（流体机械及工程专业论文）啮合同向双螺杆挤出机捏合块组合的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2学科分类号 4 7 0 3 0 3 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 1 0 6 1 0 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 王文飞 学号 2 0 0 8 0 0 0 6 1 0 获学位专业名称流体机械及工程获学位专业代码 0 8 0 7 0 4 非金属材料成型理论与 课题来源大型挤出造粒机组研究方向 设备研究 论文题目啮合同向双螺杆挤出机捏合块组合的研究 关键词啮合同向双螺杆，螺杆组合，捏合块，混合 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 8 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师罗兵副教授北京化工大学非金属材料加工机械 评阅人1 杨卫民教授北京化工大学聚合物加工设备 评阅人2马秀清副教授北京化工大学非金属材料加工机械 徽员会拂赵月云 高级工程师 北京化工研究院化工过程机械 答辩委员l杨卫民教授北京化工大学聚合物加工设备 答辩委员2张亚军教授北京化工大学微纳制造 答辩委员3冯连勋教授北京化工大学机械工程 答辩委员4丁玉梅副教授北京化工大学高分子材料加工机械 答辩委员5 何雪涛 副教授北京化工大学 机械电子工程 答辩委员6张冰副教授北京化工大学高分子材料加工机械 答辩委员7董力群副教授北京化工大学高分子材料加工机械 答辩委员8党开放讲师北京化工大学机械电子工程 答辩委员9马秀清副教授北京化工大学非金属材料加工机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 03 眦m1胁7 7踟8 川川i舯y 摘要 啮合同向双螺杆挤出机捏合块组合的研究 摘要 啮合同向双螺杆挤出机因具有良好的混炼效果、优异的自洁能力 以及产量大能耗低等优点，被广泛用于聚合物加工、造纸等领域。啮 合同向双螺杆由多种类型和不同数量的螺杆元件有序的组成，整根螺 杆又分为不同的功能段；为使物料按照工艺要求完成整个挤出过程， 因而对各个功能段的要求也不同，这就需要与之相对应的螺杆构型来 实现。整根螺杆的组合设计，不仅要对各种螺杆元件的性能和构造了 解得很清楚，还需要对各功能段的局部构型以及整根螺杆的组合规律 有深入地认识与把握。 本课题以研究探索捏合块组合规律，提高挤出机混合性能为目 标，在实验的基础上，对捏合块混合性能的评价指标进行了研究。围 绕螺杆组合设计，研究了捏合块几何参数、不同捏合块组合、工艺条 件及不同啮合比与不同捏合块组合的混合性能之间的关系，并对其设 计规律进行研究。 本文首先在啮合同向双螺杆几何学的基础上对在螺杆组合中不 同头数螺纹元件之间的光滑过渡问题进行了研究，设计了一种可以灵 活使用和加工的光滑过渡组件。 本文通过对捏合块混合性能的评价指标进行研究分析，选出了能 够量化研究捏合块混合性能的两种主要指标：平均剪切应力评价分散 北京化工大学硕上学位论文 混合能力；平均回流系数评价分布混合能力。在研究中。利用这两种 评价指标对捏合块几何参数与混合性能之间的关系进行了研究，并且 建立了捏合块元件混合性能的回归数学模型，利用这个模型可以根据 捏合块的几何参数判断出混合性能的强弱。在此基础上，对不同几何 参数的捏合块组合后的混合性能进行了研究，得出了分散混合效果最 好的构型和分布混合最好的构型；同时还建立了组合过程中不同位置 的捏合块与捏合块组合后混合性能之间的回归数学模型，利用这种回 归模型可以指导实际工作中的螺杆构型的设计。最后，对工艺条件与 捏合块混合性能之间的关系和不同啮合比的捏合块的混合性能进行 摘要 s t u d yo nk n e a d i n gb l o c k sc o n f i g u r a t i o ni n c o r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e r a b s t r a c t t h ec o _ r o t a t i n g觚i ns c r e w咖d e ri s w i d e l yu s e di np o l y m e r p r o c e s s i n ga n dp 印e rm a k i n gf i e l d sb e c a u s eo f t h ep e