高分子材料的加工成型技术探究

　　来源：新视线·建筑与电力·学术 2022年5期

　　作者：尤慧芳

　　摘要：在高分子成型加工中，挤出、吹塑等传统的设计方法一般采用理论计算法和实验法。通过实验来获取最优设计的方法常受到多种人为和环境因素限制与影响，并且资金投入大、研究周期长，不利于快速应对各种生产要求与任务;而理论计算法因其计算量庞大需要大量人力，并且只能精确计算特殊条件下的情况，范围有限。在数字化设计方法逐步取代试差法的背景下，通过POLYFLOW商业软件进行数值模拟能够克服前面两种方法存在的弊端。此外，数值模拟可以形象地使用流线图、云图等再现流动情景，更加直观和精准地分析流场，以便对设备和生产工艺进行优化。

　　关键词：高分子材料;加工成型技术;POLYFLOW

　　前言

　　高分子材料源于20世纪60年代末期，通过在高分子上修饰反应基团，使其具有化学反应活性、催化活性、导电性及生物相容性等特殊功能[1]。相较于传统高分子材料，高分子材料不仅具备理化特性，还因经修饰的特殊基团而具有其他特殊性能，备受瞩目。当今研究的热点主要是功能高分子的性能与其结构的联系，通过不断研究开发功能高分子的新型结构及合成方法，筛选出具有更多功能的新兴功能高分子，拓宽高分子材料的应用领域。随着科技的进步，高分子材料领域正进行创新和发展以服务社会。

　　1高分子材料的分类

　　1.1反应型高分子材料

　　反应型高分子材料通过将反应活性中心或催化性中心接枝到高分子链上，达到将小分子试剂或催化剂高分子化的目的，主要包括高分子催化剂和高分子试剂等。

　　1.2光高分子材料

　　光高分子材料具有将光吸收、存储和转换的能力，主要包括光敏涂料、荧光剂、光转化材料、光致变色材料和光导材料等。

　　1.3电高分子材料

　　电高分子材料主要依靠自身提供的导电载流子导电或者通过添加炭黑、金属粉、箔等实现导电，主要包括聚乙炔、线型聚苯以及各类导电塑料、橡胶、涂料和薄膜等。

　　1.4生物医用高分子材料

　　生物医用高分子材料主要用于诊疗疾病，还可以充当生物体组织器官的替代品或者起到辅助作用的材料，主要应用于人工器官、药物释放、生物组织工程等领域。

　　1.5环境降解高分子材料

　　环境降解高分子材料是指通过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两大类，被广泛应用于生物工程和医用降解高分子材料等学科领域。

　　1.6形状记忆高分子材料

　　形状记忆高分子材料是指改变并固定形状后，通过改变外界条件(温度、pH、电场力等)能恢复初始形状的材料，主要有热感、电感、光感和化学感应型，被广泛应用于包装、建筑等行业。

　　1.7吸附分离高分子材料

　　吸附分离高分子材料是具有吸附功能的高分子材料，主要有离子交换树脂和吸附树脂等。

　　1.8液晶高分子材料

　　液晶高分子材料主要来自纤维基体和树脂基体的宏观复合，液晶高分子材料强度较高、热胀系数较小、电光学性质较好，主要用于制作液晶显示、复合材料，在电子工业有广泛的应用。

　　1.9导热高分子材料

　　导热高分子材料是指具有良好导热性能的高分子材料，主要有高导热绝缘胶黏剂等。

　　2 POLYFLOW软件与模拟分析步骤

　　POLYFLOW是基于有限元法的计算流体动力学软件，其中包含了许多实用的模型和完善的算法。POLYFLOW相较于其他流体计算软件具有完备黏弹性模型体系，并對AutoCAD、SolidWorks等软件兼容，因此可以用来解决牛顿/非牛顿流体及线性/非线性问题。20世纪90年代以来，因计算流体和计算机的发展，POLYFLOW软件得到快速发展，并应用于包装、电子电气等诸多工业部门，而且它可以提高设计精度，降低设计成本并缩短设计周期，在工业设计中获得越来越广泛的应用，从而促进高分子加工行业的发展。POLYFLOW在高分子成型加工中的模拟分析步骤如下：(1)建立有限元模型：设计或读入几何模型;定义材料属性;划分网格(节点及单元)。(2)施加载荷并求解：施加载荷、设定约束条件;求解。(3)查看结果：查看分析结果;检验结果(分析是否正确)。

　　3 POLYFLOW在挤出中的应用

　　POLYFLOW用于挤出方面的数值模拟主要有两类：(1)正向分析：对于给定的口模形状与参数，可以用POLYFLOW来分析不同工艺条件下制品挤出成型的各种参数，如制品的最终形状、口模处的压力变化等，由此来确定最佳工艺条件。(2)逆向分析：与正向分析过程相反，是根据已知的制品形状，运用POLYFLOW的逆向分析功能来设计口模。优点是不依赖经验口模并直接给出口模形状，但仍然需要正向分析来检验和优化。挤出成型是高分子成型加工过程中重要的工艺之一。在挤出成型过程中存在不稳定现象，并且在异型材挤出设备中存在复杂功能块部位的尺寸超差问题[3]和高分子材料挤出胀大导致的尺寸不一等问题，因此需要优化挤出参数和预测挤出形状，利用POLYFLOW可以有效地分析和解决上述难题。

　　3.1模型建立

　　建立几何和数学模型：建立几何模型并根据流道复杂度进行网格划分;根据质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律以及本构方程来建立相应数学模型(一般根据相应的数学模型选择相应的黏性流体模型);设置相应的边界条件，并重置网格。

　　3.2计算结果分析

　　(1)正向分析：正向分析得到密封条熔体挤出胀大图、入口处流速等值线图和流速曲线图，可以分析截面上各特征点之间的关系，发现口模上的凸点有横向收缩，纵向延伸的趋势，口模上凹点位移相对较小，有横向延伸的趋势，设计口模时需相应减小凸点与凹点的尺寸，以此设计并优化口模。

　　(2)逆向分析：三维逆向设计是根据制品已知的横截面形状来设计口模横截面形状，通常先根据制品形状参数得到相应的熔体挤出胀大图和速度场分布图来分析流体在不同挤出位置时的形状，运用POLYFLOW数值设计的功能以制品的横截面形状为口模内流道来建立几何模型得到预测的密封条挤出口模横截面形状图，然后再进行正向分析来优化。

　　4结论与展望

　　综上所述，高分子材料成型技术在应用过程中会根据不同材料的物理性质、化学性质以及用途等做出相应的调整与改变，目前高分子材料的成型加工技术已经成为材料合成、制备与工业化生产的前沿技术。在传统技术的基础上不断改进，逐步向着低能耗、高效率、经济低成本、污染小的方向发展，在我国大力推进可持续发展战略的背景下，高分子材料成型加工技术有着不可比拟的优势。

　　参考文献：

　　[1]刘红彬，施政敏.基于POLYFLOW挤出成型的模拟分析[J].橡塑技术与装备，2013(12)：1-4.

　　[2]刘斌，马骏.Polyflow逆向挤出功能在异型材口模设计中的应用[J].塑料科技，2008(01)：66-70.

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文章名称： 高分子材料的加工成型技术探究

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