（机械设计及理论专业论文）啮合异向双螺杆混合功能区的研究.pdf

摘要 啮合异向双螺杆混合功能区的研究 摘要 常规啮合异向双螺杆挤出机由于其正位移输送的工作机理，因而具 有挤出产量高、停留时间短、建压能力强等特点，通常用于制品挤出成 型，若用于聚合物改性则需增加混合功能区，在常规螺杆上引入混合元 件以提高其混合性能、拓展其用途。 本研究通过啮合同向和啮合异向双螺杆挤出机中捏合块元件对不 相容体系混合效果的实验对比，完成了啮合异向双螺杆挤出机中混合功 能区的设计。 本文用专业计算流体力学( c f d ) 软件p o l y f l o w ，对混合功能 区螺杆元件的三维等温非牛顿流场进行了数值模拟，得到了各元件流道 的速度场、压力场、剪切应力场等重要场量，通过对这些场量的后处理 得到了回流量、压力分布、进出口压差、加权平均剪切应力、停留时间 分布以及累积最大剪切速率分布等重要参量并由此分析了各元件的混 合特性。 结果表明：与常规螺纹元件相比，其他混合元件具有更好的混合性 能。 本文对混合功能区螺杆元件对不相容体系的混合效果进行了实验 研究。通过对在线取样及机头取样的扫描电镜( s e m ) 照片的分析结果 表q 月：与常规构型相比，增加了混合功能区后的螺杆构型混合性能得到 了很大提高。 关键词：啮合片向舣螺 r 挤出机，混合助能区，螺杆构型 a b s t r a c t s t u d yo nt h em i n gs e c t i o no fi n t e r m e s h i n g c o u n t e l 0 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 ct b e c a u s eo fi t sp o s i t i v ed i s p l a c e m e n tp u m pm e c h a n i s m ，s oe x h i b i tg r e a t y i e l d ，v e r yn a r r o wr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o na n ds t r o n ga b i l i t yt ob u i l d p r e s s u r e ，i n t e r m e s h i n gc o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e ra r em a i n l y u s e d f o re x t r u s i o no fp o l y m e rp r o d u c t s b u tw h e ni t i su s e df o rp o l y m e r m o d i f i c a t i o n ，m i x i n gs e c t i o nm u s tb ee q u i p p e di nt h es c r e wc o n f i g u r a t i o n ， i e a d d i n gm i x i n ge l e m e n t si ns c r e wc o n f i g u r a t i o nt oi m p r o v ei t sm i x i n g c a p a b i l i t ya n de x t e n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l d s i nt h i sr e s e a r c h ，b yc o m p a r i n gt h em i x i n gp e r f o r m a n c eo fk n e a d i n g b l o c k si ni n t e r m e s h i n gc o r a t i n ga n dc o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e r s ， f u l f i l lt h ed e s i g no ft h em i x i n gs e c t i o ni ni n t e r m e s h i n gc o u n t e r - r o t a t i n gt w i n s c r e we x t r u d e r t h et h r e e d i m e n s i o n a li s o t h e r m a lf l o wf i e l d so fs c r e we l e m e n t si n m i x i n gs e c t i o nw e r en u m e r i c a ls i m u l a t e dw i t hp r o f e s s i o n a lc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c sp a c k a g ep o l y f l o w t h r o u g ht h er e s