r f e c tm i x 洫ge 恐c t ， h i 曲o u 印u ta n dl o we n e 唱yc o n s u m p t i o n t h et w i ns c r e wc o m p o s e d o r d e r l yo fm a n yt y p e sa n dd i a e r e n tn u m b e ro fs c r e we l e m e n t s t h e e x t l m s i o np r o c e s si sd i v i d e di n t od i f | f e r e n t 向n c t i o nz o n e s d i f r e r e n t m a t e r i a l sn e e dc o r r e s p o n d i n gs c r e wc o n f i g u r a t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo f t h ee l e m e n t sa n dt h es c r e wc o n f i g u r a t i o nw o u l db er e s e a r c h e dc l e a r l yf o r d e s i g n i n g t h es c r e wc o n f i g u r a t i o n t h eg o a lo ft h i sr e s e a r c hw a st oe x p l o r et h el a wa n di m p r o v et h e m i x i n gp e r f o m a n c eo ft h ec o m b i n a t i o no ft h ek n e a d i n gb l o c k s 1 1 1 e m i x i n gi n d e x e sw e r es t u d i e di nt l l eb a s eo fe x p e r i m e n t t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m i x i n gp e r f o n n a n c e a n dd i f r e r e n t g e o m e t r y ， d i 仃l e r e n t c o m b i n a t i o n ，d i f f e r e n tw o r kp a r a m e t e ra n dd i f r e r e n ti n t e m e s h i n gr a t e w a sr e s e a r c h e dt h ed e s i g n i n gr u l e s 7 r h et r a n s l a t i o np r o b l e mb e t w e e nt h es c r e we l e m e n t sw i t hd i f 传r e m s e c t i o n sw a s 咖d i e di nt h ef i r s tp a r to ft h i sp 印e ri nt h eb a s eo ft h et w i n s c r e wg e o m e t 阱ak i n dt r a n s l a t i o n 鲈o u p w 2 u r ew a s d e s i g n e dw h i c hw o u l d i i l 北京化工人学硕上学位论文 b eu s e df l e x i b l y i nt h i sp 印e r ，t w om d e x e sw e r eu s e dt 0e s t i m a t et h em i x i n ga b i l i t yo f t h ek n e a d i n gb l o c k si nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h em i x i n ge v a l u a t i o n i n d e x e so ft h ek n e a d i n g b l o c k s 1 1 1 eo n ew a st h em e a l ls h e a rs t r e s sw h i c h w o u l de s t i m a t et h ed i s p e r s i v em i x i n ga b i