（机械设计及理论专业论文）啮合异向双螺杆挤出机熔体段混合元件性能的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h l l 学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 8 1 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 作者姓名何敏学号 2 0 0 4 0 0 0 3 8 1 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 非金属材料成型理论与 课题来源北京市自然科学基金研究方向 设备设计 论文题目啮合异向双螺杆挤出机熔体输送段混合元件性能的研究 啮合异向双螺杆挤出机，销钉，粒子示踪法，分散混合，停留时间分 关键词 布 论文答辩日期 2 0 0 7 5 3 1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塑料机械 评阅人1盲评 评阅人2耿孝正教授北京化工大学 塑料机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员纵郭英教授北京服装学院化纤机械 答辩委员1耿孝正教授北京化工大学塑料机械 答辩委员2郭英教授北京服装学院化纤机械 答辩委员3曹志清教授北京化工大学塑料机械 答辩委员4 答辩委员5 冱：一 四 论文类型：1 基础研究 2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( ( 中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t13 7 4 5 - 9 ) ( ( 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 啮合异向双螺杆挤出机熔体输送段混合元件性能的研究 摘要 啮合异向双螺杆挤出机具有物料强制输送、物料停留时间窄、自 洁性好、物料受剪切作用小等特点，由于人们对其混合理论的研究的 欠缺，使其在物料混合方面的应用受到限制。因此，为提高异向双螺 杆挤出机的混合能力可以引入新型混合元件，以让异向双螺杆挤出机 得到更广泛的应用。 本文第一部分是在熔体输送段的机筒上引入销钉，通过对常规螺 纹元件和在机筒上引入不同个数、不同排数和不同间距的销钉后的元 件流道进行三维等温流场的模拟与分析。通过粒子示踪法对流场的动 态模拟计算及其统计学后处理，得到了停留时间分布和最大剪切速率 分布等与混合元件混合能力有关的统计学结果。结果表明：在机筒上 引入销钉后的元件比常规螺纹元件有更好的分布和分散混合能力。 第二部分则是在熔体输送段引入v c r 元件，通过对常规双头螺纹 元件、三头元件和v c r 元件流道进行三维等温流场的模拟与分析。通 过对流场流动状态的模拟计算，得到了与分散混合及输送能力相关的 剪切速率场和压力场；通过粒子示踪法对流场的动态模拟计算及其统 计学后处理，得到了停留时间分布和最大剪切速率分布等与混合元件 混合能力有关的统计学结果。模拟结果表明：常规双头螺纹元件分散 混合能力最强，常规三头螺纹元件次之，v c r 元件最弱；而v c r 元4 ；牛 分布混合能力最强，常规三头螺纹元件次之，常规双头螺纹元件最弱。 通过对第二部分的实验研究表明：实验所得混合元件的分布和分 摘要 s t u d yo np r o p e r t le so fmlxin ge l e m e n t sinm e l t c o n v e yin gz o n eo fln t e r m e s h ln gc o u n t e r r o t a tin gt win s c r e we x t r u d e r a b s t r a c t s o m ep r o p e r t i e s ，s u c ha sf o r c e dt r a n s p o r t a t i o n ，n a r r o wr e s i d e n c e t i m ed i s t r i b u t i o n ，g o o ds e l f - c l e a n i n ga n ds m a l ls h e a rf o r c ee t c ，w e r e b e h a v e di 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 r e we x t r u d e r b e c a u s e p e o p l eh a dl e s ss t u d yo n i t sm i x i n gt h e o r y , i t sa p p l i c a t i o n sw e r el i m i t e di n n a r r o w r a n g e i nt h ei n d u s t r y t o i m p r o v em i x i n gc a p a b i l i t i e s o f 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 n da p p l i e dl i m i t ， s o m en e wk i n d so fm i x i n ge l e m e n t sw e r ei n t r o d u c e d p i n - b a r r e le l e m e n tw a si n t r o d u c e di 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 g t w i ns c r e we x t r u d e ri nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r t h e3dn e w t o n i a n i s o t h e r m a lf l o w o f n o r m a ls c r e we l e m e n ta n dp i n b a r r e l e l e m e n t i n c l u d i n gp i n so f d i f f e r e n tn u m b e r s ，r o w s ，s p a c eb e t w e e nt w op i n so nt h e b a r r e lw a ss i m u l a t e d w i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd y n a m i cf l o w f i e l d sb yp a r t i c l e t r a c k i n ga n a l y z em e t h o d a n ds t a t i s t i c a l a n a l y s e s ， r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o na n d m a xs h e a rr a t ed i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t s 。