u l t sp o s t p r o c e s s o r , v e l o c i t yp r o f i l e ，p r e s s u r ep r o f i l e ，s h e a r s t r e s s p r o f i l e ，b a c k f l o wr a t e ， r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o na n dc u m u l a t e dm a xs h e a rr a t ed i s t r i b u t i o nw e r e o b t a i n e dt oa n a l y z et h em i x i n ga b i l i t y i i i 北京化工大学硕士学位论文 i ts h o w e dt h a tm i x i n ge l e m e n t sh a dm o r ei n t e n s i v es h e a r ( e x c e p ts e l e m e n t ) 、l a r g e rb a c k f l o wa n dw i d e rr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o nc o m p a r e dt o c o m m o ns c r e we l e m e n tt h u sh a v eb e t t e rm i x i n ga b i l i t y t h em i x i n gp e r f o r m a n c eo fs c r e wc o n f i g u r a t i o n sw i t hm i x i n gs e c t i o n o ni m m i s c i b l eb l e n dw a si n v e s t i g a t e d b ya n a l y s i s i n gt h em o r p h o l o g yo f o n l i n ea n dd i es a m p l e s ，i ts h o w e dt h a ts c r e wc o n f i g u r a t i o nw i t hm i x i n g s e c t i o nh a db e t t e rm i x i n gp e r f o r m a n c et h a nc o m m o ns c r e wc o n f i g u r a t i o n k e y w o r d s ：i n t e r m e s h i n gc o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e r , m i x i n g s e c t i o n ，s c r e wc o n f i g u r a t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：趟 日期2 垂鲤 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化 工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：勤鉴日期：纠! ：笙兰z 导师签名：兰塑墨日期：塑丝：迈 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 高分子材料和金属材料是当今世界上四大材料( 其他两种为硅酸盐材料和复合 材料) 中最重要的两种【1 】。高分子材料主要是指塑料、橡胶、纤维等聚合物。由于 其具有优异的性能、成型工艺相对简单，应用范围极为广泛等诸多优点，使分子材 料自2 0 世纪问世以来发展迅速，早已渗透到国民经济和人们日常生活的方方面面。 但高分子材料本身也有一些缺点，只有对其进行改性才可以提高其性能，满足使用 要求。此外，随着社会的进步，对高分子材料性能的要求也越来越高，通过改性的 方法获得一种新材料比用化工合成的方法开发一种新材料要省时省力，同时更经济 可行，因此、改性又是增加高分子材料种类，拓展其应用领域的主要途缨列。 高分子材料的改性分为物理改性和化学改性两大类。物理改性只涉及物理过程 而没有化学反应，主要有共混、填充和增强。化学改性主要有接枝、嵌段和交联【3 1 。 对聚合物改性而言，混合效果的好坏直接影响着最终制品的性能，而混合设备 的选择及混合过程对混合效果有着至关重要的影响。啮合异向双螺杆挤出机作为一 种重要的聚合物加工设备，在聚合物制品的挤出成型，特别是p v c 制品的成型及混 合方面有着广泛的应用，也有将其用于混合作业的，本章将对这方面的研究情况做 一概述。 1 1 1 啮合异向双螺杆挤出机的发展历史及现状 世界上第一台用于热塑性塑料成型加工的啮合异向双螺杆挤出机是由意大利的 p a s q u c t t i 4 】于1 9 5 0 年研制成功的，然而在此之前类似机型在其他方面已经有所应用。 