多物理场耦合叶片塑化单元聚合物混合性能研究.pdf

50 塑料工业 CHI NA P LAS TI CS I NDUS TRY 第 4 2卷第 6期 2 0 1 4年 6月 多物理场耦合叶片塑化单元聚合物混合性能研究 杜遥雪 ，周 阳 ，胡建朋 ，冯彦洪 ，徐百平 ( 1 五邑大学机电工程学院，广东 江门 5 2 9 0 2 0 ； 2 华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广州 5 1 0 6 4 0； 3 广东轻工职业技术学院 广东高校高分子材料加工工程技术开发中心，广东 广州 5 1 0 3 0 0 ) 术 摘要：阐述了聚合物叶片注塑成型机的结构组成和工作原理，通过叶片塑化单元转子模型及本构方程的表征，分 析了该单元聚合物熔体拉伸流动特性和混合性能。结果表明，叶片塑化单元的流场为拉伸与剪切复合流场 ，混合指数 值高达 0 9 4 5，叶片两边的强拉伸流场区域黏度值较低，具有较强的拉伸作用 ，可以提高聚合物的塑化混合性能和熔 体流动性 ；叶片单元 的混合指 数多分布在 0 5 0 6之问 ，而螺杆元件的混合指 数多分布在 0 4 0 5之 间 ，螺杆元 件 在产生拉伸流场方面远低于叶片单元；动态时叶片塑化单元的拉伸速率比稳态时的大，随着振动强度的增加，该单元 拉伸速率和平均拉伸混合效率提高，但是动态时的振动强度不宜过大。因此 ，采用叶片塑化单元及多物理场耦合开发 的叶片注塑成型机优 于传统注塑成型机 。 关键词：叶片塑化单元；混合性能；混合指数；黏度；拉伸速率；平均拉伸混合效率 D OI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 5 7 7 0 2 0 1 4 0 6 0 1 3 中图分类号：T Q 3 2 0 6 6 2 文献标识码：A 文章编号 ：1 0 0 5 5 7 7 0 ( 2 0 1 4 )0 6 0 0 5 0 0 5 S t ud y o n Po l y me r Bl e n di n g Pr o p e r t y i n Va n e Pl a s t i c i z i ng Uni t un de r M u l t i p hy s i c a l Fi e l d Co u pl e DU Ya o - x u e ，Z HO U Ya n g ，HU J i a n p e n g ，F EN G Ya n 。 h o n g ，XU B a i 。 p i n g ( 1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Wu y i Un i v e r s i t y ，J i a n g me n 5 2 9 0 2 0，C h i n a； 2 Na t i o na l En g i ne e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f No v e l Eq u i p me n t f o r Po l y me r P r o c e s s i n g， S o u t h Ch i na Un i v er s i t y o f Te c h no l o g y， Gu a ng z h o u 5 1 0 64 0， Chi na； 3 Te c h n o l o g y De v e l o pme n t Ce nt e r for P o l y me r Pr o c e s s i n g Eng i n e e r i n g o f Gu a n g d o ng Co l l e g e s a nd Un i v e r s i t i e s， Gu a n g d o n g I n d u s t r y T e c h n i c a l C o l l e g e ，Gu a n g z h o u 5 1 0 3 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：S t r u c t u r a l c o m p o s i t i o n a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f p o l y me r v a n e i n j e c t i o n m o l d i n g ma c h i n e w e r e i l l u s t r a t e d Th r o u g h t he e x p r e s s i o n o f r o t o r mo d e l a n d c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n f o r v a n