黃鳳春，馬秀清，周炳斌，梁文虎

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

同向雙螺桿拉伸元件的設(shè)計(jì)及混合性能的研究

黃鳳春，馬秀清＊，周炳斌，梁文虎

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

根據(jù)聚合物加工過(guò)程的拉伸流動(dòng)設(shè)計(jì)了一種非嚙合拉伸元件，并將該元件與S形元件的兩種構(gòu)型的混合性能進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)數(shù)值模擬得到了非嚙合拉伸元件流場(chǎng)與S形元件流場(chǎng)的出入口壓差及累積最大拉伸速率分布。通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段將非嚙合拉伸元件與S形元件對(duì)聚丙烯（PP）/聚苯乙烯（PS）不相容體系相態(tài)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，非嚙合拉伸元件的輸送能力不如S形元件，但拉伸效果、分散混合能力均高于S形元件。

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)；分散混合；拉伸流動(dòng)；螺桿元件

0 前言

物料在雙螺桿擠出機(jī)中的流動(dòng)按作用方式不同，可分為剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)。流體流動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生兩種速度梯度場(chǎng)，即橫向速度梯度場(chǎng)和縱向速度梯度場(chǎng)。產(chǎn)生橫向速度梯度場(chǎng)的流動(dòng)稱(chēng)為剪切流動(dòng)，產(chǎn)生縱向速度梯度場(chǎng)的流動(dòng)叫拉伸流動(dòng)［1］。拉伸流動(dòng)指的是熔體流動(dòng)的速度梯度方向與流動(dòng)方向相平行，產(chǎn)生了縱向速度梯度，此時(shí)流動(dòng)速度沿流動(dòng)方向改變。物料流速的變化必將使物料產(chǎn)生變形，因此物料的料層厚度隨著流速地增加而減小，不至于使物料堆積，增加了物料的交換界面，更加有利于混合。Yao［2］表述了分散混合效果的好壞是根據(jù)剪切應(yīng)力水平與流場(chǎng)中的拉伸流動(dòng)作用效果來(lái)判定，而拉伸流動(dòng)可以更好地實(shí)現(xiàn)分散混合。Chris Rauwendaal等［3］將拉伸流動(dòng)與剪切流動(dòng)的分散混合效果進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，拉伸流動(dòng)更有利于分散混合。徐百平［4］發(fā)現(xiàn)振動(dòng)力場(chǎng)的引入促進(jìn)了拉伸流動(dòng)，提高了分散混合效果。朱常委［5］提到拉伸流動(dòng)不僅促進(jìn)了分散混合，而且拉伸流動(dòng)的能量損耗大大低于剪切流動(dòng)。耿孝正［1］的研究表明，在較大應(yīng)力作用下，拉伸黏度要比剪切黏度的數(shù)值大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。可見(jiàn)，與剪切流動(dòng)相比，拉伸流動(dòng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)有效分散，還可以產(chǎn)生更少的黏性耗散。所以，鑒于拉伸流動(dòng)對(duì)分散混合的貢獻(xiàn)，需要對(duì)拉伸流動(dòng)的特點(diǎn)以及促進(jìn)拉伸流動(dòng)的混合設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)研究。

本研究采用Polyflow軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的拉伸元件和S形元件的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，將拉伸元件與S形元件的拉伸效果進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)拉伸元件與S形元件的分散混合能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 非嚙合拉伸元件的設(shè)計(jì)與建模

