厚和各层壁厚的值在参考线上的分布规律基本相同，沿y轴正方向呈类W型分布。在制品底部厚度值较大，在底部弯曲位置壁厚逐渐减小，总壁厚最小值为1.13mm。之后到制品中间位置壁厚值逐渐增大，在制品中间位置总壁厚值最大值为2.15mm。到顶部弯曲位置壁厚值又不断减小，顶部弯曲位置的总壁厚最小值为1.61mm。通过顶部弯曲位置后壁厚值又开始增加。

3 结论

本文用Polyflow软件数值模拟了多层包装容器的吹胀过程，通过Polymat拟合不同材料参数，赋予shell模型不同的物料层，应用自适应网格技术，在一定的工艺条件下计算了多层型坯吹胀制品的壁厚分布。结果表明，多层包装容器制品各物料层的相对壁厚值大小分布规律大致相同。在制品上下两端曲率较大位置的壁厚值较小，在熔接线尾端壁厚值较大。分析参考线上各层壁厚沿y轴正方向的变化可知，各物料层壁厚的变化规律相同。