早在1 8 7 4 年美国的s l w i e g a n d 5 】申请的专利就含有啮合异向双螺杆的泵送机理， 该机当时是用于烘焙片状面团。到了1 9 世纪2 0 年代，双螺杆泵被用于输送润滑油 和石油【6 , 7 1 。j a m e sl w h i t e 【8 】在其著作中对啮合异向双螺杆挤出机的发展历史作了较 为详尽的叙述：1 9 5 1 1 9 5 2 年，a n g e r 兄弟采用n o u v e l l em a p r es a 制造的平行异向 旋转双螺杆挤出机用于橡胶加工，发现这种设备并不适用于p v c 管的制备。1 9 5 5 年，兄弟俩开发成功首台具有三段螺杆、长径比为1 2 ：1 的异向旋转双螺杆挤出机， 这是将p v c 粉料直接加工为管材的首台挤出机。1 9 世纪6 0 年代，德国l e i s t r i t z 公 司和日本制钢公司先后研制成功了混料用的积木式啮合异向双螺杆挤出机。 早期的啮合异向双螺杆挤出机由于技术的限制、主要是在狭小的空间内止推轴 承的布置比较困难，通常采用串联轴承组的方法解决，这难度很大，因此早期的平 行异向双螺杆挤出机直径很大，2 0 世纪3 0 年代末4 0 年代初的异向双螺杆挤出机直 北京化工大学硕士学位论文 径达4 0 0 m r n t 引。 自5 0 年代以来，人们对双螺杆挤出机的啮合原理、物料的塑化理论、传动系统 的结构、物料的温控精度、加工工艺和制品配方等方面的理论研究都有了突破性的 进展，特别是近二十多年来，双螺杆挤出机设计与制造中的一系列问题都得到了解 决，目前串联轴承组的设计制造已不成问题，使其得到了长足的发展【9 】。 目前，啮合异向双螺杆挤出机被广泛应用于p v c 粉料造粒以及管材和型材挤 出。我国双螺杆挤出机的制造及研究都比较滞后，高附加值的设备全部依赖进口， 平行异向双螺杆挤出机在大口径管材( 直径 5 0 0 m m ) 挤出等方面有重要的用途， 是未来我国橡塑设备开发研究的重要方向【1 0 】。 1 1 2 啮合异向双螺杆挤出机挤出过程研究 由于啮合异向双螺杆挤出机的结构比较复杂，同时由于其具有很强的挤出能力， 为保证制品质量，通常采用计量加料，这更是增加了挤出过程研究的难度。因此， 关于啮合异向双螺杆挤出机工作机理的研究文章不是很多。为便于介绍，这里也将 其挤出过程按工作机理分固体输送、熔融、熔体输送和混合四个方面来加以介绍。 一般而言，其工作机理与两螺杆的啮合程度、啮合区螺槽是否封闭有判2 1 。 1 1 2 1 固体输送 迄今为止，关于啮合异向双螺杆挤出机固体输送的研究文章不是很多。其固体 输送与两根螺杆的转动方向( 通常沿挤出方向看去是向外转动) 、加料方式、两根螺 杆的啮合程度以及所加物料的形状、大小等都有关裂2 1 。 通常认为，对于理想的紧密啮合型的啮合异向双螺杆挤出机，物料从加料器落 到两根螺杆上方时，被向外翻转的螺杆分别带入两螺杆的螺槽区，由于是全啮合的， 物料既不能越过一根螺杆的螺棱进入其前方的螺槽，也不能由一根螺杆的螺槽进入 另一根螺杆的螺槽，而是被封闭在被称为c 形小室( 如图l - 2 所示) 的密闭腔室内， 随着螺杆旋转，物料由一个c 形小室沿着轴向进入另一个c 形小室，向前做正位移 输送，其输送机理类似于泵，因而其输送机理也被称为“泵送机理，【2 1 。 前已述及，双螺杆挤出机多采用计量加料，即使在溢流加料的情况下由于固体 物料的疏松性，加料段螺槽也并未完全充满，j a n s s e n 1 1 在研究固体输送时提出了充 满系数和压缩系数的概念。由一个区段到另一个区段充满度是变化的，这样可以实 现更好的熔融或混合。 b e m dp o l t e r s d r o f 和c a t h e rf i e d l e i l l 2 】提出了基于摩擦机理的固体输送理论，同样 也给出了充满度、压缩，并讨论了压力的建立以及固体输送量、能耗等的数学关系 2 第一章绪论 式，为固体输送段的设计提供了参考。国内也有人对其固体输送机理作过研究，耿 孝正教授及其研究生利用全透明机筒对不同加料方式、不同螺杆转速条件下的固体 输送现象进行了实验研究，将输送区分为两个区，即螺槽区和间隙区，并推导出螺 槽区的建压方程，同时还讨论了螺槽区物料的压缩。通过大量实验，导出固体输送 量的计算式【2 1 。 1 1 2 2 熔融 到目前为止，关于啮合异向双螺杆挤出机熔融机理方面的研究论文非常少，查 到的文献不足l o 篇。j a n s s e n 1 1 】采用剖分机筒，对等深等距螺纹元件中p p 粉料的熔 融现象进行了实验研究，得到了宏观的熔融过程和单个c 形小室的熔融过程，结果 表明其熔融过程不同于单螺杆挤出机。啮合异向双螺杆挤出机的熔融过程中占支配 地位的热量来自于各间隙中的剪切热，而众所周知，单螺杆挤出机中的熔融机理为 强制熔体移走的传导熔融【l 】。j a n s s e n 1 1 】的研究表明啮合异向双螺杆挤出机中的熔融 过程基本如下：物料首先被热机筒加热，随着温度的升高，聚合物和螺杆表面之间 的摩擦因数增大，当增大到一定程度时物料就被“拉到各间隙中。在间隙中，粒 子被“研磨，产生塑性变形，使机械能高度耗散，产生的热量把物料快速熔融。