fn u m e r i c a l a n a l y s e ss h o w e d t h a t i n t e r m e s h i n g c 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 rw i t h p i n b a r r e lp r o v i d e sb e 骶r d i s m u t i v ea n dd i s p e r s i v e m i x i n gt h a ni n t e r m e s h i n g c o u n t e r - r o t a r i n g t w i ns c r e we x t r u d e rw i t h o u t p i n v c re l e m e n tw a s i n t r o d u c e di n m e l t i n gt r a n s p o r tz o n eo f i n t e r n l 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 ri nt h es e c 。n dp a no f t h i sp a p e r t h e3d n e w t o n i a ni s o t h e r m a lf l o wo fn o 瑚a 1d o u b l e t h r e a d s c r e we l e m e n t ，n o r m a l t r i p l es c r e we l e m e n ta n dv c re l e m e n tw a s s i m u l a t e d w i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd y n a m i cf l o w f i e l d sb v p a r t i c l et r a c k i n ga n a l y z em e t h o da n ds t a t i s t i c a la n a l y s e s ，r e s i d e n c et i m e d i s t r i b u t i o na n dm a xs h e a rr a t ed i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t so f n u m e r i c a la n a l y s e ss h o w e dt h a t n o r m a ld o u b l e t h r e a ds c r e w e l e m e n th a s t h eb e s td i s p e r s i v em i x i n ge f f e c ta n d n o r m a lt r i p l es c r e we l e m e n tt a k et h e s e c o n dp l a c e ，v c re l e m e n ti st h ew e a k e s ta m o n g t h e s em i x i n ge l e m e n t s t h en u m e r i c a la n a l y s e sa l s os h o w e dt h a tv c r e l e m e n th a st h eb e s t d i s t r i b u t em i x i n ge f f e c ta n dn o r m a ld o u b l e t h r e a ds c r e w e l e m e n tt a k et h e s e c o n dp l a c e ，n o r m a ld o u b l e - t h r e a ds c r e we l e m e n ti st h ew e a k e s t a m o n g t h e m t h er e s u i t so ft h e e x p e r i m e n t so ft h es e c o n dp a r to ft h e p a p e r s h o w e dt h a tt h ec o m p a r i s o no f t h em i x i n ge l e m e n t si sc o n s i s t e n tw i t ht h e n u m e r i c a la n a l y s e s t h i sr e s u l ta l s om e a nt h a tt h e n u m e r i c a la n a l y z e i v m e t h o d sc a nb ea p p l i e do nt h ep r o c e s s i n go f t h ed e s i g no ft h en e wm i x i n g e l e m e n t s k e yw 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 , p i n ， p a r t i c l et r a c k i n gm e t h o d ，d i s p e r s i v em i x i n g ，r e s i d e n c e t i m ed i s t r i b u t i o n v 目录 第一章绪论 目录 1 1 概述 1 2 文献综述 1 2 1 混合的基本概念 1 2 2 异向双螺杆挤出机 1 2 2 1 异向双螺杆挤出机的分类 1 2 2 2 异向双螺杆挤出机的混合特点 1 2 3 异向双螺杆挤出机的新型元件及其混合机理 1 2 3 1 销钉 1 2 3 2 转子元件 1 2 4 计算机流场数值模拟和分析 1 2 5 本课题研究的目的、意义及主要内容 1 2 5 1 论文选题的目的和意义 1 2 5 2 本课题的主要研究内容 第二章螺杆几何学及流场分析方法 2 1 常规啮合异向双螺杆几何学 2 1 1 啮合异向双螺杆的旋转方向和基本尺寸之间的关系 2 1 2 啮合异向双螺杆端面曲线的形成及其数学模型 2 1 3 啮合过程中的四个间隙 2 2 流场分析方法 2 2 1 计算方法及思路 2 2 2p o l y f l o w 软件简介 2 2 2 1 软件功能及特点介绍 2 2 2 2 运用软件进行分析的主要步骤 2 2 2 3p o l y f l o w 软件学习及使用中的一些经验 2 2 3 数理模型的建立 2 2 3 1 有限元网格的划分 1 2 2 2 2 3 5 5 6 7 8 8 9 0 0 o l 3 3 3 4 4 5 7 8 81，11111111111上 北京化工大学硕： ：学位论文 2 2 3 2 数学模型 2 2 3 2 1 基本假设 2 2 3 2 2 数学方程 2 2 4 边界条件的确定 2 2 4 1 机筒壁及螺杆表面的边界条件 2 2 4 2 流场进出口截面的边界条件 2 2 5 混合元件流场的流动状态分析 2 2 5 1 粘度、剪切速率和压力云图的比较 轴向截面平均剪切速率和平均压力的比较 场动态模拟结果的统计学后处理 停留时间分布 累积最大剪切速率分布及其概率密度分布 固定百分比质点经受的剪切随时间的变化 啮合异向双螺杆销钉机筒流道的三维流场模拟和混合性能分 2 7 模型、有限元模型及边界条件 理模型 学模型 限元模型及边界条件 状态分析 力场 度场 过程后处理分析 钉个数对带销钉的啮合异向双螺杆挤出机的影响 钉排数对带销钉的啮合异向双螺杆挤出机的影响 钉问距对带销钉的啮合异向双螺杆挤出机的影响 啮合异向双螺杆v c r 元件三维流场模拟和混合性能分析 4 4 模型、有限元模型及边界条件 4 4 9 9 0 o 1 1 2 3 3 3 4 5 5 6 l 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7 7 8 8 9 