微孔塑料注射成型數(shù)值模擬.pdf

1、微孔塑料是指泡孔直徑為1～50微米、泡孔密度為10<'9>～10<'12>個(gè)/cm<'3>、泡孔分布非常均勻的泡沫塑料,其設(shè)計(jì)思想即在高分子材料內(nèi)部產(chǎn)生比原有缺陷更小的氣泡,使泡孔的存在不僅不會(huì)降低材料的強(qiáng)度,反而會(huì)使材料中原有的裂紋尖端鈍化,阻止裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展,從而提高其力學(xué)性能.由麻省理工學(xué)院(MIT)與Trexel公司共同研發(fā)的制備微孔塑料的微孔發(fā)泡技術(shù)(Mucell)已經(jīng)商業(yè)化,其原理是將超臨界狀態(tài)的大氣(N<,2>或CO

2、<,2>)通過(guò)安裝在注射機(jī)機(jī)筒上的注射器注射入聚合物熔體中,形成單一均相的聚合物/氣體體系,隨后,熔體被快速注射入模具型腔,隨著壓力驟降,超臨界氣體便會(huì)逸出,形成大量的微孔,然后微孔與模腔內(nèi)熔體一起冷卻定型而得到泡孔大小均勻、分布均勻的微孔塑料制品. 微孔制品不僅力學(xué)性能優(yōu)異,而且與傳統(tǒng)注射工藝相比,微泡注射工藝還具有以下優(yōu)點(diǎn):減少耗能36﹪左右;成型周期縮短20～50﹪;原材料消耗減少5～30﹪.微泡注射成型提供了傳統(tǒng)注塑工藝

3、所不具有的巨大能力,為開(kāi)發(fā)新型塑料產(chǎn)品、優(yōu)化注射工藝和降低產(chǎn)品成本開(kāi)拓了廣闊的空間.微孔塑料制品正被應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域,如航空航天、汽車(chē)、醫(yī)藥、電子、食品包裝等行業(yè),越來(lái)越多的塑料加工企業(yè)投入資金對(duì)現(xiàn)有的注射機(jī)進(jìn)行改造,利用微孔注射工藝進(jìn)行生產(chǎn),提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力. 本文研究了微泡注射成型加工的基本原理和工藝過(guò)程,剖析了成型過(guò)程中微泡的成核、生長(zhǎng)以及冷卻定型機(jī)理;引入合理的假設(shè),并進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,建立了微泡生長(zhǎng)和熔體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

4、,并構(gòu)造了有效算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)微泡注射成型過(guò)程的數(shù)值模擬.主要內(nèi)容包括: 1、探討了超臨界流體在聚合物中混合、擴(kuò)散、完全溶解進(jìn)入聚合物形成物理性質(zhì)均一體系的過(guò)程;探討了氣泡成核機(jī)理,分析了氣泡長(zhǎng)大理論模型的發(fā)展,以及氣泡的穩(wěn)定與固化過(guò)程. 2、基于流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論,運(yùn)用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、菲克擴(kuò)散定律以及亨利定律,描述微泡的流體動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)和擴(kuò)散生長(zhǎng),建立微泡生長(zhǎng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型. 3、計(jì)入微泡生長(zhǎng)對(duì)熔體流動(dòng)的驅(qū)

5、動(dòng)作用以及微泡對(duì)熔體粘度的影響,宏觀上將成型過(guò)程視為單相流.基于粘性流體力學(xué)基本理論,考慮模具冷卻效應(yīng),用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程來(lái)描述成型過(guò)程中熔體的流動(dòng)和傳熱,并與微泡生長(zhǎng)方程耦合,建立微泡注射成型過(guò)程的數(shù)學(xué)模型. 4、微泡注射成型過(guò)程數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解.利用伽遼金加權(quán)余量法建立型腔內(nèi)壓力場(chǎng)求解的有限元方程,沿厚度和時(shí)間域差分建立溫度場(chǎng)求解的差分方程,并對(duì)微泡生長(zhǎng)方程進(jìn)行差分離散.構(gòu)造有效算法對(duì)這些方程進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)微