通 过这些间隙后、已成熔体的物料会随着螺杆旋转。由于拖曳力的作用，其他残留固 体也被熔体带入啮合区。这一耗散混合的熔融机理使啮合异向双螺杆挤出机的熔融 过程极为短暂，比单螺杆挤出机要短得多，只经过几个腔室便完成熔融。 j a n s s 钮t n 】对啮合异向双螺杆挤出机中口模阻力对物料的熔融过程进行了实验 研究。在低阻力口模( o 3 5 御a ) 下，完全充满熔体的腔室不会向熔融段移动。熔 融在热机筒表面开始，与单螺杆挤出机相反，熔体汇集在螺纹推力面后面，热传导 起到很大作用。而在高阻力口模( 1 8 2 m p a ) 下完全充满熔体段后移到熔融段，这 样物料尚未完全熔融就已经建立起了压力，形成固体床。熔融不是在固体床表面开 始，而是在固体和熔体的界面开始，出现的熔体来源于通过螺纹顶部间隙的漏流。 耿孝正教授及其研究生【b 】用安装有透明视窗的机筒对正、反向螺纹元件及齿形 盘元件中p p 粉料的熔融过程进行了动态可视化实验研究，他们研究了加料量及螺 杆转速对熔融过程的影响。结果表明啮合异向双螺杆挤出机中物料的熔融与螺杆元 件的类型及螺杆转速有关： 在低转速下，螺纹元件中上下啮合区物料的熔融过程和机理相差很大。熔融 主要发生在下啮合区，熔融热源主要是机筒的热传导，在压延间隙中主要是由于摩 擦能耗散、塑性变形能耗散及粘性耗散造成的耗散混合熔融，也有一定的热传导。 在齿形盘元件中上下啮合区的熔融过程基本相同，熔融机理主要是耗散混合 熔融； 北京化工大学硕士学位论文 两螺杆间的压延间隙、侧间隙对物料的熔融起到了很大作用，间隙中物料的 耗散混合熔融对熔融过程起很大的作用，间隙中的漏流促进了物料的交换与熔融。 异向双螺杆挤出机中的熔融机理有两种：固体床髂膜榕池的熔融机理与 耗散混合熔融机理。 在双螺杆挤出过程的理论研究方面，建立量化的理论模型是一个难点，而这对 双螺杆挤出机的设计和使用都非常重要。k r z y s z t o fw i l c z y n s k i 及j a m e sl w h i t e 【1 4 j 采用停机骤冷机筒、并抽出螺杆的方法研究了啮合异向双螺杆挤出机中p p 粒料的 熔融过程并建立了数学模型。他们发现在输送区域物料主要集中在下半机筒螺杆推 力面，熔融过程基本上跟上述j a n s s e n 的研究结果相似。同时观察到沿挤出方向长 度不断减小的某种类型的固体床的存在。他们将熔融区域分割为c 形小室和压延间 隙两个区域，并分别建立了各自区域内物料的熔融模型。该模型假定物料形成规则 的固体床并以近似c 形小室的形状向前输送，同时也被“拉”入到压延间隙中。由 于摩擦力的作用在间隙区首先开始熔融，同时在热机筒表面也开始熔融，并在固体 床和机筒之间形成熔体层。他们研究了螺杆转速和质量流率对熔融过程的影响，用 熔融长度( 物料完全熔融所需要的螺杆的长度) 来表征熔融效率。实验表明：随着 质量流率的增加，固体床形成的时间提前因而熔融开始得较早。c 形小室充满度越 大则熔融时间越长。随着螺杆转速的提高，固体床形成的时间延迟，熔融开始时间 延迟，由于c 形小室的充满度降低因而固体床长度变短，同时由于粘性耗散增加故 而熔融长度变短。分析结果表明间隙中的熔融比较重要，而且这种重要性随着螺杆 转速的增加和质量流率的减小而增大；在熔融终了阶段，c 形小室中的熔融比较重 要。数学模型是相当复杂的，这样复杂的模型只能用数值解法。将模拟计算结果跟 实验结果相比较，对熔融长度的计算结果与实验结果之间的误差为2 5 。 1 1 2 3 熔体输送 与关于固体输送和熔融方面的研究相比，关于熔体输送方面的研究文章比较多。 这主要是由于该段更能反应其挤出特性，对制品质量的影响更为直接。同时由于有 流体力学、流变学的相关知识作为基础，随着科技的进步，各种计算方法的应用及 相关软件被开发出来，这为我们研究熔体输送段的螺杆特性提供了方便。熔体输送 的模型主要有正位移泵模型、板框模型和真实的三维流道模型。 4 第一章绪论 图1 - 1 正位移泵模型 f i g 1 - 1p o s i t i v ep u m pm o d e l y 图1 - 2c 形小室 f i g 1 - 2cs h a p e dr o o m 图l - 3 板框模型 f i g 1 - 3f r a m em o d e l 对于紧密啮合不考虑漏流的啮合异向双螺杆挤出机，如图1 - 1 所示。其输送机 理类似于双螺杆泵，c h r i sj r a u w e n d a a l ”】在其著作中介绍了s c h e n k e l 和d o b o c z k y 等人的研究成果。s c h e r t k e l 给出了理论最大挤出量的公式： = 2 p w ( 1 - 1 ) 式中：p 平行螺棱数目； 一螺杆转速； y 一单个c 形小室的体积。 由于实际生产中的机器都经过修正，因而存在着漏流，d o b o c z k y 和k l e n k 提出 了基于经验数据的修正系数，使预测挤出量跟实际挤出量尽可能一致。正位移泵模 型尽管简单，但较能从宏观上反映啮合异向双螺杆挤出机的输送机理。