T型模具变歧管半径流道的流变学设计

麻向军

(华南理工大学 聚合物成型加工工程教育部重点实验室∥聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广州 510640)

热塑性塑料片材、流涎膜挤出成型采用平缝型挤出模具，其流道设计的关键问题包括熔体沿流道宽度方向出口流率要均匀一致、熔体流经整个流道的压力降要适中以及熔体在流道中的停留时间尽可能短[1- 2]。T型挤出模具结构简单、制造成本低，特别是流道宽度较大时，T型模具的流道长度较衣架式模具小，更适合于宽幅片材和流涎膜挤出成型。现有T型模具的流道设计只能以等歧管半径和等厚度阻流区流道的熔体出口流率均匀性指数UI作为设计校核依据[1]，如式(1)所示：

(1)

式中，n为熔体的幂律指数，h为阻流区厚度，L为阻流区长度，R为歧管半径，W为流道宽度的一半。

从式(1)可以看出，UI<1，工程中通常以UI≥0.95作为设计依据。受模具长度的限制，通常采用增加歧管半径和减小阻流区厚度的方法提高熔体出口流率的均匀性。但是，增加歧管半径会显著增加熔体(特别是靠近流道末端的熔体)的停留时间，容易造成熔体的热降解；减小阻流区厚度会显著增加挤出压力，增大挤出难度，降低挤出产量。工程上亦采用将阻流区设计为厚度不同的两个区域的方式来降低熔体停留时间和挤出压力[3]，但由于缺乏设计理论的指导，通常需要加装阻流棒或/和采用柔性模唇并在试模时通过局部调节来提高熔体出口流率的均匀性[4- 5]，这不仅使模具结构变得复杂，而且增加了模具制造成本。设计不良的流道即使调节阻流棒和柔性模唇也难以使熔体出口流率的均匀性达到理想状态，而且容易造成熔体滞留[6- 7]。麻向军[8]采用等歧管半径和两个不同厚度阻流区的流道结构，基于熔体出口流率均匀的条件推导了阻流区分界曲线的解析式。本研究在分析T型模具中熔体在流道中的流动特点的基础上，提出了采用变歧管半径和两个不同厚度阻流区的流道结构，并在满足熔体出口流率沿流道宽度方向均匀的条件下，根据流变学理论对流道结构和尺寸进行理论设计，最后进行了设计实例研究。

1 流道几何形状的流变学设计

1.1 几何模型

采用变歧管半径和两个阻流区的流道结构如图1所示，由入口区、歧管、阻流Ⅰ区、阻流Ⅱ区、松弛区和成型区组成。熔体进入歧管后，沿歧管向流道两侧流动的同时，一部分熔体进入阻流Ⅰ区并沿挤出方向流动，因此，歧管中熔体的体积流率逐渐减小。如采用等半径的歧管，歧管中熔体的流速下降较快，停留时间迅速增加。为此，将歧管截面尺寸沿流道两侧逐渐减小以提高熔体的流速，从而降低歧管中熔体的停留时间。另一方面，熔体沿歧管向流道两侧流动时压力逐渐下降，即熔体在阻流Ⅰ区入口处的压力逐渐下降，特别是采用变半径的歧管时熔体压力下降更大，如采用等厚度阻流区，则熔体出口流率沿流道两侧降低，为了提高熔体出口流率的均匀性，必须提高熔体流经阻流区的压力降，这会造成挤出压力显著增加。……