徐百平

(1.廣東輕工職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510300；2.廣東省高分子材料先進加工工程研究中心，廣東 廣州 510300)

同向自潔型雙螺桿擠出機廣泛應用于聚合物加工、食品加工以及藥品成型等領域，是目前高分子材料加工及其合金制備的典型代表機器。這類設備的螺桿采用積木式組合，螺桿構型靈活多變，兩根螺桿在嚙合區(qū)轉動方向相反，產(chǎn)生強混煉，具有良好的輸送、混合及排氣性能，可以實現(xiàn)自潔功能及比較窄的停留時間分布控制。經(jīng)過多年的發(fā)展，同向雙螺桿的混煉加工能力已經(jīng)到達極限，流道空間的對稱性導致了其效能已無法進一步提升。從2010年開始，為突破傳統(tǒng)的空間結構對稱性，引入對稱破缺效應及拉伸力場作用，全面提升加工過程的熔融、混煉的效率，作者提出了差速同向雙螺桿的新概念[1]。作者首先通過計算機編程篩選得到了多種不同轉速比的螺紋原件、捏合塊結構造型，然后進一步推導出差速非對稱同向雙螺桿的造型的解析解方程組，實現(xiàn)非對稱差速雙螺桿技術的不斷創(chuàng)新，接連申請了十余項發(fā)明專利，2015年，獲得了美國專利授權，又申請了美國、歐洲及東南亞等國家的PTC專利3項，正處于實質審查階段。在這類新型裝備中，兩根螺桿位于“8”字孔內，同向差速旋轉，轉動過程中始終和機筒內壁相切，且能始終保持兩螺桿的嚙合，具備良好的自潔性能；兩螺桿或者多螺桿的流道為非對稱結構，流道經(jīng)歷空間變換，非充滿情況下料隴在兩根螺桿螺槽內的填充率也不同，物料擠出過程中受到非對稱作用，前期初步研究表明其具備較強的混合混煉能力[2～3]。新型裝備可以廣泛應用于聚合物改性材料、組織化植物蛋白以及食品和醫(yī)藥等生產(chǎn)領域，是一種新型綠色的加工方法。同時，作者帶領團隊研制成功世界上第一臺差速同向雙螺桿擠出機，并向兩家企業(yè)推廣用于高填充復合材料和打印機碳粉的生產(chǎn)，開啟了產(chǎn)業(yè)化示范應用之路。2016年，美國塑料工程師協(xié)會舉辦的技術研討會（ANTEC2016）專題報道了塑料機械裝備領域的兩項重大創(chuàng)新技術，同向非對稱嚙合型差速雙螺桿擠出裝備為其中之一[4]。目前，作者帶領工程中心團隊，積極探索新型加工的原理，優(yōu)化完善技術細節(jié)，推進校企合作，進行產(chǎn)業(yè)化升級，力爭制造出新一代先進的差速雙螺桿裝備，圍繞高精尖材料制備技術，推動行業(yè)轉型升級，領跑世界雙螺桿技術創(chuàng)新，服務于行業(yè)和企業(yè)，創(chuàng)造經(jīng)濟和社會效益。

另一方面，新技術的出現(xiàn)，為高分子材料加工開辟了嶄新的方向，正逐漸被國內同行關注，帶動了學術研究。近年來，除了作者團隊多年來一直圍繞新型螺桿技術開展研究之外，國內北京化工大學、華南理工大學、五邑大學等單位也相繼對新型加工方法機理開展研究，豐富了差速同向雙螺桿的理論及應用實踐[5～7]。多年來，作者團隊將計算機數(shù)值模擬技術和可視化實驗技術相結合，圍繞非對稱差速同向雙螺桿幾何結構創(chuàng)新，加工過程中的熔融機理、熔體輸送及混合混煉過程開展研究，取得了初步的研究成果，目前研究正向著高速高產(chǎn)量研究方向拓展，現(xiàn)將已經(jīng)開展的相關研究簡要介紹如下。

