許建文,劉斌,顧永華

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州362021)

EVA發(fā)泡塑料流變性能的實(shí)驗(yàn)

許建文,劉斌,顧永華

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州362021)

結(jié)合有交互作用的正交試驗(yàn),在不同口模溫度及轉(zhuǎn)速組合下,測(cè)量EVA(聚乙烯-醋酸乙烯共聚物)發(fā)泡塑料表觀粘度.測(cè)量結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速對(duì)EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的影響程度大于溫度的影響程度,且溫度與轉(zhuǎn)速之間的交互作用對(duì)表觀粘度的影響程度較小.結(jié)合擠出的發(fā)泡制品的密度及表面質(zhì)量,選取優(yōu)化的工藝參數(shù)組合為基準(zhǔn),研究單因素對(duì)發(fā)泡塑料表觀粘度的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在轉(zhuǎn)速不變的情況下,隨著溫度的升高,EVA發(fā)泡塑料的表觀粘度先減小后增加,最后再減小;在溫度不變的情況下,隨著轉(zhuǎn)速的增加,表觀粘度減小.

EVA發(fā)泡塑料;流變性能;正交實(shí)驗(yàn);表觀粘度;優(yōu)化

聚合物的流變性不但與材料的粘度和彈性有關(guān),還與材料的分子結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量和分子質(zhì)量的分布有關(guān).它與各種因素的關(guān)系是高分子材料成型加工中最基本的工藝參數(shù),對(duì)原料的選擇和使用、成型最優(yōu)工藝條件的確定、成型設(shè)備和模具的設(shè)計(jì),以及提高制品的質(zhì)量都有重要的作用[1-2].在高分子材料流變性能的研究中,粘度是描述高分子材料熔體流動(dòng)行為最重要的量度.轉(zhuǎn)矩流變儀具有實(shí)驗(yàn)過程中不受外界的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好、準(zhǔn)確度高,只需要很少的樣品即可在實(shí)驗(yàn)室里模擬實(shí)際生產(chǎn)工藝條件等優(yōu)點(diǎn)[3-4].本文利用轉(zhuǎn)矩流變儀測(cè)量EVA(聚乙烯-醋酸乙烯共聚物)發(fā)泡塑料的表觀粘度,研究單因素對(duì)EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的影響規(guī)律.

1 粘度計(jì)算公式

Kraynik[5]研究含有發(fā)泡劑的塑料熔體的擠出過程,建立了發(fā)泡塑料熔體通過口模流道時(shí)出現(xiàn)氣泡的位置及其影響因素相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型.帶發(fā)泡劑的塑料熔體在口模平直流道中的流動(dòng)過程,可以分為進(jìn)口段、穩(wěn)定段和出口段.塑料熔體相變圖,如圖1所示;塑料熔體壓力曲線,如圖2所示.

由圖2可知,進(jìn)口段受進(jìn)口效應(yīng)的影響,熔體壓力曲線偏離直線,且進(jìn)口效應(yīng)比不含發(fā)泡劑的塑料熔體要大.穩(wěn)定段的壓力曲線是直線,壓力梯度不變,流動(dòng)是穩(wěn)定的、充分發(fā)展的,其粘度的計(jì)算式為

圖2 塑料熔體壓力曲線Fig.2 Pressure curve of p lastic melt

圖1 塑料熔體相變圖Fig.1 Phase-changemap of p lastic melt

式(1)中:ηap為熔體的表觀粘度;τaw為熔體在流道壁面處的表觀剪切應(yīng)力;˙γap為熔體的表觀剪切速率; ΔP為在流道長度為ΔL區(qū)段內(nèi)的壓力降;R為管形流道的半徑;Q為熔體在流道中的體積流率.

在出口段,由于熔體中出現(xiàn)氣泡,發(fā)生相變,從單一的液相變?yōu)闅庖夯旌舷?而且氣相的比例不斷地增長,熔體粘度發(fā)生連續(xù)變化,壓力曲線偏離直線,壓力梯度不再是常數(shù).所以,進(jìn)口段和出口段不能用式(1)進(jìn)行計(jì)算.為簡化計(jì)算,試驗(yàn)不考慮口模的進(jìn)口段和出口段的表觀粘度問題.