o o 3 3 7 9 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 目录 4 1 1 物理模型 4 1 2 数学模型 4 1 3 有限元模型及边界条件 4 2 流场状态分析 4 2 1 常规双头异向螺纹元件 4 2 2 常规三头异向螺纹元件 4 2 3v c r 元件 4 2 4 轴向截面平均剪切速率和压力值的比较 4 3 混合过程分析 4 3 1 停留时间分布 4 3 2 最大剪切速率分布 4 3 3 固定百分比质点经受的剪切速率作用随时间的变化 4 4 小结 第五章实验研究 5 1 实验设备 5 2 加料量标定 5 2 1 实验目的 5 2 2 实验设备 5 2 3 实验物料 5 2 4 实验结果及分析 5 3 不同构型螺杆制备p p 阻燃电缆预混料的实验 5 3 1 实验目的 5 3 2 实验设备 5 3 3 实验物料 5 3 4 螺杆构型及操作条件 5 3 5 实验结果及讨论 5 4 小结 第六章结论 参考文献 4 5 5 7 7 9 l 2 3 3 5 6 9 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 4 4 5 6 7 9 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 型塑奎兰堡主兰垡堡奎 致谢 研究成果及发表的学术论文 作者简介 7 2 7 3 7 4 目录 c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1s u m m a r i z e 1 2l i t e r a t u r es u m m a r i z e c o n t e n t s 1 2 1 2 1b a s i cc o n c e p ta b o u tm i x i n g2 1 2 2c 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 2 1 2 2 1c l a s s i f i c a t i o no fc 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 2 1 2 2 2m i x i n gc h a r a c t e r i s t i co fc 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 3 1 2 3n e wt y p eo fe l e m e n t sa n dm i x i n gm e c h a n i s mo fc o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c r e w e x t r u d e r 5 1 2 3 1p i n5 1 2 3 2r o t o re l e m e n t6 1 2 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i s 7 1 2 5a i m 、m e a n i n ga n dm a i nc o n t e n to f t h es u b j e c t 8 1 2 5 1a i ma n dm e a n i n go fp a p e r 8 1 2 5 2m a i nc o n t e n to fp a p e r 9 c h a p e r 2s c r e wg e o m e t r ya n df l o wf i e l da n a l y s i sm e t h o d 1 0 2 1g e o m e t r yo fn o r m a li 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 w 10 2 1 1r e l a t i o no fr o t a t i o nd i r e c t i o na n db a s i cs i z eo fi n t e r m e s h i n gc o u n t e r - r o t a t i n g t w i ns c r e w1 0 2 1 2f o r m i n ga n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc r o s s - s e c t i o nc u r v eo fi n t e r m e s h i n g c o u n t e r - r o t a t i n gt w i ns c r e w 11 2 1 3f o u rc l e a r a n c eo fi n t e r m e s h i n gz o n e13 2 2f l o wf i e l da n a l y s i sm e t h o d13 2 2 1 c a l c u l a t i n gm e t h o d 13 2 2 2i n t r o d u c eo f p o l y f l o ws o f t w a r e 14 2 2 2 1f u n c t i o na n dp r o p e r t yo fs o f t w a r e14 2 2 2 2m a i ns t e p so fu s i n gs o f t w a r e15 2 2 2 3s o m ee x p e r i e n c e sa b o u tp o l y f l o ws o f t w a r e 17 v 北京化工大学硕士学位论文 2 2 3e s t a b l i s h i n go fm a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e l18 2 2 3 1p l o to ff i n i t ee l e m e n tg r i d d i n g18 2 2 3 2m a t h e m a t i c a lm o d e l19 2 2 3 2 1b a s i ch y p o t h e s i s19 2 2 3 2 2m a t h e m a t i c a le q u a t i o n2 0 2 2 4c o n f i r m i n go fb o u n d a r yc o n d i t i o n s2 0 2 2 4 1b o u n d a r yc o n d i t i o n so fb a r r e lw a l la n ds c r e ws u r f a c e2 1 2 2 4 2b o u n d a r yc o n d i t i o n so fi n l e ta n do u t l e to ff l o wf i e l d2 1 2 2 5a n a l y z i n ga b o u tf l o ws t a t eo ff l o wf i e l do fm i x i n ge l e m e n t s 2 2 2 2 5 1c o m p a r i n go fv i s c o s i t y , s h e a rr a t ea n dp r e s s u r ep r o f i l e2 3 2 2 5 2c o m p a r i n ga b o u ta v e r a g es h e a rr a t ea n da v e r a g ep r e s s u r eo fa x i a ls e c t i o n2 3 2 2 6s t a t