l i 吼a n dt h eo t h e rw a st h em e a n r e f l u xi n d e xw h i c hw o u l de v a l u a t et h ed i s 仃i b u t i n gm i x i n ga b i l i 妙i nt h i s p a p e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e o m e t 巧p a r a m e t e r sa n dm i x i n ga b i l i t y w a ss t u d i e dw i t hm ek n e a d i n gb l o c k s a n dar e 鲈e s s i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e dw h i c hw o u l de s t i m a t et h em i x i n ga b i l i t yb yt h eg e o m e t 巧 p a r a m e t e r s o ft h e k n e a d i n g b l o c k s ap e r f e c t d i s p e r s i v em i x i n g c o n f i g u r a t i o na n d ag o o dd i s t r i b u t i o nm i x i n gc o n f i g u r a t i o nw e r ef o u n di n b a s eo ft h a tt h em i x i n ge f f e c to fc o n f i g u r a t i o n1 ( n e a d i n gb l o c l ( so f d i 虢r e n tg e o m e t 可p a r a m e t e r sw e r er e s e a r c h e d ar e g r e s s i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e dw h i c hw o u l dg u i d et od e s i g nt h es c r e wc o n f i g u r a t i o n s a tl a s t ， t h ee 艉c to ft h ep r o c e s sc o n d i t i o n sf o rt 1 1 em i x i n ga b i l i t yw a ss t u d i e da n d ar e g r e s s i o nm o d e le s t a b l i s h e dw h i c h w o u l dg u i d et oa d j u s tt h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s o m em l e so fk n e a d i n gb l o c k sc o m b i n a t i o nh a v eb e e nf o u n di nt h i s r e s e a r c h t h e r ei sr e f e r e n c ev a l u eo ft h em l e sf o rt h es c r e wc o n f i g u r a t i o n d e s i g n k e yw o r d s ：c o r o t a t i n g 铆i ns c r e we x t m d e r ，s c r e wc o n f i g u r a t i o n ， k n e a d i n g b l o c k s ，m i x i n g i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 啮合同向双螺杆挤出机的发展及其研究进展1 1 1 1 聚合物加工中混合机理的研究1 1 1 2 啮合同向双螺杆挤出机的研究2 1 2 啮合同向双螺杆挤出机螺杆构型的研究4 1 3 啮合同向双螺杆挤出机中捏合块混合性能的研究5 1 4 本课题的目的和意义6 1 5 本课题的主要研究内容6 第二章螺杆过渡组件的设计9 第三章捏合块混合性能的研究1 7 3 1 数理模型和边界条件1 7 3 1 1 数学模型1 7 3 1 2 有限元模型和边界条件1 8 3 2 模拟结果及分析1 9 3 2 