e p l a s t i c i z i ng un i t ， t h e t e n s i l e fl o w c h a r a c t e r i s t i c s a n d bl e n d i n g p r o p e rty o f p o l y me r me l t i n t h e u ni t we r e a na l y z e d Th e r e s u l t s s ho we d t h a t flo w fie l d o f v a n e pl a s t i c i z i n g u ni t wa s c o mp o s e d o f t e n s i l e a n d s h e a r i n g c o mpl e x flo w fie l d， t h e ma x i mum mi x i n g i n d e x wa s 0 9 4 5， a n d v i s c o s i t y wa s s ma l l e r i n t h e r e g i o n o f v a n e t wo s i d e s wi t h s t r o n g t e n s i l e flo w fie l d Th e u ni t wa s o f s t r o n g t e n s i l e a c t i o n， a n d c a n i mp r o v e p o l y me r p l a s t i c i z i n g a n d b l e n d i n g p r o p e r t y a s we l l a s me l t flo wa bi l i t y Mi x i n g i n d e x o f v a n e u n i t wa s d i s t r i b u t e d mo s t l y b e t we e n 0 5 a n d 0 6， wh i l e mi x i n g i n d e x o f s c r e w e l e me n t wa s d i s t r i b u t e d mo s t l y b e t we e n 0 4 a n d 0 5， whi c h me a n t t h a t s c r e w e l e me n t wa s l o we r t ha n v a n e u ni t i n t h e a s p e c t o f pr o d u c i ng t e n s i l e flo w f i e l d Te n s i l e r a t e o f d y n a mi c s t a t e i n v a n e pl a s t i c i z i n g u ni t wa s l a r g e r t h a n t h a t o f s t e a d y s t a t e W i t h t h e i n c r e a s i n g o f v i b r a t i o n s t r e n g t h， t e n s i l e r a t e a n d a v e r a g e t e n s i l e mi x i n g e ffi c i e n c y o f t h e u n i t i mp r o v e， b ut v i b r a t i o n s t r e n g t h a t d y n a mi c s t a t e s h o u l d n o t b e t o o l a r g e T h e r e f o r e ，v a n e i n j e c t i o n m o l d i n g ma c h i n e w i t h t h e c o u p l e o f v a n e p l a s t i c i z i n g u n i t a n d m u h i p h y s i c a l fi e l d w a s b e t t e r t h a n t r a d i t i o n a l i n j e c t i o n m o l d i n g ma c h i n e Ke ywo r ds ： Va n e P l a s t i c i z i n g Uni t ； Bl e n d i n g P r o p e y； Mi x i n g I n d e x； Vi s c o s i t y； Te ns i l e Ra t e； Av e r a g e Te n s i l e Mi x i ng Effi c i e n c y 广东省 自然科学基金资助项 目 ( $ 2 0 1 1 0 1 0 0 0 0 4 1 1 ) ，广东高校高分子材料加工工程技术开发中心开放课题资助项 目 ( K F 2 0 1 3 0 3 ) ，国家 自然科学基金资助项 目 ( 1 1 2 7 2 0 9 3 ) ，广东省高等职业院校珠江学者岗位计划资助项 目 ( 2 0 1 2 ) 作者简介：杜遥雪，男，1 9 6 2年生，博士，教授，主要从事聚合物成型加工C A D C A E研究工作。