來源：新視線·建筑與電力·學術 2022年5期

　　作者：尤慧芳

　　摘要：在高分子成型加工中，擠出、吹塑等傳統的設計方法一般采用理論計算法和實驗法。通過實驗來獲取最優設計的方法常受到多種人為和環境因素限制與影響，并且資金投入大、研究周期長，不利于快速應對各種生產要求與任務;而理論計算法因其計算量龐大需要大量人力，并且只能精確計算特殊條件下的情況，范圍有限。在數字化設計方法逐步取代試差法的背景下，通過POLYFLOW商業軟件進行數值模擬能夠克服前面兩種方法存在的弊端。此外，數值模擬可以形象地使用流線圖、云圖等再現流動情景，更加直觀和精準地分析流場，以便對設備和生產工藝進行優化。

　　關鍵詞：高分子材料;加工成型技術;POLYFLOW

　　前言

　　高分子材料源于20世紀60年代末期，通過在高分子上修飾反應基團，使其具有化學反應活性、催化活性、導電性及生物相容性等特殊功能[1]。相較于傳統高分子材料，高分子材料不僅具備理化特性，還因經修飾的特殊基團而具有其他特殊性能，備受矚目。當今研究的熱點主要是功能高分子的性能與其結構的聯系，通過不斷研究開發功能高分子的新型結構及合成方法，篩選出具有更多功能的新興功能高分子，拓寬高分子材料的應用領域。隨著科技的進步，高分子材料領域正進行創新和發展以服務社會。

　　1高分子材料的分類

　　1.1反應型高分子材料

　　反應型高分子材料通過將反應活性中心或催化性中心接枝到高分子鏈上，達到將小分子試劑或催化劑高分子化的目的，主要包括高分子催化劑和高分子試劑等。

　　1.2光高分子材料

　　光高分子材料具有將光吸收、存儲和轉換的能力，主要包括光敏涂料、熒光劑、光轉化材料、光致變色材料和光導材料等。

　　1.3電高分子材料

　　電高分子材料主要依靠自身提供的導電載流子導電或者通過添加炭黑、金屬粉、箔等實現導電，主要包括聚乙炔、線型聚苯以及各類導電塑料、橡膠、涂料和薄膜等。

　　1.4生物醫用高分子材料

　　生物醫用高分子材料主要用于診療疾病，還可以充當生物體組織器官的替代品或者起到輔助作用的材料，主要應用于人工器官、藥物釋放、生物組織工程等領域。

　　1.5環境降解高分子材料

　　環境降解高分子材料是指通過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兩大類，被廣泛應用于生物工程和醫用降解高分子材料等學科領域。

　　1.6形狀記憶高分子材料

　　形狀記憶高分子材料是指改變并固定形狀后，通過改變外界條件(溫度、pH、電場力等)能恢復初始形狀的材料，主要有熱感、電感、光感和化學感應型，被廣泛應用于包裝、建筑等行業。

　　1.7吸附分離高分子材料

　　吸附分離高分子材料是具有吸附功能的高分子材料，主要有離子交換樹脂和吸附樹脂等。

　　1.8液晶高分子材料

　　液晶高分子材料主要來自纖維基體和樹脂基體的宏觀復合，液晶高分子材料強度較高、熱脹系數較小、電光學性質較好，主要用于制作液晶顯示、復合材料，在電子工業有廣泛的應用。

　　1.9導熱高分子材料

　　導熱高分子材料是指具有良好導熱性能的高分子材料，主要有高導熱絕緣膠黏劑等。

　　2 POLYFLOW軟件與模擬分析步驟

　　POLYFLOW是基于有限元法的計算流體動力學軟件，其中包含了許多實用的模型和完善的算法。POLYFLOW相較于其他流體計算軟件具有完備黏彈性模型體系，并對AutoCAD、SolidWorks等軟件兼容，因此可以用來解決牛頓/非牛頓流體及線性/非線性問題。20世紀90年代以來，因計算流體和計算機的發展，POLYFLOW軟件得到快速發展，并應用于包裝、電子電氣等諸多工業部門，而且它可以提高設計精度，降低設計成本并縮短設計周期，在工業設計中獲得越來越廣泛的應用，從而促進高分子加工行業的發展。POLYFLOW在高分子成型加工中的模擬分析步驟如下：(1)建立有限元模型：設計或讀入幾何模型;定義材料屬性;劃分網格(節點及單元)。(2)施加載荷并求解：施加載荷、設定約束條件;求解。(3)查看結果：查看分析結果;檢驗結果(分析是否正確)。

　　3 POLYFLOW在擠出中的應用

　　POLYFLOW用于擠出方面的數值模擬主要有兩類：(1)正向分析：對于給定的口模形狀與參數，可以用POLYFLOW來分析不同工藝條件下制品擠出成型的各種參數，如制品的最終形狀、口模處的壓力變化等，由此來確定最佳工藝條件。(2)逆向分析：與正向分析過程相反，是根據已知的制品形狀，運用POLYFLOW的逆向分析功能來設計口模。優點是不依賴經驗口模并直接給出口模形狀，但仍然需要正向分析來檢驗和優化。擠出成型是高分子成型加工過程中重要的工藝之一。在擠出成型過程中存在不穩定現象，并且在異型材擠出設備中存在復雜功能塊部位的尺寸超差問題[3]和高分子材料擠出脹大導致的尺寸不一等問題，因此需要優化擠出參數和預測擠出形狀，利用POLYFLOW可以有效地分析和解決上述難題。

　　3.1模型建立

　　建立幾何和數學模型：建立幾何模型并根據流道復雜度進行網格劃分;根據質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律以及本構方程來建立相應數學模型(一般根據相應的數學模型選擇相應的黏性流體模型);設置相應的邊界條件，并重置網格。

　　3.2計算結果分析

　　(1)正向分析：正向分析得到密封條熔體擠出脹大圖、入口處流速等值線圖和流速曲線圖，可以分析截面上各特征點之間的關系，發現口模上的凸點有橫向收縮，縱向延伸的趨勢，口模上凹點位移相對較小，有橫向延伸的趨勢，設計口模時需相應減小凸點與凹點的尺寸，以此設計并優化口模。

　　(2)逆向分析：三維逆向設計是根據制品已知的橫截面形狀來設計口模橫截面形狀，通常先根據制品形狀參數得到相應的熔體擠出脹大圖和速度場分布圖來分析流體在不同擠出位置時的形狀，運用POLYFLOW數值設計的功能以制品的橫截面形狀為口模內流道來建立幾何模型得到預測的密封條擠出口模橫截面形狀圖，然后再進行正向分析來優化。

　　4結論與展望

　　綜上所述，高分子材料成型技術在應用過程中會根據不同材料的物理性質、化學性質以及用途等做出相應的調整與改變，目前高分子材料的成型加工技術已經成為材料合成、制備與工業化生產的前沿技術。在傳統技術的基礎上不斷改進，逐步向著低能耗、高效率、經濟低成本、污染小的方向發展，在我國大力推進可持續發展倡議的背景下，高分子材料成型加工技術有著不可比擬的優勢。

　　參考文獻：

　　[1]劉紅彬，施政敏.基于POLYFLOW擠出成型的模擬分析[J].橡塑技術與裝備，2013(12)：1-4.

　　[2]劉斌，馬駿.Polyflow逆向擠出功能在異型材口模設計中的應用[J].塑料科技，2008(01)：66-70.

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