1 回流系数2 0 3 2 2 剪切应力2 2 3 2 3 平均剪切速率2 4 3 2 4 累积最大剪切速率分布：2 5 3 2 5 停留时间分布2 5 3 2 6 应变分布2 6 3 3 本章小结2 9 第四章实验研究3 l 4 1 螺杆构型对p p p e t 共混体系混合效果的影响3 1 4 1 1 实验方案3 1 v 北京化t 大学硕士学位论文 4 1 2 实验结果与分析3 2 4 2 螺杆构型对p p m g ( o h ) ：体系混合效果的影响3 4 4 2 1 实验方案3 4 4 2 2 实验结果与分析3 5 4 3 本章小结3 6 第五章捏合块组合规律的研究3 7 5 1 双头捏合块几何参数对混合性能的影响3 7 5 1 1 捏合块的捏合块厚度和错列角单因素对混合性能的影响3 8 5 1 2 捏合块几何参数的正交设计及分析4 2 5 1 3 捏合块几何参数对混合性能影响的回归分析4 6 5 2 捏合块组合对混合性能的影响5 2 5 2 1 捏合块组合的正交设计及分析5 2 5 2 2 捏合块组合对混合性能影响的回归分析5 7 5 2 3 回归模型的应用范围的研究6 0 5 3 工艺参数对混合性能的影响6 9 5 3 1 加料量和螺杆转速单因素对混合性能的影响7 0 5 3 2 工艺条件的正交设计及分析7 2 5 3 3 工艺条件对混合性能影响的回归分析7 5 5 3 不同啮合比对混合性能影响的研究7 6 5 4 应用捏合块组合规律进行螺杆组合的设计7 8 本章小结8 0 第六章结论8 l 6 1 课题主要结论8 l 6 2 课题的创新点及主要贡献8 2 6 3 本课题有待进一步研究的内容8 2 参考文献8 3 致谢8 7 v i 目录 研究成果及发表的学术论文8 9 作者及导师简介9 1 v i l 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1d e v e l o p m e n ta n d 呶l d y o f c o - r a t a t i n g 僦i ns 册刑删e r 1 1 1 1m i x i n gm e c h a n i s mo f p o l 舯e rp r o c e s s l 1 1 2s t u d yo f c o r a t a t i n gt 、) l ，i ns c r e we x t m d e r 2 1 2 s t u d yo fs c r e wc o n f i 昏l r a t i o ni nc o r a t a t i n gt 、) i r i i ls c r e we x t 九j d e r 4 1 3 s t l l d yo f k n e a d i n gb l o c k si i lc o r a t a t i n gt w i ns c r e we x 讯l d e r 5 1 4o b j e c t i v ea n ds i 鲥f i c a i l c eo f 蚰sr c s e 疵h - 6 】5m a i nc o n t e n t so f t h i sr e s e a r c h 6 c h a p t e r 2d e s i g nn e we l e m e n t s 9 c h a p t e r 3s t u d ym i x i n go fk n e a d i n gb l o c l s - 1 7 3 1m o d e l sa l l db o u n d a “c o n d i t i o n s 1 7 3 1 1m a t h 锄a t i c sm o d e l 1 7 3 1 2f e mm o d e la n db o 珈【d a r yc o n d i t i o i l s 1 8 3 2a n a l v s i so f t h es i m u l a t i o n 1 9 3 2 1r e n l l ) 【c o e 伍c i e n t 2 0 3 2 2s h e a rs 仃e s s 2 2 3 2 3m e a i ls h e a rr a t e 2 4 3 2 4m a x i m l 】ms _ h e a rr a t ed i s 仃j b u t i o n 2 5 3 2 5l 玎d ! 