1.1 設(shè)計(jì)思路

研究非嚙合拉伸元件的設(shè)計(jì)思路為：（1）螺桿元件截面圓弧的圓心相對(duì)于螺桿中心線(xiàn)存在一定的偏距，如圖1所示。這樣，螺桿元件的外表面與機(jī)筒之間形成一個(gè)楔形區(qū)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，楔形區(qū)形成了較大的與熔融物料運(yùn)動(dòng)方向相同的速度梯度，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的拉伸作用。王賢慧［6］與吳濤［7］研究中的促進(jìn)拉伸流動(dòng)的混合器的幾何結(jié)構(gòu)就是根據(jù)這一特點(diǎn)而設(shè)計(jì)成的；（2）為了使元件的拉伸效果更好，元件的截面設(shè)計(jì)成多頭結(jié)構(gòu)，這樣增加楔形區(qū)的數(shù)量，熔融物料的速度變化頻率提高，增強(qiáng)了拉伸作用；（3）該元件的導(dǎo)程為120mm，外徑為29.6mm，大導(dǎo)程結(jié)構(gòu)使熔融物料沿著擠出方向存在縱向速度梯度分布，這樣流體流速沿流動(dòng)方向改變，物料的料層厚度隨著流速的增加而減小，有利于混合。非嚙合拉伸元件的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 非嚙合拉伸元件的螺桿截面圖Fig.1 Cross section of non－inter meshing elongational screw element

圖2 非嚙合拉伸元件的三維結(jié)構(gòu)Fig.2 Three－dimensional structure of non－inter meshing elongational screw element

1.2 數(shù)學(xué)模型

為擬定流場(chǎng)，適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化計(jì)算，考慮到熔體輸送的具體條件和聚合物的特性，作出如下假設(shè)：

（1）熔體為不可壓縮的流體；

（2）流場(chǎng)為穩(wěn)定、等溫流場(chǎng)；

（3）雷諾數(shù)較小，流動(dòng)為層流流動(dòng)；

（4）慣性力、重力等質(zhì)量力要遠(yuǎn)小于黏滯力，可忽略不計(jì)；

（5）流道壁面無(wú)滑移；

（6）熔體在流道中全充滿(mǎn)。

根據(jù)以上假設(shè)，在直角坐標(biāo)系下，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為：

動(dòng)量方程為：

模擬計(jì)算過(guò)程中所用的物料為PP，其物性參數(shù)為：η＝9560Pa·s，λ＝0.3664s，m＝0.7372。采用Cross模型，其本構(gòu)方程為：

式中 η0——零切黏度，Pa·s

λ——時(shí)間常數(shù)

m——Cross模型指數(shù)

1.3 幾何模型

非嚙合拉伸元件與2種S形元件［8－9］的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該拉伸元件的外徑為29.6mm，中心距為30mm，機(jī)筒內(nèi)徑為34mm。S－30為螺桿元件截面為雙頭、導(dǎo)程為120mm，由長(zhǎng)度為30mm正向螺紋元件和反向螺紋元件組合而成的元件，螺桿元件的總長(zhǎng)為120mm。S－60為螺桿元件截面為雙頭、導(dǎo)程為120mm，由長(zhǎng)度為60mm正向螺紋元件和反向螺紋元件組合而成的元件，螺桿元件的總長(zhǎng)為120mm，相互匹配的兩根螺桿部分嚙合。

圖3 非嚙合拉伸元件與S形元件的外形Fig.3 Outline of non－inter meshing elongational twin－screw element and S type twin－screw element

1.4 邊界條件

模擬過(guò)程中采用出口壓力和入口流量來(lái)定義出入口邊界。出口壓力設(shè)計(jì)值P＝5MPa，入口端面體積流量Q＝2×10－6m3/s。螺桿外表面上為周向轉(zhuǎn)動(dòng)速度邊界，左右兩螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值Ns＝30r/min。根據(jù)壁面無(wú)滑移的假設(shè)，機(jī)筒靜止不動(dòng)，因此機(jī)筒內(nèi)表面速度Vb＝0。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

PP，1008，北京燕山石油化工股份有限公司；

PS，158K，揚(yáng)子巴斯夫苯乙烯系列有限公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)，LSM30/34，德國(guó)Leistritz公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），S－4700，日本 Hitachi公司。