1 差速雙螺桿幾何學

1.1 螺桿轉速比2:1螺桿造型

差速雙螺桿的幾何結構可以通過相對運動方法求解得到，兩根螺桿的嚙合運轉屬于相遇問題。當兩根螺桿的轉速比為2:1時，為了保證嚙合運轉，螺紋頭數(shù)比則為1:2，圖1為一種單頭對雙頭的螺紋組合端面，其中，單頭螺桿的轉速為雙頭的2倍。

圖1 一種差速同向自潔型雙螺桿端面造型

以雙頭螺紋為例，當θ角為螺槽上任意一點P與極軸起點O2A1的夾角，曲線A1A2的方程可表示為：

這里D=2R為螺桿外徑，β為螺腹角：

當螺桿外徑D和中心距離C確定后，可以確定不同螺桿頂角和底角后，這樣就有不同差速雙螺桿端面組合，如圖2所示：

從圖2可以看出，雖然中心距相同，但上下兩組的螺桿構型差別很大，這必然對加工過程產(chǎn)生不同的影響。在獲得端面幾何形狀后，通過掃描可以得到螺桿造型的三維結構，圖3(a)和(b)給出了一種螺紋結構及其捏合塊結構示意圖：

1.2 其他轉速比的螺桿造型

固定螺桿內外徑尺寸，改變兩根螺桿的轉速比，可以獲得不同的差速雙螺桿結構。當兩根螺桿轉速比為3:1時，螺紋頭數(shù)比為1:3，當兩根螺桿的轉速比為2:3時，螺紋頭數(shù)比為3:2。圖4(a)和(b)分別為螺桿轉速比3:1和2:3的螺紋結構的三維幾何結構示意圖：

圖2 轉速比2:1兩種不同端面幾何及運動周期

圖3 轉速比2:1差速雙螺桿三維結構

圖4 不同轉速比差速雙螺桿三維幾何構型

從圖1～4可以看出，與等速同向雙螺桿相比，由于速比的不同，改變了螺槽聯(lián)通的拓撲路線，兩根螺桿的螺槽容積也不同，物料沿螺槽向前輸送過程中，在左右螺槽中運動的對稱性被打破。新型螺桿同樣可以采用積木式組合結構來適應不同物料的加工混煉要求。

2 加工機理研究進展

2.1 全充滿熔體混合數(shù)值模擬

建立轉速比為2:1的差速雙螺桿螺紋元件一個導程的幾何模型，利用周期性邊界條件，采用純黏性Bird–Carreau本構模型，求解全充滿情況下流體運動規(guī)律[8～9]。采用ANSYS POLYFLOW 17.0有限元數(shù)值模擬軟件提供的疊加網(wǎng)格技術，將8字形流域和螺紋元件分別劃分網(wǎng)格，然后疊加在一起，將轉子設置邊界條件，求解得到速度場，利用自行開發(fā)混合動力學代碼，采用四階Runge–Kutta積分方法實現(xiàn)了粒子群運動的前鋒追蹤分析。采用Manas-Zloczower分散準數(shù)表征差速雙螺桿螺紋元件流道內的分散混合問題。圖5(a)、(b)分別為差速螺紋組合和疊加后流域轉子的有限元網(wǎng)格劃分：

圖5 有限元網(wǎng)格劃分

圖6(a)為螺桿轉速120/60組合時，求解得到的速度矢量分布三維視圖，6(b)為對應的俯視圖，發(fā)現(xiàn)螺桿機筒間隙及近嚙合區(qū)存在高速區(qū)，嚙合區(qū)存在強烈的再取向作用。6(c)為相應的粒子運動的軌跡，流體在沿著左右螺槽翻滾的過程中呈現(xiàn)類螺旋線運動。

假設中心距及外徑相同，對差速雙螺桿與傳統(tǒng)的等速雙螺桿分散混合能力進行了數(shù)值模擬分析，圖7(a)、(b)為差速螺桿轉速60/30與傳統(tǒng)的同向雙螺桿轉速60/60分散指數(shù)數(shù)值模擬結果對比，可見新型螺桿由于速差和左右不對稱，導致螺槽內拉伸場比例明顯高于常規(guī)的同向雙螺桿。兩種情況下共同特點是嚙合區(qū)附近存在高拉伸區(qū)域，雙頭螺紋的近壁區(qū)域存在低拉伸區(qū)域，對物料的分散混合不利。