2 5 3 2 6s d f 2 6 3 3s 1 】0 【l m a 】j y 2 9 c h a p t e r 4e x p e r i m e n t ss t u d y 3 1 4 1m i x i n ge 仃e c to f 恤s 响c o n f i g u 删i o nf o rp p p e t 3 l 4 1 1s c h e i i l eo f 廿l ee x p 甜m 锄t 3 l 4 1 2r e s u l t s 觚da i l a l y s i so f t h ee x p 舐m e n t 3 2 l x 目录 4 2m i x i n ge 虢c to ft h es a 删c 0 n f i g u r a t i o nf o rp p m g ( o h ) 2 3 4 4 2 1s c h 锄eo f m ee x p 面m e n 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i t ) ，7 0 5 3 2o m l o g o n a ld e s i 萨a i l da i l a l y s i so f p r o c e s sc o n d i t i o n s 7 2 5 3 3r e 黟e s s i o n 觚a l y s i so f p r o c e s sc o n d i t i o n s 7 5 5 3d i f j 陆e i l ti n t e m e s h i n gp r o p o n i o nv s m i x i n ga b i l i t y 7 6 5 4d e s i 印m es c r e wc o n f i g u r a t i o nw i t ht h em l e so fl ( 1 1 e a d i n gb l o c k s c o n f i g u r a t i o n7 8 s u l l 】m a n r 8 0 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 8 1 6 1m a i nc o n c l u s i o n 8 1 6 2 n n o v a t i o na 1 1 dc o n t r i b u t i o n 8 2 6 3f u t l 】r ew o r k 8 2 r e f b r e n c e s 8 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 7 r e s e a r c ha n dp u b l i s h e dp a p e r 8 9 x 目录 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 9 1 x i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 啮合同向双螺杆挤出机的发展及其研究进展 在二十世纪3 0 年代意大利的r o b e n oc o l o m b o 公司首先研制了第一台同向 双螺杆挤出机，与此同时c a r l op a s q u e t t i 公司也研制了异向旋转的双螺杆挤出机； 从2 0 世纪6 0 年代术开始，现代双螺杆挤出机飞速发展起来【。 啮合同向双螺杆挤出机因具有良好的混炼效果、自洁能力和产量大能耗低的 优点，被广泛用于聚合物加工、造纸等领域。目前啮合同向双螺杆挤出机正在向 高转速、高产量、高扭矩、多功能和大型化发展。截止2 0 0 2 年1 月，克虏伯维尔 纳普夫莱德雷尔公司( k m p p w & p ) 已经推出了高转矩、高速度、紧凑型z s km e g a 系列挤出机；贝尔斯托夫( b e r s t o r 回公司已经推出的z e 超转矩双螺杆挤出机f 2 1 。 1 1 1 聚合物加工中混合机理的研刭1 】【3 7 】 混合是聚合物加工过程中的一个重要环节，其包括两种或者几种聚合物的混 合、聚合物的化学改性等。通过混合可以提高聚合物的物理性能、电性能、改善 耐老化性能和聚合物的成型性能。同时，通过混合利用废旧材料可以达到降低成 本减少环境污染的。 混合就是将少组分的粒子尺寸减小到适当的尺寸，并且把它们均匀的分布到 多组分的基体当中的过程。其中少组分( 分散相) 在多组分( 连续相) 中的位置的重 新排列而达到在连续相中的均布，并且分散相尺寸保持不变的过程叫分布混合。 少组分( 分散相) 的液滴或者固体颗粒不断破碎，粒子尺寸在混合过程中不断减 小并且均匀的分布到多组分中去的过程叫分散混合，分散性混合是包含各种物 理，力学和化学作用的复杂过程。 共混物性能好坏与共混物的各组分的选择、混合工艺和混合设备都有关系。 