2.3 樣品制備

將所設(shè)計(jì)的非嚙合拉伸元件與2種構(gòu)型的S形元件在置換區(qū)進(jìn)行相互置換來(lái)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其螺桿構(gòu)型如圖4、5所示，SE20/60/2表示導(dǎo)程為20mm，長(zhǎng)度60mm的雙頭常規(guī)螺紋元件，其余類(lèi)推。

圖4 螺桿構(gòu)型與機(jī)筒組合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Configuration of the screw and barrel

圖5 螺桿構(gòu)型實(shí)物圖Fig.5 Configuration of the screws

設(shè)置T1、T2、T3三節(jié)機(jī)筒溫度分別為：230、230、230℃，機(jī)頭T4的溫度為230°C。實(shí)驗(yàn)前按PP與PS按質(zhì)量比80∶20預(yù)混均勻，主機(jī)轉(zhuǎn)速為30r/min，加料量6.7kg/h，對(duì)拉伸元件與S形元件分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，待擠出穩(wěn)定后分別取樣。

2.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

通過(guò)掃描電子顯微鏡照片，測(cè)出分散相粒徑的大小，最后統(tǒng)計(jì)出PP/PS中少組分PS的數(shù)均粒徑）、重均粒徑）、體均粒徑）。

式中 Di——粒徑，μm

Ni—— 粒徑為Di的粒子個(gè)數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 出入口壓差

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，S－30元件流場(chǎng)的出入口壓差大于S－60元件與非嚙合拉伸元件，非嚙合拉伸元件流場(chǎng)的出入口壓差最小，如圖6所示。這可能是由于本研究所設(shè)計(jì)的螺桿元件為非嚙合元件，元件與機(jī)筒的間隙很大，加之非嚙合元件對(duì)熔融物料基本上不具有輸送能力，物料流經(jīng)元件的輸送動(dòng)力主要是由螺桿元件上游建立的壓力提供。相對(duì)于非嚙合拉伸元件來(lái)說(shuō)，兩種構(gòu)型的S形元件則是部分嚙合元件，雖然其與機(jī)筒的間隙也很大，但由于S形元件的幾何結(jié)構(gòu)采用正反向螺紋形成的V形結(jié)構(gòu)，物料流經(jīng)于此，即受到反向螺紋的阻礙作用，又受到正向螺紋的輸送作用，與非嚙合拉伸元件相比，輸送能力在一定程度上較強(qiáng)。

圖6不同螺桿構(gòu)型的出入口壓差Fig.6 Differential pressure between the exit and entrance

3.2 累積最大拉伸速率

圖7為3種螺桿構(gòu)型的累積最大拉伸速率分布曲線(xiàn)，取拐點(diǎn)處大約32s－1的橫坐標(biāo)位置為基準(zhǔn)來(lái)衡量3種構(gòu)型的拉伸作用。非嚙合拉伸元件的流場(chǎng)中大約有84%的粒子所受的最大拉伸速率小于32s－1，也就是說(shuō)有16%的粒子所受的最大拉伸速率大于32s－1；以此類(lèi)推，S－30元件的流場(chǎng)中有10%的粒子所受的最大拉伸速率大于32s－1，S－60元件的流場(chǎng)中有8%的粒子所受的最大拉伸速率大于32s－1。所以，非嚙合拉伸元件流場(chǎng)對(duì)粒子所受的最大拉伸速率所占的百分比大于兩種構(gòu)型的S形元件。從圖8可以看出，兩種構(gòu)型的S形元件的粒子經(jīng)受最大拉伸速率的范圍主要在10～20s－1，而非嚙合拉伸元件的粒子經(jīng)受的最大拉伸速率范圍則主要在大于20s－1的范圍內(nèi)，對(duì)比累積最大拉伸速率分布曲線(xiàn)，兩者數(shù)據(jù)基本吻合，這也足以說(shuō)明非嚙合拉伸元件比S形元件使粒子經(jīng)受的最大拉伸速率的概率更大。這是由于非嚙合拉伸元件為四頭元件，其截面與機(jī)筒之間形成4個(gè)楔形區(qū)，所以熔融物料速度梯度較高，物料在非嚙合拉伸元件的流場(chǎng)中受到重復(fù)的拉伸作用，使得其拉伸效果較好，而S－30與S－60元件與機(jī)筒之間形成了2個(gè)楔形區(qū)，與非嚙合拉伸元件相比，物料流經(jīng)于此的速度變化頻率明顯變小。因此，非嚙合拉伸元件的拉伸效果明顯好于S形元件。