2 粘度的測(cè)量

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

在RM 200A型轉(zhuǎn)矩流變儀的單螺桿擠出裝置上配一個(gè)毛細(xì)管口模,出口處的壓力傳感器測(cè)定壓力.然后,在限定的時(shí)間內(nèi)測(cè)定擠出熔體的質(zhì)量,由此分別計(jì)算出口模的進(jìn)出口壓力差(ΔP)和流量(Q).熔體的表現(xiàn)粘度為

式(2)中:R,L分別為毛細(xì)管口模半徑和長度(cm);ΔP為進(jìn)口壓力差;Q為熔體流量(cm3·s-1).

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

選取口模溫度與轉(zhuǎn)速做有交互作用的正交實(shí)驗(yàn),將長徑比為10∶1的毛細(xì)管口模擠出裝置安裝在主機(jī)上,測(cè)量EVA發(fā)泡塑料的表觀粘度.流變儀擠出機(jī)平臺(tái)的溫度設(shè)定分為4個(gè)區(qū)域,即θ1,θ2,θ3及θ4,如圖3所示.圖3中:θ1,θ2,θ3的溫度設(shè)為固定,分別為90,125,150℃;θ4區(qū)為擠出口模的溫度.

圖3 擠出機(jī)平臺(tái)加熱區(qū)順序示意圖Fig.3 Schematic of the heating region order of extruder platform

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.1 流量的計(jì)算 實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)有流量與壓力.流量可通過截取一段時(shí)間內(nèi)的擠出料量,稱量并計(jì)算相應(yīng)的流量.由于在不同條件下,發(fā)泡塑料發(fā)氣量的不同,引起密度的不同,從而引起流量的不同,因此應(yīng)測(cè)量每次擠出時(shí)的密度[6].

3.1.2 壓力數(shù)據(jù)處理 測(cè)量數(shù)據(jù)包含隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差是正常的,只要誤差值不超出允許范圍,所得的結(jié)果應(yīng)接受.但是,粗大誤差超出了正常的誤差范圍,對(duì)測(cè)量結(jié)果造成歪曲,應(yīng)剔除不用.

采用萊以特準(zhǔn)則[7]來判斷實(shí)驗(yàn)中的壓力數(shù)值中的異常數(shù)據(jù).其原理是,對(duì)某量進(jìn)行n次等精度的重復(fù)測(cè)量,得數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn;若某一數(shù)據(jù)xk相應(yīng)的殘差vk滿足

的條件,則認(rèn)為xk含粗大誤差,屬異常數(shù)據(jù),應(yīng)剔除.其中:ˉx為算術(shù)平均值;s為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)量.在剔除完異常數(shù)據(jù)后,即求新數(shù)據(jù)的平均值,得到不同組合條件下的壓力值.

以溫度為175℃,轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí)的壓力為例,記錄了112個(gè)時(shí)刻時(shí)的壓力值,如圖4所示.將這些數(shù)據(jù)作為x矩陣輸入到MA TLAB中,計(jì)算數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差;然后,計(jì)算每個(gè)數(shù)值與該組數(shù)值的算術(shù)平均值差的絕對(duì)值.如果此數(shù)值在允許的誤差范圍內(nèi),則放進(jìn)新的數(shù)據(jù)矩陣;否則,進(jìn)入下個(gè)數(shù)據(jù)的判斷選擇.

待所有的數(shù)據(jù)判斷完成后,求新的數(shù)據(jù)矩陣,即以在允許誤差范圍內(nèi)的壓力值構(gòu)成的矩陣的平均值作為此條件下的壓力值.

在毛細(xì)管擠出口模半徑R為2/2 mm,長度L為20 mm時(shí),利用式(1),(2)計(jì)算不同組合條件下擠出發(fā)泡制品的參數(shù),如表1所示.表1中:θ,ω,Q,P,ρ,τ,˙γ,η分別表示為擠出口模溫度、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、密度、剪切應(yīng)力、剪切速率與表觀粘度.