j a n s s e n 1 对啮合异向双螺杆挤出机熔体输送段压延间隙、侧间隙、四面体间隙和螺杆机筒间 的间隙等四个间隙的漏流作了理论研究并给出了解析解。根据他的理论模型并带入 相关参数，就可以得到各几何参数对挤出机工作过程的影响。 在啮合异向双螺杆挤出机的挤出过程中，c 形小室的作用比较突出。因此有人 将c 形小室作为独立的研究对象来考察其内部的熔体流动特征并认为各个c 形小室 中物料的流动情况相同，在计算时却以平行平板理论为依据分别求出沿螺槽方向和 螺槽横向的速度和压力分布情况，如图1 3 所示，该模型又被称为“板框模型 1 1 6 1 。 柳和生等人【限1 9 】也用该模型对啮合异向双螺杆挤出机c 形小室中的熔体流动行为进 行了一系列模拟分析，在模型中还增加了能量方程，通过数值计算得到了c 形小室 中的速度及温度分布；通过对方程进行简化得到了速度的近似解析解并对表征熔体 输送段工作特性的轴向力、扭矩和比功耗等与螺杆几何参数及螺杆转速的关系进行 了分析，其中的规律性关系可对啮合异向旋转双螺杆的设计和操作提供借鉴。 k i m 2 0 】提出了同样用于求解c 形小室内部物料流动的带有三个解析解的模型。 与板框模型不同，该模型认为螺槽中存在三个方向的速度，三个方向的速度中沿螺 槽方向是充分发展的，同时各个方向的压力梯度为常数，他们用该模型求出了螺槽 区三个方向的速度和压力的解析表达式。 北京化工大学硕士学位论文 桑瑞菊【2 l 】建立了啮合异向双螺杆挤出机熔体输送段与其他三个间隙相联系的c 形小室模型，该模型是一种比较接近实际的理论模型。她用自己建立的模型对啮合 异向双螺杆挤出机中牛顿稳定层流流体的流场进行了数值计算。具体在螺槽横截面 上用二维有限元，在与横截面垂直的方向上用差分迭代；在引入边界条件，建立有 限元方程之后，还要对流量、黏度进行迭代。计算结果表明该模型较之前的其他模 型更为精确。 啮合异向双螺杆挤出机由于其流场非常复杂，方程只能用数值的方法进行求解， 这是非常费时费力的。随着计算机技术的发展，相关的软件被开发出来，建立与实 际流场接近的模型也比较容易，这使我们对熔体输送段螺杆元件的工作机理能够进 行更为深入的研究，这些软件主要有a n s y s 、f l u e n t 等，用于聚合物成型加工 的专业软件p o l y f l o w 也被开发了出来。目前对啮合异向双螺杆挤出机熔体输送 段流场的模拟多采用稳态等温非牛顿流场。周甫萍2 2 1 、李金拶2 3 1 、马秀清2 4 1 、施丰 2 5 , 2 6 1 等人用a n s y s 软件对啮合异向双螺杆挤出机中常规双头螺纹元件的流场进行 了数值模拟，对压力场、黏度场、速度场和剪切速率场进行了分析。所建模型包括 四个间隙比较接近实际模型但为了建立有限元模型对螺杆端面形状进行了部分简 化。何敏【2 7 】用p o l y f l o w 软件对啮合异向双螺杆挤出机中常规双头和三头螺纹元 件的流场进行了模拟分析，结果表明双头螺纹元件建压能力要大于三头螺纹元件。 1 1 2 4 混合 目前国内外主流的混合设备是啮合同向双螺杆挤出机，对其工作机理的研究特 别是混合性能方面的研究文章很多，对其混合特性的认识也日益深入。而对啮合异 向双螺杆挤出机混合性能的研究文章数量远远不及啮合同向双螺杆挤出机。 ( 1 ) 啮合异向双螺杆挤出机的混合特性分析 对于按照啮合原理设计的纵横向皆封闭( 不考虑由于加工误差所造成的间隙) 的啮合异向双螺杆挤出机，一根螺杆的螺槽被伸入其中的另一根螺杆的螺棱阻断形 成若干个相互独立的c 形小室。物料被封闭在各个c 形小室内，以正位移机理向前 输送，各个c 形小室之间没有物料交换，停留时间短因而混合效果不佳。当然实际 生产中使用的螺杆都经过修正，因而存在各种间隙。间隙的存在使物料的漏流增加， 这虽然降低了正位移输送的能力，但增加了混合效果。通常这些间隙都特别小，因 此混合能力非常有限。当然也有将这种机器用于混料的，主要是用于p v c 粉料的混 合造粒。 传统的啮合异向挤出机混合能力受限的另一因素是由于在物料会被“拉入压 延间隙，这将导致螺杆被压向机简，加大磨损，并且这种磨损随着螺杆转速的增加 而增大，因而转速不能太高。 6 第一章绪论 当然，传统的啮合异向双螺杆挤出机的混合性能较单螺杆挤出机要好。j a g d i s h c m a h e s h r i 等人【2 8 】研究了没有漏流的情况下单个c 形小室中牛顿流体的流动行为，仿 照单螺杆的理论研究了c 形小室中物料的流动情况。认为在螺槽横向存在环流，同 时在沿着螺槽的方向也有环流，由于这两个方向的环流的相互作用，所有的粒子经 历的剪切都接近最大剪切，各个粒子经历的总应变几乎相同，混合比单螺杆挤出机 要好。c h r i sj r a u w e n d a a l 2 9 】对比研究了啮合同向和啮合异向双螺杆挤出机的混合特 性，发现啮合异向双螺杆挤出机停留时间分布窄但分散混合能力强，啮合同向双螺 杆挤出机分布混合能力强。认为啮合同向双螺杆挤出机适合共混作业而啮合异向双 螺杆挤出机适合固体物料在聚合物中的填充。这种传统的啮合异向双螺杆挤出机至 今在色母料制备等方面有着广泛的用途，但用于聚合物混合改性时其混合效果远不 如同向双螺杆挤出机。 ( 2 ) 提高啮合异向双螺杆挤出机的混合能力的方法 欧美对啮合异向双螺杆挤出机的研究较早，对其用途也进行了大量开创性的研 究。d a v i db t o d d 3 0 】介绍了w c t h i e l e 发明的新型混料用积木式啮合异向双螺杆 挤出机，为了解决转速增加后螺杆机筒的磨损问题，他们将螺杆设计成部分啮合的， 这样虽然降低了生产能力，但提高了混合性能。若设计得当，生产能力不会下降太 多而磨损却大大降低，使转速的提高成为可能。机型中还引入了叶片、齿等新型混 合元件。 国外开发的用于提高啮合异向双螺杆挤出机混合性能的新型混合元件主要有柱 状元件、齿形盘元件、开槽螺纹元件以及转子型元伴2 8 】。 w c t h i e l e 认为，要提高啮合异向双螺杆挤出机的混合性能，关键是要“让主 要的混合作用从啮合区转移到元件与机筒内壁之间，要发挥凸棱的混合作用 3 0 1 ， 就像密炼机、同向双螺杆挤出机一样，让混合作用主要发生在混合元件的侧壁与机 筒之间，而不是靠压延间隙。而常规螺纹元件由于螺杆与机筒之间的间隙保持不变， 剪切作用小，混合能力自然不强，因而开发新型的混合元件是提高啮合异向双螺杆 挤出机混合能力的主要措施。 r a m e s hp o t l u r i 等人【3 l 】研究了啮合异向双螺杆挤出机中机筒温度、螺杆转速、 物料黏度比等对高密度聚乙烯( h d p e ) 和聚苯乙烯( p s ) 混合效果的影响，证明 混合过程中存在着聚集现象。j a m e sl w h i t e 等人【8 】研究了l e i s t r i t z 公司g g 型啮合 异向双螺杆挤出机不同螺杆构型对聚酰胺6 ( p a 6 ) 和聚乙烯( p e ) 的混合效果， 结果表明：所有元件均开放的螺杆构型下分散相的重均粒径要比所有元件均封闭的 螺杆构型下的变化快且最终相态尺寸小，而增加一个k i e s s k a l t 元件( 因k i e s s k a l t 设计的啮合泵而得名，实为螺槽宽度渐变的螺纹元件) 后分散相的相态变化更快， 粒径更小。k e u n g j i ns h o n 等人【3 2 】对常用的四种连续混合设备：啮合同向和啮合异向 双螺杆挤出机、b u s s 捏合机以及连续混炼机中不同混合强度的螺杆构型对p a 6 在聚 7 北京化工大学硕士学位论文 丙烯( p p ) 中的混合效果进行了实验研究，结果表明带有混合元件的啮合异向双螺 杆挤出机下机头试样中p a 6 的重均粒径最小。他们建立了混合过程中基于斯托克斯 方程的颗粒破碎和积聚的动力学方程： 等咄d 吨争( 1 - 2 ) 式中：d 一颗粒直径； 一破碎率常数； 屯一积聚率常数。 各种螺杆元件的破碎率常数的计算结果表明：啮合异向双螺杆挤出机中的混合 元件具有更大的破碎率常数，其值要大于啮合同向双螺杆挤出机中的捏合块元件， 他们将计算结果与之前研究碳酸钙在聚合物熔体中分散时的破碎率常数对比，数值 不同但规律一样，猜想这可能是啮合异向双螺杆挤出机中压延间隙的作用。k e u n g j i n s h o n 等人【3 3 】还对b u s s 机、啮合同向和啮合异向双螺杆挤出机中剪切强度不同的螺 杆构型对玻纤增强热塑性塑料的效果进行了实验研究，结果表明：b u s s 机下的产物 中玻纤长度最长，而增加混合元件后的啮合异向双螺杆挤出机下的最终产物中玻纤 长度最短。由此可知，每种混合设备有其特定的优点和用途。 国内也有人为提高啮合异向双螺杆挤出机的混合能力作了一些研究，设计了一 些新型的混合元件并对其混合性能进行了理论分析和实验研究。周甫萍【l8 j 设计了波 状螺杆元件和齿轮型元件并用a n s y s 软件对其混合性能作了模拟分析并进行了实 验研究，结果表明这两种元件的混合性能都要优于常规螺纹元件；施丰【2 l j 设计了一 种楔形推力面非常规螺纹元件，用a n s y s 软件对其流场进行了模拟分析并对其挤 出特性进行了实验研究；罗列3 4 】设计了一些新型的变间隙转子元件( v c r ) ，包括 同向啮合型转子和异向非啮合转子，用a n s y s 软件对这两种转子型元件的熔体输 送特性和混合特性进行了模拟分析，并对同向啮合型转子进行了实验研究。何敏【2 7 】 用p o l y f l o w 软件对同向啮合型转子在啮合异向双螺杆挤出机中的混合性能作了 模拟分析，并将其混合性能与常规双头和三头螺纹元件进行了对比分析，结果表明 该元件的分散混合能力不及常规双头和三头螺纹元件，但分布混合能力要比常规元 件强，通过常规三头螺纹元件与v c r 元件在制备p p 阻燃电缆预混料的实验表明 v c r 元件下的产物中拉伸强度要大于常规元件下的值。同时他还对啮合异向双螺杆 挤出机中销钉元件的混合效果进行了模拟分析；马秀清 2 4 , 3 5 3 6 1 提出了轴向循环理论 并将其用于啮合异向双螺杆挤出机中，在啮合异向双螺杆上引入轴向循环段( 非啮 合捏合盘元件和非啮合的螺纹元件) ，这样两螺杆上的螺杆元件的旋向可以相同，形 成局部循环流动。理论分析和实验研究都表明，增加轴向循环段可以提高啮合异向 双螺杆挤出机的分布混合能力。