l u o t i n g w y u e d u e n 第 4 2卷第 6期 杜遥雪，等：多物理场耦合叶片塑化单元聚合物混合性能研究 目前聚合物注塑成型加工装备主要是螺杆注塑成 型机主导市场 ，聚合物的熔融塑化主要依赖聚合物与 金属料筒摩擦以及聚合物 内摩擦的作用 ，这种塑化方 式受剪切流场的支配，存在聚合物所经历的热机械历 程较长 、设备结构大、能耗较高 、对物料依赖性强等 缺陷。为此瞿 金平院士发明了聚合物 叶片注塑成型 机 - 2 ，新装备将传统 的螺杆元件用 叶片塑化单元 代替 ，实现了聚合物加工过程 中收敛流道的正位移输 送 ，在流道内以拉伸形变机理使聚合物熔体 塑化熔 融 ，通过可伸缩的叶片形成容积可变的腔体 ，当叶片 伸长时腔体体积变大而吸入聚合物熔体 ，叶片收缩时 腔体体积变小而将聚合物熔体排出，实现基于拉伸流 场的正位移作用 ，转子的转动形成周期性 的正应力 场 ，将聚合物 以剪切为主的剪切流场变为拉伸流场作 用 ，与螺杆塑化相 比具有塑化混合效率高 、能耗低 、 体积小等优点 。 叶片塑化单元主要 由定子和转子及成对插在转子 上的叶片组成 ，转子与定子放置 时存在 一定的偏心 距 ，且大小可 以调节 ，形成以拉伸作用为主的聚合物 加工方法 J 。为了深入研究叶片塑化单元 的聚合物 熔体拉伸流动特性和混合性能，本文应用聚合物流体 动力学软件 P o l y fl o w，对单元 内聚合物流动状态进行 三维等温模拟，分析了单元 内的混合指数 、黏度 、拉 伸速率和平均拉伸混合效率及其变化规律 ，并对 比分 析了叶片单元与螺杆元件的混合能力 ，以及稳态与动 态条件下多物理场耦合对叶片塑化单元混合性能的影 响，从而为此单元及其在叶片注塑成型机的应用提供 理论指导。 l 叶片注塑成 型机 的工作原理 叶片注塑成型机的注射系统 由叶片塑化系统和柱 塞注射系统组成。如 图 1所示 ，I 为叶片塑化系统 ， 其主要作用是将聚合物均匀地塑化成熔融状态 ，然后 送人柱塞注射系统 I I中，注射 系统 以足够 的速度和 压力将熔体注入模具型腔。 图 1 注射系统结构示意 图 F i g 1 S t r u c t u r a l s k e t c h o f i n j e c t i o n s y s t e m 1 一 集流管；2 一注射油缸；3 一注射活塞； 4一注射料筒；5 一喷嘴 当注塑机工作 时，聚合物颗粒进入叶片塑化系统 中的料斗，在叶片塑化单元 的料筒加热和拉伸流场作 用下达到均匀熔融状态 ，然后通过集流管进入柱塞注 射系统的注射料筒 中，熔 体的压力迫使 注射 活塞后 退 ，当注射料筒 中的量达到注射要求时 ，叶片塑化系 统停止转动 ，注塑油缸使注射活塞产生压力推动熔体 前移 ，进而完成注射和保压过程 ，当模具型腔冷却完 毕后 ，叶片 塑化 系 统 开始 旋 转 ，进 入 下 一个 工 作 循环。 叶片塑化系统是实现聚合物塑化的核心部分 ，主 要 由叶片塑化单元和屏障混炼单元组成 。聚合物颗粒 首先由料斗进入叶片固体输送单元 ，此单元主要将聚 合物颗粒压实输送至下一个 叶片塑化单元。叶片塑化 单元主要是使聚合物颗粒熔融塑化 ，此单元完成塑化 后经过屏障混炼单元 的进一步塑化熔融进入下一个叶 片熔体输送单元 ，在 这里聚合物得到充 分的熔融塑 化 ，最后经过渡元件和模头完成塑化熔融过程 J 。 2 叶片塑化单元转子模型 叶片塑化单元 的主要参 数有定子 内径 、转子直 径 、定子与转子的偏心距 、转子长度和叶片厚度 ，由 此可以建立其转子 的结构模型 ，并 采用 G a m b i t 软件 对转子和流体区域进行网格划分。转子 的入 口和出口 的位置比较 特殊 ，前者 为流道人 口，后 者为流道 出 口，固体转子和流体区域是耦合的，流体区域包 围在 转子外面 ，采用流 固耦合 的 MS T网格重叠技术 ，自 动处理固体和流体 的重合部分 J 。单元边界条件 主 要针对流体 区域 ，取入 口处流量 4 X 1 0 m s ，外 环和内环及端面分别取定子和转子及挡料盘的固体壁 面条件 ，转子转速为 1 0 0 r m i n ，采用 C a r r e a u模型的 本构方程 。 3 计算结果与分析 3 1 叶片塑化单元的混合指数 混合指数可以表现拉伸流场 的作用区域 ，因此沿 转子轴向 X= 5 m m、X=1 5 mm和 X=2 5 m m处取三 个截面 ，其上混合指数等值线分布如图 2所示。可 以 看 出，在叶片塑化单元转子的截面上 ，? 