在选择混合的聚合物时，一般要遵循“相似相容”的原则，化学结构、极性和溶解 度参数相近以及黏度相差不大的聚合物更容易混合均匀。但是一般在实际应用中 有很多共混物是不相容的，这就需要加入相容剂。 啮合同向双螺杆挤出机具有良好的混炼效果、自洁能力以及产量大能耗低的 优点，它是目前被广泛用于聚合物混合加工的高效连续混合设备。双螺杆挤出机 的挤出过程一般被分为固体输送段、熔融段和熔体输送段。一般认为固体输送段 不发生混合，混合主要发生在熔融区与熔体输送区。 评价一台啮合同向双螺杆挤出机混合性能的好坏，主要看其实现分布混合和 北京化t 大学硕十学位论文 分散混合的能力，也就是在物料加工过程中对物料提供的剪切应变和剪切应力的 能力以及物料在挤出机停留时间分布函数的情况。而这些又与双螺杆挤出机的几 何结构、物料特性和工艺条件( 螺杆转速、物料温度、机头压力) 等因素有关。 1 1 2 啮合同向双螺杆挤出机的研究 随着理论研究的深入和计算机仿真技术的快速发展，利用计算机强大的计算 能力通过建立科学的数学模型和物料模型对啮合同向双螺杆挤出机的挤出过程 进行仿真模拟分析成了研究啮合同向双螺杆挤出机研究中的重要手段之一【引。2 0 世纪9 0 年代初王犁9 】等建立了啮合盘元件的三维等温幂律流动模型，对模拟流 场进行了数值求解，得到速度、压力、剪应力的分布场。s t e l l e r 【1 0 】等通过数值模 拟解析得到了幂律流体在矩形槽中等温流动的精确解。柳和生【。1 2 】等研究了双螺 杆挤出机中聚合物熔体的流动特性，把罚函数有限元法及边界元法引入双螺杆挤 出机内非牛顿非等温三维粘性流场计算中。y a n g 【l3 j 等应用流体力学软件f i d a p 模拟分析了啮合盘中的三维流场，得出了速度、压力和剪切应力的分布，并且在 各流场量的基础上讨论了双螺杆结构参数和工艺条件对熔体流动特性的影响。 l 拥，a l 【1 4 l 等通过求解三维流场的质量、动量守恒方程，应用流体动力学分析了熔 体在单螺杆挤出机和双螺杆挤出机中的混合过程。2 0 世纪9 0 年代中期，g o 胁r t 【”】 等应用s e p r a l l 软件模拟以螺杆挤出机中螺槽啮合区和非啮合区流场为研究对象， 求解出了牛顿流体的压力分布和速度分布。k a i i 、v a r a l l 6 】等提出了啮合同向双螺杆 挤出机熔体输送段三维流场计算的方法。v 趾l l7 j 等建立了捏合块部分的三维流道 模型，并用s e p m 软件对三维模型进行了流场分析。陈志强【1 8 】利用a n s y s 软 件对啮合同向双螺杆挤出机熔体输送段三维组合流道进行了流场模拟分析。 i s k k a w a 【1 9 】等利用有限元方法模拟了啮合同向双螺杆挤出机啮合盘组合流道的 非等温三维流场。近年来，随着计算机模拟仿真性能的不断提高，人们对双螺杆 挤出机的流场模拟也越来越细致，可以更加精确的分析啮合区以及其他窄间隙的 速度场、剪切速率场等【2 睨3 1 。陈合玉【2 4 】尝试构建可以模拟啮合同向双螺杆挤出机 挤出过程的全局模型，通过这种模型能够模拟分析出双螺杆挤出机挤出过程的压 力场、速度场以及剪切应力场等。但是这种全局模型是以各个单元模型为基础的， 所以要使全局模型更加精确，就必须对各个单元模型要进行更加优化的研究分 析。 杨海波【2 5 】对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件和啮合盘元件以及三种螺杆 构型进行了全三维非牛顿等温流场分析，编程计算了物料的三维流动路径并且计 算了物料在流场中的停留时间分布、剪切速率分布以及总剪切应变分布和剪切应 力分布，并且在液滴和粉体的分散模型基础上计算了流道出口的液滴和粉体的直 2 第一章绪论 径分布；分析了转速、压差、流量以及元件几何参数对回流量、停留时间分布、 回流距离分布、剪切速率分布、总剪切应变分布以及剪切应力分布的影响。 d j v a l lz u i l i c h e m 【2 6 】等在实验的基础上分别研究了物料在单螺杆挤出机和双 螺杆挤出机中的混合效果。研究结果表明，物料在混合过程中，停留时间、剪切 速率、物料的粘度及螺杆的几何条件对物料的混合效果有很大影响。 l 琅r a m i l l i 【2 7 】等研究了啮合同向双螺杆挤出机熔体输送段的捏合块流道的 速率分布，通过速率分布计算出了剪切速率分布和流量值。研究结果表明随着螺 杆转速的增加和捏合块厚度的增加，螺杆中回流增大；捏合块的分散混合能力要 大于分布混合能力。 