圖6 差速雙螺桿螺槽內數(shù)值模擬結果

2.2 剖分機筒靜態(tài)可視化實驗研究

為揭示發(fā)生在流道內的熔融及混煉機理，研制成功轉速比2:1的機筒剖分式差速雙螺桿擠出機如圖8所示[10～11]。配有強制水冷系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采集加工過程中的雙螺桿轉速、機筒擠出壓力、雙螺桿驅動功率、進入減速箱扭矩等瞬態(tài)參數(shù)。

圖7 差速與傳統(tǒng)雙螺桿在同一螺桿橫截面分散指數(shù)分布對比

圖8 機筒剖分式差速雙螺桿實驗樣機

實驗中采用的螺桿組合方式及溫度設置見圖9，在加料區(qū)域中采用大螺距螺紋元件，以利于物料的輸送，而后逐漸組合較少螺距的螺紋元件，以增加物料的壓實程度，促進熔融，在熔融區(qū)中使用了3組捏合塊，第一組捏合塊由10片捏合盤組成，其余兩組有5片捏合盤組成，在排氣口前設置了一個反螺紋元件，以形成熔體密封而利于脫揮排氣。選用HDPE/PS（80/20%質量分數(shù)）共混物，在一定工藝條件下通過同向非對稱雙螺桿擠出機開展擠出實驗。此時雙螺桿轉速為60/30 r/min，各區(qū)的溫度設置如圖9所示。

圖9 螺桿組合

在第一區(qū)嚙合區(qū)位置，物料在摩擦力作用下發(fā)生塑性變形，由于雙頭螺紋的螺棱阻擋，使得物料積留在單頭螺槽內，導致的正位移輸送，使部分充滿區(qū)中單頭螺槽的充滿度比雙頭螺槽的高，出現(xiàn)了明顯的非對稱性。在機筒傳熱和塑性能耗散作用下產(chǎn)生的熔膜包圍著多個被壓實的固體床，表明固體床之間相互摩擦，部分固體床與機筒內壁和螺桿表面接觸，從而使固體床周圍產(chǎn)生熔膜。在第一組捏合塊上，物料受到擠壓和剪切作用，但沒有完全被壓實，片狀HDPE固體仍然清晰可見，熔體滲透到固體之間，到達第二組捏合塊時大量的熔融開始發(fā)生。由于反向螺紋元件的封堵作用，使物料在第四加熱區(qū)的充滿度最高，熔融主要發(fā)生在這一區(qū)域中，在第二組捏合塊后螺紋元件位置，物料完全充滿螺槽，大量的熔體在機筒內壁和螺桿表面產(chǎn)生，在第三組捏合塊時，物料在機筒、螺桿加熱及剪切熱共同作用形成的“海-島”模型下進一步熔融。

實驗表明，共混體系的熔融過程大致可劃分為以下4個階段：①壓縮形變、摩擦能耗散和螺桿傳熱；②正向捏合塊中固體間的摩擦生熱；③固體形變和熔池包裹傳熱；④耗散混合熔融。圖10為第二對捏合塊中不同位置的熔融情況，發(fā)現(xiàn)固體繼續(xù)發(fā)生變形，并在熔膜的作用下逐漸加熱熔融，每片捏合盤中物料的橫截面，熔體包圍固體，破碎的PS顆粒也被熔體包圍著。

2.3 全程可視化非充滿熔體輸送及混合機理研究

圖10 熔融過程中的固體形變與熔池包裹傳熱

為觀察物料輸送的動態(tài)過程及與傳統(tǒng)的等速雙螺桿的區(qū)別，研制成功機筒全透明的動態(tài)可視化實驗樣機，可實現(xiàn)雙螺桿等速及2:1差速驅動。配有四臺照相機從不同角度記錄熔體輸送過程。采用的螺桿結構及照相機布置如11(a)和(b)所示。實驗采用羧甲基纖維納溶液，將羧甲基纖維素鈉在60℃下干燥8 h，稱量羧甲基纖維素鈉，其與水的質量比為1:32，用60℃去離子水溶解羧甲基纖維素鈉，配置的聚電解質密度為0.97 g/cm3。恒溫攪拌4 h。配置的溶液表現(xiàn)出典型的黏彈行為。