昆 合指数最大 值达到 0 9 4 5 ，主要分布在叶片的两边 ，表现出很强 的拉伸流场。定子内壁面的混合指数值为 0 5左右， 主要以简单剪切流动为主。转子外壁面的混合指数值 大多小于 0 5，此处聚合物熔体更 趋向于旋转流动与 剪切流动的复合流动 。 由图可知 ，叶片塑化单元的拉伸流场与剪切流场 是复合分布 的，相对来说剪切作用强的地方拉伸作用 5 2 塑料工业 会弱一些 ，而拉伸作用强 的地方剪切作用会弱一些 ， 因此聚合物塑化混合装置要使拉伸流场起 主要作用 ， 必然会削弱其剪切流场的作用 。由于拉伸流场对聚合 物产生的塑化混合效果要强于剪切流场 ，所 以如何增 强拉伸流场的作用十分关键。 E 匡 图2 混合指数等值线分布 Fi g 2 Co n t o u r di s t r i bu t i o n o f mi xi n g i n d e x 3 2 叶片塑化单元的黏度 黏度是衡量聚合物熔体流动性强弱的指标 ，聚合 物达到塑化熔融状态后的黏度较低 ，一般剪切流场的 增强和压力场的减弱会造成熔体的黏度降低。与混合 指数分析方法相同，沿转子轴向取三个截面的黏度等 值线分布如图 3所示。可以看出，黏度值较大的区域 主要分布在转子和定子 的壁面中间区域。对比图 2还 可以看出，混合指数在拉伸流场较弱的地方 ，熔体黏 度值较高 ，而叶片两边 的强拉伸 流场 区域黏度 值较 低 ，这主要是叶片两边 的强拉伸流场和剪切流场共 同 作用 的结果 ，此处熔体黏度低也有利于熔体从叶片的 顶端缝隙回流。 图 3 黏度等值线分布 F i g 3 C o n t o u r d i s t r i b u t i o n o f v i s c o s i t y 3 3 叶片与螺杆的混合指数 为了比较 叶片单元和螺杆元件的拉伸流场强度 ， 沿轴向选取叶片与螺杆的轴向最大混合指数和轴 向混 合指数进行统计分析。由图 4 a可以看 出，叶片单元 的轴 向最大混合指数远大于螺杆元件，可以产生最大 混合指数为 0 9 4 5的拉伸流场 ，几乎接近纯 拉伸 流 场 ；而螺杆元件的最大混合指数 为 0 7 ，属于剪切 流 场与弱拉伸流场的结合。由图 4 b可 以看 出，叶片单 元的混合指数多分布在 0 50 6之间 ，有些 时间里 混合指数值为 0 ，此时聚合物颗粒经历旋转流动 ；而 螺杆元件 的混合指数多分布在 0 40 5之间 ，聚合 物颗粒经历多是旋转流动和剪切流动，旋转流动 的分 散效果要低于纯剪切作用。由此可见 ，螺杆元件产生 拉伸作用的能力十分有限，而叶片单元在保证剪切作 用的前提下可以大大提升拉伸作用的效果。 籁 d 赠 a一 轴向最大混合指数 叶 片单元 螺 杆 o 5 j o J 5 2U 25 时 I司 s b一轴向 昆 合指数 图 4叶片与螺杆的混合指数 F i g 4 Mi x i n g i n de x o f v a n e an d s c r e w 3 4 稳态与动态的拉伸速率 8O0 6 O 0 褂 400 垂 2O0 0 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 时 间 s 图5 稳态与不同频率下动态的拉伸速率 F i g 5 Te n s i l e r a t e u nd e r s t e a d y s t a t e a n d d y n a mi c s t a t e at di f f e r e n t f r e q u en c y 将振动力场引入聚合物加工过程 ，分析稳态与动 态对叶片塑化单元混合效果的影响 ，在前述叶片塑化 单元模型的基础上适当修改流体区域 ，叠加振动振幅 为 A、振动频率为-厂的轴向振动位移 。 7 6 5 4 3 2 O 0 0 O O O O O 如蜉 第4 2卷第6期 杜遥雪 ，等 ：多物理场耦合叶片塑化单元聚合物混合性能研究 5 3 在振幅相同而不同频率作用下，叶片塑化单元稳 态与动态的拉伸速率如图 5所示。稳态时由于聚合物 颗粒位置随着时间的变化，受到大小不 同的拉伸速率 作用 ，拉伸速率曲线呈现波动状态 ，中间会有一些拉 伸速率值 比较低的点。当单元受到低频率振动而处于 动态时 ，拉伸速率同样呈现波动状态 ，但是动态拉伸 速率值大部分时间都在稳态值之上，这说明适当频率 的振动可以使聚合物颗粒所受拉伸速率提高。 1 垂 霹 1 图6 稳态与不同频率下动态的平均拉伸速率 F i g 6 Av e r a g e t e n s i l e r a t e u n d e r s t e a d y s t a t e a n d d y n a mi c s t a t e a t di f f e r e n t f r e q ue n c y 将 蚓 鼍 辑 O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 时 间 s a 一稳态和动态小振幅 b一动态大振幅 图 7 稳态与不 同振 幅下动态 的拉伸 速率 Fi g 7 Te ns i l e r a t e un d e r s t e a d y s t a t e a nd dy n a mi c s t a t e a t di f f e r e n t a mp l i t ud e 在振幅相同而不同频率作用下 ，叶片塑化单元稳 态与动态的平均拉伸速率如图6所示。