韩亚副2 8 】等研究了啮合同向双螺杆挤出机中单头螺纹元件和双头螺纹元件 的输送和混合特性，通过p o l y n o w 软件进行模拟，分析了物料在螺杆中的剪切 速率分布、最大剪切速率分布、停留时间分布及回流系数，研究得出双头螺纹元 件的剪切速率和回流系数要比单头螺纹元件的高，即双头螺纹元件的分散混合和 分布混合效果都要比单头螺纹元件好。 孔凡涛【2 9 】通过实验研究了双螺杆挤出机挤出过程中计量段物料的混合特征。 他采用两种在线取样的手段，一种是在线取样后将样品压制成薄片，然后对薄片 进行显微电镜照相；一种是对挤出机的在线取料器中的熔融态物料进行摄像。然 后再通过图像灰度的方差和s h 锄o n 熵的概念来表征图像颜色的均匀程度，通过 图像颜色的均匀程度来研究物料的混合质量。他的研究结果表明，在转速为 4 0 2 4 0 r m i i l 范围内，随着螺杆转速的提高，计量段处物料的混合质量呈下降趋 势。 周光大【3 0 】等采用脉冲示踪法对同向双螺杆挤出机中的停留时间演变全过程 进行了研究。研究表明，螺杆各区域的停留时间曲线的波峰宽度沿着螺杆挤出方 向增大，但是波峰高度降低；在含有反向螺纹和捏合块区域这一特征尤为明显。 冯连芳【3 1 3 2 】等利用双探头在线荧光测试装置研究了螺杆转速和加料量对挤出过 程的部分和全局停留时间分布的影响进行了研究，研究结果表明增加螺杆转速或 加料量都能够使停留时间分布曲线向短时间方向移动，加料量对停留时间的分布 曲线影响显著；局部停留时间分布可以直接比较不同元件混合性能。 郑泓【3 3 】等通过计算机模拟了聚苯乙烯在t s e 3 5 a 型啮合同向双螺杆挤出机 的挤出过程，得到不同喂料速率和不同转速下的停留时间分布，并且利用在线荧 光法进行了实验研究，研究结果表明模拟结果与在线荧光法测量的数据相符。通 过模拟结果还预测了喂料速率、螺杆转速等工艺参数对双螺杆内温度、填充率、 压力及粘度等的影响。 胡冬冬【3 4 j 等采用p o l y n o w 软件对啮合同向双螺杆挤出机z s k 6 0 进行模拟， 3 北京化工大学硕十学位论文 采用粒子示踪方法对螺杆中聚合物熔体的动态过程进行可视化模拟，并且对粒子 运动轨迹进行统计处理，得到停留时间分布、分布混合指数、分离尺度等累积混 合指数，这些指数表征了螺杆的轴向混合能力、分布混合性能以及分散混合性能。 研究结果表明，在加料量一定的条件下，提高螺杆转速，平均停留时间略有减小， 但是螺杆的自洁性能明显提高；用分布混合指数衡量分布混合效果时，组合螺杆 的分布混合特性主要取决于加料量、螺杆转速和螺杆构型；用分离尺度衡量分散 混合效果时，提高螺杆转速或者减小体积流量，螺杆中物料的分散混合效果提高。 1 2 啮合同向双螺杆挤出机螺杆构型的研究 啮合同向双螺杆由多种类型和不同数量的螺杆元件有序的组成，整个挤出 过程又分为不同的功能段；不同的物料在挤出过程中对各个功能段的要求不同， 需要与之相应的局部螺杆构型来实现【l l 。螺杆组合是双螺杆挤出工艺制定的关 键，通过改变螺杆构型可以提高物料的混合效率。整根螺杆的组合设计，不仅要 对各种螺杆元件的性能和构造了解得很清楚，还要对各功能段及其相应的局部构 型以及整根螺杆的组合规律有深入的认识与把握【3 5 。3 9 1 。根据不同的物料特性，最 佳的螺杆组合不一定是分散混合最好或者分布混合最好。 在研究螺杆组合对不同共混体系的影响方面，陶巍【4 0 j 等研究了啮合同向双螺 杆挤出机中不同螺杆组合对玻纤增强a s ( a c 巧l o i l i t r i l e s b l ，r e n er e s i n ) 力学性能的 影响，在反复实验研究的基础上发现，对螺杆组合进行调整优化能够提高玻纤增 强材料的剪切应变，控制玻纤长度，改善玻纤的分散效果和分布效果，使得a s 的力学性能大幅提高。李颖【4 l 】等研究了螺杆组合对p p ( p o l y p r o p y l e n e ) 改性的 s e b s ( s t y r e n e e t h y l e n e b u 锣l e n e s t ”e n e ) 弹性体结构性能的影响，该研究通过比较 五种不同螺杆构型对s e b s p p 共混物性能的影响，研究结果发现，增加捏合块、 引入密炼转子以后，加工出的s e b s p p 共混物的拉伸强度、定伸强度、撕裂强 度都有所提高。黄丽容【4 2 】等研究了不同螺杆组合对聚乙烯交联反应挤出的影响， 研究结果表明在使用啮合同向双螺杆挤出机加工交联聚乙烯料时，螺杆组合不仅 仅影响着物料的混合效果，还影响着物料的反应时间和交联料的质量，在实际加 工过程中必须通过重复实验优化螺杆组合。 2 0 0 5 年，a g a u s p 册c u n h 巩j a c o v a s 【4 3 1 提出用多目标进化法学运算法则进行 螺杆构型的优化设计。