圖11 動態(tài)可視化實驗儀器

從動態(tài)視頻中提取流體分布圖，第四節(jié)機筒四個方位的流體分布如圖12所示，圖12 (a)、(b)、(c)分別代表雙頭螺桿不同轉速N，從左到右視圖方向分別為左視、右視、俯視和仰視，圖中箭頭方向代表擠出方向。

螺桿A的轉速是螺桿B的2倍。發(fā)現(xiàn)同一時刻螺桿A和螺桿B的填充率不均衡，雙頭螺紋的填充率明顯高于單頭螺紋，這一現(xiàn)象在左右視圖對比中明顯可見。且產(chǎn)量一定時，無論螺桿轉速如何變化，雙頭螺紋的填充率始終高于單頭螺紋，存在非對稱效應，與靜態(tài)可視化實驗結果一致[21]，究其原因為物料流經(jīng)左右螺桿螺槽法向截面內的質量守恒，而單頭螺桿轉速為雙頭螺紋的2倍，因此單頭螺槽內流體的流速較大，填充度較低；因單頭螺紋元件的轉速較高，轉動過程中物料黏附在螺紋元件的現(xiàn)象較之雙頭螺紋更為明顯。這說明差速雙螺桿中也存在一部分拖曳流輸送。另一方面，從上嚙合區(qū)觀察，料隴在單頭螺槽中經(jīng)歷了明顯的拉伸變細作用；在下嚙合區(qū)出現(xiàn)了局部堆積松弛過程。上下嚙合區(qū)的這種局部堆積現(xiàn)象導致了物料在上下嚙合區(qū)受到充分混煉作用，可以進一步強化混合。

圖12 動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

觀察軸向流動情況可知，因左右螺桿螺旋升角及螺棱寬度不一致，使得物料在螺槽內流動受螺棱的阻礙作用在上下嚙合區(qū)不一致，使得上下捏合區(qū)正位移輸送存在反轉現(xiàn)象，如圖13(a)和(b)，物料在上下嚙合區(qū)環(huán)流的量不一致使得其在螺槽內的停留時間變長，與普通的雙頭雙螺桿相比，當雙頭螺桿轉速相同時，螺槽向前推進的速度相等，非對稱雙螺桿內的物料經(jīng)歷更多一次的拉伸和剪切，對混合有一定的促進作用。

圖14為對應的常規(guī)的等速雙螺桿動態(tài)可視化實驗結果，同樣，從左到右視圖方向分別為左視、右視、俯視和仰視，圖中箭頭方向代表擠出方向。表明，在等速同向雙螺桿中，物料在左右兩根螺桿的填充程度基本一致，嚙合區(qū)物料的堆積現(xiàn)象也不明顯。

觀察物料流動的拓撲線路，如下圖15所示。

圖13 差速雙螺桿中物料動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

圖14 等速雙螺桿中物料動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

對比圖12和14發(fā)現(xiàn)，差速雙螺桿中物料流動的拓撲線路不同于傳統(tǒng)的等速雙螺桿擠出機，當螺桿轉速比為2:1時，物料被分為2股，而傳統(tǒng)的雙螺桿擠出機物料被分為3股，可見差速雙螺桿擠出機能實現(xiàn)更好的軸向混合從而消除進料時物料組分波動而導致的質量不穩(wěn)定等問題。