苗一【3 7 1 及刘峰【3 8 】等人用a n s y s 软件对啮合异向挤 出机中齿型件( 类似于齿轮，不同于齿形盘) 的工作机理进行了模拟分析，结果表 第一章绪论 明该元件具有较强的分流及回流，因而分布混合能力较强，但分散混合能力不强。 1 2 本课题研究的意义、目标及主要内容 1 2 1 本课题的研究的目的和意义 前已述及，啮合异向双螺杆挤出机具有塑化效率高，挤出能力强等诸多优点， 因而主要用于成型制品，特别是p v c 制品的挤出成型，也用于p v c 粉料的混合造 粒。因而若能提高其混合性能，便可以在一台机器上实现混合与成型，对聚合物工 业意义重大。本课题通过在常规啮合异向双螺杆上布置混合功能区，提高其混合性 能以拓展其用途。 1 2 2 本课题研究的主要内容 本课题的主要研究内容为在常规啮合异向双螺杆设置混合功能区，在混合功能 区布置一些混合元件，特别是分散混合型元件，这些元件包括：跟啮合异向双螺杆 挤出机具有相同螺杆外径和中心距的啮合同向双螺杆挤出机中用的捏合块元件、s 型元件、v c r 元件、齿形盘元件以及非啮合捏合块元件( 分旋向相同和旋向相反宰) 。 根据双螺杆几何学，这些元件可以用于啮合异向双螺杆挤出机中。通过对部分元件 的流场进行模拟以分析其混合特性，再将这些元件置于熔融段或熔体输送段以研究 其混合性能。具体主要包括以下两个部分： ( 1 ) 模拟部分 。 运用专业c f d 软件p o l y f l o w ，对实验中将要用到的部分螺杆元件的流场进 行模拟以分析其混合特性。模拟部分的螺杆元件包括：导程为3 0 m m 的常规双头螺 纹元件：单片捏合盘厚度为7 5 m m ，错列角分别为3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 、9 0 0 和1 2 0 0 的捏 合块元件：错列角为9 0 0 ，单片捏合盘厚度分别为7 5 m m 、1 5 m m 、2 2 5 m m 和3 0 m m 的捏合块元件( 包括不同错列角的捏合块中单片捏合盘厚度为7 5 r a m ，错列角为9 0 0 的捏合块元件) ；s 型元件；齿形盘元件。 ( 2 ) 实验部分 通过实验研究混合功能区螺杆元件对h d p e p s 不相容体系混合效果的影响进 一步分析各元件的混合性能。通过分析h d p e p s 共混物在线和机头试样的扫描电镜 ( s e m ) 照片，观察相态并计算分散相p s 的粒径，分析比较各种混合元件的混合 性能。实验中用到的螺杆元件包括：常规螺纹元件；厚度为7 5 m m ，错列角分别为 3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 、9 0 0 和1 2 0 0 的捏合块元件；错列角为9 0 0 ，捏合盘厚度分别为7 s m m ， 1 5 m m 、2 2 5 m m 以及3 0 m m 的捏合块元件( 包括不同错列角的捏合块中单片捏合盘 厚度为7 5 r a m ，错列角为9 0 0 的捏合块元件) ；s 型元件；v c r 元件；齿形盘元件 9 n 束化j ￥m 1 位论 ( t m e ) ；错列角为6 0 。的非啮合旋向相i 刮的捏合块元件；错列角为6 0 。的非啮合旋 向卡反的捏合块元什。 沣+ 关十i i zj l i 台挫台盘f 块) 的随 ： l 剥1 4 驯为非啮合捏台盘。其馘m 肜状如( a ) i 玎吓，党似f 常规捏台盘，而韭顾径即为蝶 仟中心蹦。由于址二批啮合的，战阿根螺杆小存在t 涉问题，而止z ，蝶朴 ：挫合块的锚列角方 向可咀相同，自i i 剥( b ) 所不，川为止旋6 0 。，【州此ir 螺杆向n u 输逆， 蝶杆向后输送，形成埘 部循珥流动。也可以如h1 2 ( c ) 所小，圈中捍台块错划前的方向f h 常规蝶纹元件的帻向相列， 钳制f n 山6 f l c 两柙螋杆同i i f m 丽蝓送- 薹 e 兰 ( a ) 非啮合捏合盘( b ) 1 e l l 【i i 台旋向相c d( c ) m 啮台旋自州反 a ) n o ni m e n n e s h i n gk n e a d i n gd i s c ( b ) d i s c ss t a g g e r e da t t h es a m eo d e n t a t i o n ( c ) d i s c ss t a g g e r e da t m v e n eo r i e n t a t i o n 图l i p 啪合捏块 f i g l n o n i n t e r m e s g i a g e n e a d i a gb l o c k s 第二章混合功能区的设计 第二章混合功能区的设计 本章将根据相对运动原理对捏合块元件在啮合同向和啮合异向双螺杆挤出机中 的相对运动作一对比，同时对捏合块元件分别置于两种机型中的熔融段与熔体输送 段时对h d p e p s 不相容体系混合效果进行实验研究以比较其在两种机型中的混合 效果。通过实验结果及参考其他资料完成了啮合异向双螺杆中混合功能区的设计。 