螺杆构型的优化就是通过改变螺杆元件在螺杆上的位置寻 求最适合聚合加工的最佳组合，其原理如图1 1 所示。 4 第一章绪论 t s s c 列藿铺，c o n 霸g u 憾t l o n c i t y = = ：r o u l e a b 图1 一l 螺杆组合分析 f i g 1 - ls c r e wc o n f i g u r a t i o na n a l y s i s 但是在实际运算过程中要得到最佳组合很复杂而且还耗时间，所以 a g a s p 册c u i l l l a ，j a c o v a s 根据自然进化论的法则提出了进化运算法则，在用进 化运算法则处理以后利用式1 1 通过加权平均求和确定总体最好的结果： 4 f = _ 乃 ( 1 - 1 ) = l 其中e 表示个体元件的适应性，q 表示评判标准的数量，六表示客观的功 能标准，表示加权量，0 5 s 1 ，：一，= 1 。 适应值f 越大说明螺杆组合的混合或者输送性能越好。多目标进化法对于同 向双螺杆挤出机螺杆构型的优化，主要问题在于能够对每一个螺杆元件的各种性 能有一个很好的量化研究。这个问题能够用相似逼近的方法处理。实验结果表明 了这种逼近比传统的尝试法更加简化和便宜。但是这种方法的建模过程仍然需要 改进m 4 引。 从上述的研究可以看出：研究者对螺杆组合的研究大多依赖于经验和实验结 果的优选，对于螺杆组合系统的研究方面比较欠缺，螺杆组合系统研究的主要难 点是螺杆组合的混合或者输送性能的评价指标的研究。 1 3 啮合同向双螺杆挤出机中捏合块混合性能的研究 捏合块作为啮合同向双螺杆挤出机中主要的混合元件，在以前的螺杆组合研 究中前人已经做了很多关于捏合块混合性能的研究，总结出捏合块组合的一些特 性【4 9 5 3 1 。b 、m e l k e b e k e 【5 4 】等研究了捏合块的组合对造粒效率和所造粒子性能 的影响，最终得出通过改变捏合块的角度能够明显的影响产量和粒子的脆性，其 5 北京化工大学硕上学位论文 中9 0 0 的捏合块构型产量最低，脆性下降的结论。研究者李鹏【5 5 j 通过a n s y s 软 件对捏合块元件进行了数值模拟分析，主要研究了捏合块的直径、厚度、错列角 等因素对输送和混合性能的影响。周新慧【5 6 j 通过p o l y n o w 软件对不同错列角的 捏合块对输送和混合性能的影响进行了研究。孙士耐5 7 j 通过p o l y f l o w 软件对不 同厚度的捏合块对输送和混合性能的影响进行了研究，研究结果表明在3 0 0 和6 0 0 时，捏合块元件具有较强的分散混合能力。刘青烽【5 8 】利用p o l y n o w 对六种螺杆 构型进行分析模拟研究，在速度场、压力场的基础上对这几种构型的分布混合能 力和分散混合能力进行分析比较，得到反向啮合盘元件属于阻力元件，分散混合 能力和分布混合能力均高于正向螺纹元件和正向啮合盘元件；正向螺纹元件的分 散混合能力和分布混合能力均弱于啮合盘元件。方辉【5 9 】通过研究不同捏合块组合 对接枝反应的影响得出捏合块中的啮合盘厚度对剪切性能影响不大，1 2 0 0 的混合 性能最好，1 5 0 0 捏合块不利于物料的均一性，9 0 0 捏合块利于物料的均一性，6 0 0 的捏合块的混合效果要比3 0 0 的捏合块差。 1 4 本课题的目的和意义 双螺杆挤出机的应用越来越广泛，但是双螺杆的设计还是针对不同的聚合物 和不同的工艺条件依靠以往的生产设计经验和大量的实验工作对螺杆构型进行 设计。这种设计设计周期长，不确定因素多。针对这一情况国内外研究者对挤出 机中不同角度和不同厚度的捏合块元件的混合性能进行研究，希望在螺杆构型设 计中能够根据混合性能要求灵活选择不同的捏合块。但是目前在捏合块组合设计 中还是在几种有限的捏合块组合中通过实验选取比较好的组合，具有一定的局限 性。本课题的研究中主要针对影响混合效果的几个主要评价混合性能指标进行研 究，在评价指标的指导下，对捏合块不同角度，不同厚度以及不同捏合块组合后 的组合构型混合性能进行分析比较，得到不同角度和厚度的捏合块的混合特性， 建立多个捏合块组合后的混合性能与单个捏合块混合性能之间的关系。研究结果 用于指导在实际螺杆组合中合理设计捏合块的组合以提高混合性能，提高挤出机 性能。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题对啮合同向双螺杆挤出机捏合块组合规律进行研究，主要包括以下几 方面内容： 1 查阅文献，总结捏合块元件几何特点和混合特性