圖4 不同時(shí)刻的壓力圖Fig.4 Pressure picture at different time

表1 不同組合條件下擠出發(fā)泡制品的參數(shù)計(jì)算值Tab.1 Parameters’calculation value of extrusion foam p roducts under different compages conditions

3.2 結(jié)果分析

使用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中的變量分析(ANOVA),可以計(jì)算出各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)表觀粘度與密度的影響次序和優(yōu)化的工藝參數(shù)組合[8].對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析,即將各工藝參數(shù)在4個(gè)水平下的表觀粘度及密度的平均計(jì)算,有

式(3)中:m為工藝參數(shù)在某水平下的平均值;n為該水平下出現(xiàn)的次數(shù);xi為工藝參數(shù)在此水平下的表觀粘度或密度.然后,由各工藝參數(shù)最大平均值和最小平均值之差計(jì)算出極差R,結(jié)果如表2所示.

表2 表觀粘度和密度直觀分析表Tab.2 Direct analysis table of apparent viscosity and density

通過以上的分析,可以得到如下2點(diǎn)結(jié)論.

(1)由極差的大小可直觀得出各工藝參數(shù)對(duì)表觀粘度的影響次序由大到小,即轉(zhuǎn)速、溫度,以及轉(zhuǎn)速和溫度的交互作用.其中,轉(zhuǎn)速對(duì)表觀粘度的影響較為顯著,溫度與兩者之間的交互作用的影響則較小,可見轉(zhuǎn)速和溫度的交互作用可以忽略不計(jì);各工藝參數(shù)對(duì)密度的影響的大到小次序:轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速和溫度的交互作用、溫度,總體上對(duì)密度的影響很小.

(2)在考察的工藝參數(shù)水平上,轉(zhuǎn)速在20 r·min-1時(shí),發(fā)泡塑料的表觀粘度較大,擠出制品的表面質(zhì)量較差,密度較大;在轉(zhuǎn)速超過50 r·min-1時(shí),制品密度雖小,但由于表觀粘度較低,發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體從熔體中揮發(fā),發(fā)泡效果不好.因此,轉(zhuǎn)速選擇范圍為30～40 r·min-1,這里選取30 r·min-1;溫度在170～185℃擠出制品的密度相差不多,表面質(zhì)量較好,選取溫度為175℃.

4 單因素對(duì)EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的影響

4.1 溫度

在轉(zhuǎn)速為30 r·min-1下,研究不同擠出口模溫度的EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的變化情況,結(jié)果如表3所示.由表3可以看出,在170℃以前,EVA發(fā)泡塑料的表觀粘度,隨著溫度的升高而降低.究其原因是,EVA發(fā)泡塑料沒有達(dá)到發(fā)泡劑與交聯(lián)劑的最佳分解溫度,發(fā)泡劑與交聯(lián)劑分解不完全.隨著溫度的升高,與一般的熱塑性塑料一樣,粘度下降.

在170～185℃之間,隨著溫度的升高,表觀粘度增加.與一般的熱塑性塑料的表觀粘度隨著溫度的升高而減小不同,對(duì)于EVA發(fā)泡塑料,隨著溫度的升高,其表觀粘度有一定程度的增加.一方面,隨著溫度的升高,發(fā)泡劑分解放出氣體,同時(shí)放出大量的熱,造成熔體局部過熱,使得溫度上升,熔體表觀粘度下降;另一方面,交聯(lián)劑使EVA發(fā)泡塑料發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),使得發(fā)泡塑料的分子結(jié)構(gòu)由線型轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)型或體型的分子結(jié)構(gòu),從而使其表觀粘度增加;交聯(lián)劑使發(fā)泡塑料粘度增加的作用大于發(fā)泡劑使其表觀粘度降低的作用,從而使發(fā)泡塑料隨著溫度的升高表觀粘度出現(xiàn)增加的情況.

