基于第一法向應力差的軟質廢PVC擠出成型質量控制研究

孫闊，張冰

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

1 研究背景

軟質PVC指增塑劑含量在30%～70%的PVC制品，廢料主要來源于軟管、電纜外皮或用作裝飾材料的人造革等。Recovinyl的統計數據顯示，到2020年，歐洲PVC再生量達到80萬t，軟制品比例逐年增加[1]。反觀國內，軟質廢PVC的回收利用率較低，甚至再生制品仍需進口[2]。

目前，軟質廢PVC的主要處置方法仍停留在填埋或焚燒階段，不僅對環境造成二次污染，更是一種資源的浪費[3]。物理再生擠出成型可以實現環境與資源的合理配置，但聚合物擠出時的熔體破裂現象，嚴重影響了廢料擠出成型的表面質量。Kwon Y[4]采用Leonov粘彈性模型，對二維流動的不穩定性及熔體破裂進行模擬分析，認為熔體破裂的4種類型（鯊魚皮、總體斷裂、表面起伏和表面波紋）取決于熔體流量和流體性質等流動條件。Ketata M等[5]研究了位于模具入口處的會聚流動和聚合物平均分子量對螺旋缺陷的形成和發展的影響。

2 理論分析

擠出物離開口模時，出口附近復雜的應力狀態一旦超過臨界點時，表面將出現鯊魚皮、表面波紋甚至整體破裂現象。廢舊物料來源廣泛，雜質類型與含量也不盡相同，故熔體在流道中各位置所受的應力作用歷史差異較大，導致熔體離開機頭后各處的彈性恢復不同。一旦熔體強度不能承受不均勻彈性恢復帶來的作用力，就會引起熔體破裂[6]。

對于多數物料而言，熔體破裂行為可大致分為兩類：LDPE型與HDPE型。LDPE型熔體擠出時，隨剪切速度的增大，先呈現粗糙表面，當剪切速率超過臨界值時，擠出物表面呈現無規則破裂狀態；HDPE型熔體則先出現粗糙表面，其后呈現有規則的竹節或螺旋畸變，最后出現無規則破裂[7]。

含纖維的軟質廢PVC擠出再生時，并不具有兩類熔體破裂行為的典型性。因軟質廢料擠出時表層熔體抗拉強度低，加之纖維在基體中取向、拉伸作用，導致擠出物熔體破裂現象更加嚴重。同時，廢料在使用過程中受光、熱等影響，自身發生復雜的降解反應，分子鏈斷裂，分子量降低，導致玻璃化溫度與粘流化溫度向低溫移動，材料對溫度的響應更加敏感。剪切速率對擠出物表面形態的影響較小，而隨溫度的降低，擠出物表面由無規則的整體破裂逐漸發展為類似鯊魚皮現象的粗糙表面，最終在低溫下可以得到表面光滑的制品。

3 計算分析

3.1 評價指標

3.1.1 網格重置技術

應用Polyflow進行模擬計算，計算域為兩部分，分別為機頭內部分與擠出自由段，其中機頭定型段半徑為8 mm，長度為10 mm，自由段長度為20 mm。Polyflow軟件可以對自由段進行網格重置，計算出脹大后的形態。根據流道的對稱性，可將模型簡化為1/4流道，如圖1所示。

圖1 Polyflow網格重置后的擠出物形態

3.1.2 表面質量的表征

高纖維含量的軟質廢PVC熔體在流道中流動時，由于速度梯度的存在，導致各層熔體間產生剪切應力，由流道中心向壁面，剪切應力逐漸增大。分子鏈與纖維在流道中央呈較為自由的卷曲狀態，越靠近壁面，受剪切應力作用，鏈發生取向，熔體離開機頭后，熔體在很短的時間內由壁面處的0速度加速到擠出物的平均速度，產生拉伸作用，同時纖維尺寸遠大于分子鏈，對熔體的拉伸作用更加顯著，與純料相比更易發生熔體破裂現象，裂口一般垂直于流動方向，如圖2所示。