3 材料制備實驗

為考察新型差速雙螺桿制備不相容高分子材料體系的加工效果，進行了相關的對比實驗研究。使傳統(tǒng)同向雙螺桿擠出機和差速雙螺桿的內外徑及中心距相同，差速雙螺桿的轉速比為2:1。這里，傳統(tǒng)等速雙螺桿的螺桿直徑35 mm，長徑比為48:1，中心距30 mm，結構見圖16(a)；差速雙螺桿的長徑比僅為32:1，螺桿組合見圖16(b)。由圖16可見，傳統(tǒng)雙螺桿螺紋元件導程較小，裝有6組捏合塊，而新型螺桿只裝了2組捏合塊。由螺紋端面造型圖可知，左右螺桿形狀明顯不對稱，掃描成螺紋元件時，螺槽深度一致，但形狀不一致，當物料流向左螺桿時，流道體積增加，而當物料流回右螺桿時，流道體積縮小，加上差速作用，物料在流道中應該不斷受到擠壓和拉伸。

圖15 等速雙螺桿中物料動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

圖16 材料制備采用的雙螺桿組合示意圖

圖17為兩種設備擠出LLDPE/nano-CaCO3(nano-CaCO320% 質量分數(shù) )料條掃描電鏡對比照片，實驗過程中雙頭螺桿的轉速為70 r/min，采用Image-Pro Plus 6.0軟件統(tǒng)計分析， 圖17(a)中平均粒徑為0.65 μm，圖17(b)中平均粒徑為0.2 μm，可見普通雙螺桿擠出機CaCO3內存在一定的團聚現(xiàn)象，非對稱雙螺桿對應平均粒徑較小，對應CaCO3粒子團聚現(xiàn)象不明顯。

圖17 LLDPE/ CaCO3(CaCO3 20 %質量分數(shù))料條掃描電鏡對比照片

圖18為兩種設備擠出PP/TPU(TPU10 %質量分數(shù))料條掃描電鏡對比照片，實驗過程中雙頭螺桿的轉速設定為24 r/min，產(chǎn)量為3.32 kg/h。將擠出料條脆斷噴金，然后進行掃描電鏡測試，采用Image-Pro Plus 6.0軟件統(tǒng)計分析，TPU為分散相，圖18(a)中平均粒徑為1.48 μm，圖18(b)中平均粒徑為0.89 μm，兩種情況下粒徑統(tǒng)計分布見圖19，可見經(jīng)過差速雙螺桿加工的PP/TPU體系粒徑分布更窄。從圖16～19可知，差速雙螺桿具有更優(yōu)異的分布、分散混合效果。

圖18 PP/ TPU(TPU 10%質量分數(shù) )料條掃描電鏡對比照片

圖19 分散相粒徑分布統(tǒng)計

4 結論

本文提出了一種新型差速同向雙螺桿擠出機的新概念。在保證自清潔功能的基礎上，介紹了差速同向雙螺桿幾何學，給出關于這種新型螺桿結構的研究進展。在全充滿情況下，以螺紋元件為研究對象，采用有限元疊加網(wǎng)格技術對輸送和混合過程進行了數(shù)值模擬研究。與普通雙螺桿結構相比，發(fā)現(xiàn)新結構可以提供更優(yōu)越拉伸場，這是由于螺槽容積非對稱性和兩根螺桿間的速度差造成的。采用機筒剖分結構開展的靜態(tài)可視化研究表明，雙相共混體系的熔融過程存在多種機理，其中高熔點固體壓縮變形及包裹熔融傳熱是突出的特點之一。動態(tài)可視化揭示了穩(wěn)定擠出過程中非充滿輸送獨特現(xiàn)象，差速雙螺桿左右螺槽內物料的充滿程度差別較為明顯，雙頭部分充滿程度明顯高于單頭，存在著明顯的非對稱現(xiàn)象，這與固體輸送非對稱性剛好相反，出現(xiàn)非對稱反轉效應；上下嚙合區(qū)的觀察表明，單頭螺槽內存在明顯的拉伸作用，嚙合區(qū)存在局部料隴的堆積現(xiàn)象，使得嚙合區(qū)強化混煉的作用得到充分利用，而且上下嚙合區(qū)正位移輸送量不同。本文的研究是在低轉速小產(chǎn)量的情況下進行的，未來將向著高速高產(chǎn)量的情況開展研究。

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