由图可知，高 频振动下单元拉伸速率 的最大值 比低频和稳态时有所 增加 ，聚合物颗粒在塑化过程中所经历强拉伸作用的 概率增大 ，从而有利于提高加工设备的分布和分散混 合性能。但是在振动频率增大的同时造成拉伸速率的 波动较大 ，出现较小值的概率也增大。可以看出，在 厂 =1 0 H z和 A=0 5 m m时拉伸速率平均值最大。这 说明振动振幅一定时 ， 厂 =1 0 H z 左右的振动频率可以 提高叶片塑化单元整体拉伸流场的作用 ，从而增大了 聚合物颗粒所受到的拉伸应力 ，使颗粒易于破裂，提 高了叶片塑化单元的整体塑化质量和混合效果。 在频率相同而不同振幅作用下 ，叶片塑化单元稳 态与动态的拉伸速率如图 7所示。可以看出，适 当的 小幅度振动会增强单元拉伸流场的作用。由图 7 b可 知 ，振幅过大时拉伸速率呈现剧烈震荡 ，开始时拉伸 速率值非常高 ，然后变得很小，虽然平均拉伸速率值 较大 ，但显然不利于聚合物加工。综上所述 ，在f= 1 0 Hz 和 A= 0 5 m m的振动强度可以提高叶片塑化单 元拉伸流场的作用 ，进而对聚合物塑化混合产生有利 作用 ，但振幅和频率不宜过大。 3 5 稳态与动态的平均拉伸混合效率 得 赠 壁 霹 * a 一不同振动频率 ，4 0 5m n 1 =0 5i nm b一不 同振动振 幅 图 8 稳态与动态的平均拉伸混合效率 Fi g 8 Av e r a g e t e ns i l e mi x i ng e f f i c i e n c y un d e r s t e a d y a nd d y n a mi c s t a t e 平均拉伸混合效率是用来评价聚合物加工设备塑 化混合性能的重要指标 ，取值 范围为 一1 ，1 ，大 于 0表示熔体受到拉伸作用 。图 8为稳态和动态条件 下平均拉伸 昆合效率随时间的变化 ，可以看 出平均拉 伸混合效率值都呈现降低趋势。但是随着振动频率的 O O 0 O O 0 加 哥 艘晕糍 塑料工业 增加 ，平均拉伸混合效率有所提高 ，在f=2 0 H z和 A=0 5 mmlJ , 平均拉伸混合效率值达到最大 ，这说明 该振动参数可以有效增强叶片塑化单元的塑化混合效 果。振动振幅的增大也会使平均拉伸混合效率有所提 高 ，但振幅过大时平均拉伸混合效率反而降低 ，与前 述拉伸速率的结果一致 ，这说明振幅较大时对 叶片塑 化单元的混合效率是不利的。 4 结论 1 )叶片塑化单 元 的流场为拉 伸与剪 切 复合流 场 ，但是表 现出很强 的拉伸流 场 ，混合指数 值高达 0 9 4 5，主要分布在叶片的两边 ，黏度值较大 的区域 主要分布在转子和定子的壁面中间区域 ，而叶片两边 的强拉伸流场区域黏度值较低 ，因此叶片塑化单元具 有较强的拉伸作用 ，可以提高聚合物的塑化混合性能 和熔体流动性。 2 )叶片单元的最大混合指数为 0 9 4 5且多分布 在 0 50 6之 间 ，而螺杆元 件 的最 大混 合 指数 为 0 7且 多分 布在 0 40 5之 间，因此螺杆元件在产 生拉伸流场方面远低于叶片单元 ，叶片塑化单元更有 利于聚合物颗粒的分散混合 ，能量利用效率会更 高， 经过叶片注塑成型机加工的塑料制品在性能与能耗方 面都要优于螺杆元件。 3 )动态时叶片塑化单元 的拉伸速率 比稳态时 的 大 ，适当的振动频率和振动振幅可以强化单元 的拉伸 流场 ，增大聚合物颗粒受到 的拉伸应力和拉伸速率 ， 随着振动强度的增加 ，单元拉伸速率和平均拉伸混合 效率提高 ，在振动频率 2 0 Hz 和振动振幅 0 5 i g m时 拉伸速率平均值和平均拉伸混合效率值最大 ，单元的 整体塑化质量和混合效果最好 ，但是动态时的振动强 度不宜过大 ，否则对叶片塑化单元 的拉伸作用和混合 效率不利。 参考文献 1 瞿金平 基 于拉 伸流变 的高分子 材料 塑化输 运方法 及设 备 ：中国，2 0 0 8 1 0 0 2 6 0 5 4 x P 2 0 0 9 0 61 0 2 瞿金平 ，冯彦洪 ，殷 小春一种 叶片挤 出机：中国， 2 0 l 1 2 0 0 4 6 8 8 7 x P 2 0 1 11 1 2 3 3 杨智韬聚合物叶片挤出机熔体正位移输送和混合特性 研究 D 广州：华南理工大学，2 0 0 9 4 曾武叶片注射机成型 P P 硅灰石填充体系的性能研究 D 广州：华南理工大学 ，2 0 1 0 5 柳天磊 ，王建鸿，杜遥雪注塑机螺杆