圖7 累積最大拉伸速率分布Fig.7 Distribution of cumulative max stretching rate

圖8 粒子在不同范圍的最大拉伸速率的百分比Fig.8 Percentage of particle in different max stretching rate scope

3.3 SEM 分析

圖9 不同螺桿構(gòu)型制備樣品的SEM照片F(xiàn)ig.9 Micrographs for the samples

通過(guò)實(shí)驗(yàn)所獲得的3種螺桿構(gòu)型機(jī)頭處擠出試樣的SEM 照片如圖9所示，根據(jù)式（4）、（5）、（6）得出的共混物試樣的分散相粒徑如表1所示，對(duì)比3種構(gòu)型擠出樣品的SEM照片和PS分散相粒徑數(shù)值可知，非嚙合拉伸元件的、與均比 S－30元件和S－60元件的小，同時(shí)根據(jù)圖10所示的PS分散相粒徑分布曲線(xiàn)，按照波峰的位置來(lái)看，非嚙合拉伸元件與S－30元件大約處于同一橫坐標(biāo)的位置，S－60元件的粒徑大于非嚙合拉伸元件與S－30元件，粒徑分布曲線(xiàn)與表1所得的分散相粒徑數(shù)值基本吻合，由此說(shuō)明非嚙合拉伸元件的分散混合能力要優(yōu)于S形元件。由3種螺桿構(gòu)型的粒徑的分布曲線(xiàn)可以看出，非嚙合拉伸元件的粒徑分布較窄，而S－30和S－60元件的粒徑分布較寬，這說(shuō)明與S形元件相比，非嚙合拉伸元件的分散相粒徑的均一性較好，其拉伸作用比S形元件更加均勻。

表1 PS分散相的粒徑Tab.1 Grain sizes for the dispersed phase of PS

圖10 PS分散相的粒徑分布曲線(xiàn)Fig.10 PS particle size distribution

4 結(jié)論

（1）非嚙合拉伸元件的出入口壓差小于2種S形元件，因此，其輸送性能比S形元件要差；

（2）與2種S形元件相比，非嚙合拉伸元件的流場(chǎng)使更多流體受到了較強(qiáng)的拉伸作用；

（3）非嚙合拉伸元件的分散相粒徑小于S形元件，其分散混合性能優(yōu)于S形元件。

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Design of Elongational Co－rotating Twin－screws Element and Its Mixing Performance

HUANG Fengchun，MA Xiuqing＊，ZHOU Bingbin，LIANG Wenhu
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

A non－inter meshing twin－screws element was designed based on the elongational flow in the polymer processing.The mixing performance of the element was compared with that of Stype screw elements.Cumulated maximum tensile rate distribution and differential pressure between exit and entrance were obtained by simulation for flow field of non－inter meshing elongational element and S type screw elements.Moreover，the influence of non－inter meshing elongational element and S type screw elements on the phase morphology incompatible polymer blends PP/PS were compared.It was found that the conveying performance of non－inter meshing elongational element was worse，but the elongational and dispersive mixing performances were better than those of S type screw elements.

inter meshing co－rotating twin－screw extruder；dispersive mixing；elongational flow；screw element

TQ320.66＋3

B

1001－9278（2011）09－0090－05

2011－04－11

＊聯(lián)系人，maxq＠m(xù)ail.buct.edu