圖2 含纖維的軟質廢PVC的熔體破裂

模擬中為了反映擠出物表面的應力作用，提取靠近壁面處的第一法向應力差波動情況來表征制品的表面質量，表達式如式（1）。

式中：N1為第一法向應力差，Pa；σ為法向應力，約定下標1為熔體流動方向，下標2為速度梯度方向。

3.2 結果與討論

3.2.1 熔體流速對表面質量的影響

為分析熔體流速對擠出物表面質量的影響，繪制不同流速下，沿熔體流動方向的第一法向應力差的分布情況，如圖3所示。熔體流速分別取0.002 m/s，0.004 m/s，0.006 m/s與 0.008 m/s。由圖 3 可以看出，熔體擠出時在機頭出口附近出現了明顯的第一法向應力差的波動，熔體受應力的影響，將在出口附近發生不穩定流動。隨著熔體流速的增加，出口處的第一法向應力差波動也更加劇烈，表明擠出物表面的熔體破裂現象更加明顯。在實際生產中，適當降低擠出速度可以一定程度地改善制品的表面質量。

圖3 不同熔體流速下第一法向應力差沿流動方向的變化

3.2.2 定型段溫度對表面質量的影響

作出不同定型段溫度下的第一法向應力差沿流動方向的變化圖，如圖4所示。定型段溫度分別設定為160℃，150℃，140℃與130℃。與熔體流速影響的第一法向應力差分布規律類似，在機頭出口附近同樣出現了第一法向應力差的波動。由圖4可以看出，隨著定型段溫度的降低，機頭出口處第一法向應力差的最大值增大，表明降低定型段溫度將加劇熔體表面的破裂程度。

圖4 不同定型段溫度下第一法向應力差沿流動方向的變化

以上影響擠出物成型與表面質量的分析中，都是建立在完全液相的基礎之上，其中關于機頭定型段溫度的影響因素方面，僅利用近似阿雷尼克斯模型引入了溫度對于熔體粘度的影響，沒有考慮相變的問題。

實際上，含纖維的軟質廢PVC的熔點在160℃左右，當定型段溫度低于其熔點時，壁面附近的熔體將會發生相變，形成一定厚度的高彈態凝固層，制品離開機頭之后，表面凝固層越厚，制品表面的抗拉強度也就越大，對提升制品成型與表面質量有積極影響。

4 實驗研究

4.1 實驗過程

高纖維含量的物料在不同工況條件下，擠出成型后的表面狀態差異較為明顯，可直觀看出表面質量隨工況參數的變化。不同熔體流速下的擠出物如圖5所示。由圖5可以看出，隨著熔體流速的增加，擠出物表面的熔體破裂現象更加顯著，與模擬分析結果相符。但較低的熔體流速下擠出物表面質量仍然較差，表明定型段出口附近較低的應力集中仍然不能有效控制制品的表面熔體破裂。

圖5 不同熔體流速下的擠出物表面形態

不同定型段溫度下的擠出物如圖6所示。由圖6可以看出，隨著定型段溫度的降低，擠出物表面由整體破裂逐漸向類似鯊魚皮轉變，最終表面光滑。表明適當降低定型段溫度，使擠出物離開機頭時表面形成凝固層，可以有效提高制品的表面質量。

圖6 不同定型段溫度下的擠出物表面形態

4.2 結果分析

與多數聚合物的擠出成型中的不穩定流動現象不同，含纖維的軟質廢PVC擠出時，隨剪切速率的增加，擠出物的熔體破裂現象加劇，但影響較小。隨著熔體溫度的降低，擠出物由表面整體破裂向鯊魚皮表面過渡，最終光滑無缺陷。

原因在于升溫使熔體粘度降低，其流動性增加，熔體的抗拉強度降低，混雜在PVC基體中的纖維在擠出時相互纏繞、拉伸，更易使擠出物表面的熔體發生破裂。

擠出成型中，物料大多以粘流態擠出，而對于高纖維含量的軟質廢PVC來說，粘流態的擠出物表層抗拉強度不足以抵抗出口附近的應力集中與纖維取向的共同作用。將定型段溫度降低到熔體熔點之下，使擠出物表層在高彈態下擠出，分子鏈間無相互運動，可以有效提升制品的表面質量。

5 結論

（1）有限元分析的結果表明，降低熔體流速可以一定程度上改善擠出物的表面質量，但低剪切速率下仍然不能得到表面光滑的制品。在不考慮相變時，降低機頭定型段溫度將加劇熔體破裂現象。

（2）實驗中，降低定型段溫度至熔體熔點之下，擠出物表面形成的高彈態凝固層可以顯著提升制品的表面質量。