2 1 双螺杆挤出机中螺杆端面的相对运动原理 根据相对运动原理，啮合同向双螺杆两螺杆间的相对运动为一根螺杆( 称之为 动螺杆) 绕另一根螺杆( 称之为静螺杆) 的圆平动【3 9 1 ，图2 1 所示为根据相对运动 原理设计的啮合同向双螺杆挤出机中双头捏合盘元件的端面相对运动图。 图2 1 啮合同向双螺杆捏合盘元件相对运动图 f i g 2 - 1r e l a t i v em o t i o no fk n e a d i n gd i s ci ni n t e r m e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i n r e we x t r u d e r 从相对运动原理看，啮合异向双螺杆和啮合同向双螺杆是不同的，前者动螺杆 绕静螺杆作相对纯滚动。图2 3 所示为将啮合同向双螺杆挤出机中的捏合盘元件用 于啮合异向双螺杆挤出机中时端面相对运动图。 图2 - 2 捏合盘元件在啮合异向双螺杆挤出机中的相对运动图 f i g 2 - 2r e l a t i v em o t i o no f k n e a d i n gd i s ci ni n t e r m e s h i n gc o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c 他we x t r u d e r 北京化工大学硕十学位论文 为了更清楚地分析两种机型中螺杆转过不同角度时捏合盘与机筒间的间隙变化 情况，对两种机型中螺杆转过不同角度时螺杆机简的位置作一对比，如图2 3 所示。 k 。5 0 1 3 0 0 全 渐 、 r 澎飞，1 瓜夕犍 队 y =乡 ( a ) 同向 ( a ) c o - r o t a t i n g 礓一蚴异向 c o u n t e r - r o t a t i n g 图2 - 3 同向和异向双螺杆挤出机中螺杆转过不同角度时捏合盘与机筒间的间隙变化情况 f i g 2 - 3c h a n g eo fc l e a r a n c eb e t w e e ns c r 钒a n db a r r e lw h e ns c r e wa td i f f e r e n tc i r c u m f e r e n t i a l p o s i t i o ni nc o - r o t a t i n ga n dc o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e r s 从图2 3 可以看出，在螺杆转动过程中，啮合异向双螺杆挤出机中捏合盘元件 与机筒间的间隙变化更大，因而物料的流动更为复杂，能产生更好的混合效果。下 面将捏合块元件分别置于啮合同向和啮合异向双螺杆挤出中，通过实验研究这两种 机型中捏合块元件对不相容体系的混合效果。 2 2 啮合同向和啮合异向双螺杆挤出机中捏合块元件混合性能的实验研究 2 2 1 机筒螺杆组合 由于之前本研究小组【删已经对啮合同向双螺杆挤出机中不同错列角的捏合块 1 2 第二章混合功能区的设计 元件置于熔融段和熔体输送段时对h d p e p s 不相容体系的混合效果作过研究，故下 面将只对错列角为6 0 0 、9 0 0 和1 2 0 0 的捏合块元件置于啮合异向双螺杆挤出机的熔融 段和熔体输送段时对h d p e p s 不相容体系的混合效果进行实验研究，图2 4 ( a ) 、 ( b ) 分别为将捏合块元件置于啮合异向双螺杆挤出机的熔融段与熔体输送段时螺杆 机筒的组合方案，图中置换段的捏合块元件错列角为9 0 0 、捏合盘厚度为7 5 r a m 、 总长度为1 2 0 m m 。图2 5 ( a ) 、( b ) 分别为周新裂删所做的将捏合块元件置于啮合 同向双螺杆挤出机的熔融段和熔体输送段时螺杆机筒的组合方案。两种机型中置换 段的螺杆元件如表2 1 所示。在两种机型中捏合块的排列方式不同( 9 0 0 的中性捏合 块除外) ，对于6 0 0 的正向捏合块，在同向挤出机中错列角的方向与同向中常规正向 螺纹元件的旋向相同，两根螺杆上都为右旋6 0 0 。对于1 2 0 0 的反向捏合块，在同向 挤出机中错列角的方向与同向中常规正向螺纹元件的旋向相反，两根螺杆上都为左 旋6 0 0 。在异向双螺杆挤出机中，螺杆旋向必须正确，对于向外旋转( 沿挤出方向 看) 的啮合异向双螺杆挤出机，左螺杆右旋、右螺杆左旋。啮合块的旋向要跟螺纹 元件的旋向相对应，对于6 0 0 的捏合块，捏合块的错列角方向在左螺杆中为右旋6 0 0 而在右螺杆中为左旋6 0 0 。1 2 0 0 的捏合块与6 0 0 的正好相反，在左螺杆中为左旋6 0 0 而在右螺杆为右旋6 0 0 。 醋髻 2 费! 盆 蓁蓁 囊 塞霎 囊 萋蓁蓁 钝 ( a ) 置换元件位于熔融段 r e p l a c e a b l ee l e m e n t sa tm e l t i n gs e c t i o n 篱垂萋 囊重蓁| | | | 薹 蓁| |蓁 砬 胡 ( b ) 置换元件位于熔体输送段 ( b ) r e p l a c e a b l ee l e m e n t sa tm e l tc o n v e y