超過185℃,表觀粘度則是降低的趨勢(shì).這是因?yàn)?表觀粘度是隨著溫度的升高而降低,此時(shí),發(fā)泡劑的分解速度大大大于交聯(lián)劑的分解速度,使得粘度降低.對(duì)于密度,隨著溫度的升高,在180℃時(shí)降到最小,而后隨著溫度的變化而出現(xiàn)變動(dòng).故選擇溫度為180℃.

表3 不同溫度下的EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的變化情況Tab.3 Variations of EVA foam’s apparent viscosity under different temperatures

4.2 轉(zhuǎn)速

在擠出口模溫度為175℃時(shí),研究不同轉(zhuǎn)速的EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的變化情況,結(jié)果如表4所示.由表4可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的升高,流量的增加使得EVA發(fā)泡塑料熔體的剪切速率升高,同時(shí)剪切應(yīng)力有一定程度的增加.在轉(zhuǎn)速增加到50 r·min-1時(shí),此時(shí)的剪切應(yīng)力相對(duì)于之前有一定的下降,總體是處于上升趨勢(shì).但是,由于轉(zhuǎn)速增加的幅度小于剪切速率升高的幅度,從而使得EVA發(fā)泡塑料的表觀粘度降低.

密度則隨著轉(zhuǎn)速的升高在30 r·min-1時(shí)達(dá)到最小,而后出現(xiàn)波動(dòng)情況.轉(zhuǎn)速在30 r·min-1以前,螺桿轉(zhuǎn)速較小,物料在機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間較長,發(fā)泡劑分解程度大,容易出現(xiàn)氣體逸出或并泡現(xiàn)象,使泡孔數(shù)目減少,泡孔結(jié)構(gòu)較差,密度大,擠出制品的表面質(zhì)量比較差;螺桿轉(zhuǎn)速較大時(shí),物料滯留時(shí)間較小,發(fā)泡劑分解程度小,發(fā)氣量不足.另外,轉(zhuǎn)速太快時(shí),將使塑化不均勻而造成一部分氣體逸出,從而產(chǎn)品密度將增大.因而,最佳轉(zhuǎn)速為30～40 r·min-1,選擇30 r·min-1.

表4 不同轉(zhuǎn)速下的EVA發(fā)泡塑料表觀粘度的變化情況Tab.4 Variations of EVA foam’s apparent viscosity under different speeds

5 結(jié)束語

結(jié)合帶有交互作用的正交實(shí)驗(yàn),研究不同溫度及轉(zhuǎn)速組合下的EVA發(fā)泡塑料的表觀粘度.以較好的工藝參數(shù)為基準(zhǔn),研究單因素對(duì)EVA發(fā)泡塑料粘度的變化規(guī)律.隨著溫度的升高,EVA發(fā)泡塑料的表觀粘度先減小后增加最后減小;隨著轉(zhuǎn)速的增加,表觀粘度則減小.

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Experimen ts of the Rheological Characteristics of EVA Foam

XU Jian-wen,L IU Bin,GU Yong-hua
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Combined w ith orthogonal experiment considering interaction,EVA foam’s apparent viscosity is measured under different compages of temperature and speed.It can be concluded from the results that the degree of speed’s effect on apparent viscosity is greater than that of temperature’s,and that of interaction’s between temperature and speed is smaller.Combined w ith foam p roducts’density and surface quality after extrusion,the compagesof op timum p rocess parameters are selected to investigate the influence of each single factor on foam’s apparent viscosity.Experimental results have show n that,w hen speed remains unchanged,w ith temperature increasing,EVA foam’sapparent viscosity decreases first,then increases and finally reduces;w hen temperature remains unchanged,w ith speed increasing,apparent viscosity reduces.

EVA foam;rheological characteristics;o rthogonal experiment;apparent viscosity;op timum

TQ 325.106.6

A

(責(zé)任編輯:黃仲一 英文審校:鄭亞青)

1000-5013(2010)06-0601-05

2009-05-17

劉斌(1972-),男,副教授,主要從事聚合物材料模塑成型的研究.E-mail:mold_bin@hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E0810040);福建省青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2004J033)