i s t i c a lp o s tt r e a t m e n to fd y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t so ff l o wf i e l d 2 3 2 2 6 1r e s i d e n c et i m ed i s t i l b u t i o n 2 4 2 2 6 2c u m u l a t em a xs h e a rr a t ed i s t r i b u t i o na n dd e n s i t yd i s t r i b u t i o no fm a xs h e a r r a t e2 5 2 2 6 3s h e a rr a t ev st i m eo fs o m ep e r c e n t i l ep a r t i c l e s2 5 2 3c o n c l u s i o n s2 6 c h a p t e r 33 ds i m u l a t i o na n dm i x i n gp r o p e r t i e sa n a l y s i so f 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 rw i t hp i n 2 7 3 1m a t h e m a t i c a lm o d e la n dp h y s i c a lm o d e l ，f i n i t ee l e m e n tm o d e la n db o u n d a r y c o n d i t i o n s 2 7 3 1 1 p h y s i c a lm o d e l 2 7 3 1 2m a t h e m a t i c a lm o d e l2 8 3 1 3f i n i t ee l e m e n tm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s2 8 3 2a n a l y s i so ff l o wf i e l ds t a t e2 9 3 2 1p r e s s u r ep r o f i l e3 0 3 2 2v i s c o s i t yp r o f i l e3 0 3 3s t a t i s t i c a la n a l y z i n g3 3 3 3 1i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tn u m b e ro fp i nf o ri 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 rw i t hp i n 3 3 3 3 2i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tr o w so fp i nf o ri 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 w e x t r u d e rw i t hp i n3 7 目录 3 3 3i n f l u e n c e so fd i f f e r e n td i s t a n c eb e t w e e np i n sf o ri n t e r m e s h i n gc o u n t e r - r o t a t i n g t w i ns c r e we x t r u d e rw i t hp i n 3 9 3 4c o n c l u s i o n s 4 2 c h a p t e r 43 ds i m u l a t i o na n dm i x i n gp r o p e r t i e sa n a l y s i s o fv c r e l e m e n ti ni n t e r m e s h i n gc o u n t e 卜r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e r 4 4 4 1m a t h e m a t i c a l c o n d i t i o n s m o d e la n dp h y s i c a lm o d e l ，f i n i t ee l e m e n tm o d e la n db o u n d a r y 4 1 1p h y s i c a lm o d e l 4 1 2m a t h e m a t i c a lm o d e l 4 1 3f i n i t ee l e m e n tm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 4 2a n a l y s i so ff l o wf i e l ds t a t e 4 2 1n o r m a ld o u b l et h r e a ds c r e we l e m e n t 4 2 2n o r m a lt r i p l es c r e we l e m e n t 4 2 3v c re l e m e n t 4 2 4c o m p a r i n ga b o u ta v e r a g es h e a rr a t ea n dp r e s s u r eo fa x i a l s e c t i o n 4 3a n a l y z i n go fm i x i n gp r o c e s s 4 3 1r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n 4 3 2m a xs h e a rr a t ed i s t r i b u t i o n 4 3 3s h e a rr a t ev st i m eo fs o m ep e r c e n t i l ep a r t i c l e s 4 4c o n c l u s i o n s c h a p t e r 5e x p e r i m e n tr e s e a r c h 5 1e x p e r i m e n te q u i p m e n t s 5 2d e m a r c a t eo ff e e dq u a n t i t y 5 2 1a i m n e s s 5 2 2e q u i p m e n t s 5 2 3m a t e r i a l 5 2 4r e s u l t sa n da n a l y z i n g 5 3m i x i n ge x p e r i m e n to fd i f f e r e n ts c r e wc o n f i g u r a t i o n 5 3 1a i m n e s s 5 3 2e q u i p m e n t s v l i 4 4 5 5 7 7 9 l 2 3 3 5 6 9 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 1 2 2 2 2 2 3 3 3 6 6 6 6 6 6 6 6 6 一一 北京化工大学硕士学位论文 _ 二二- 二= = 二二一一 5 3 3m a t e r i a l 5 3 4s c r e w c o n f i g u r a t i o na n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s 5 3 5r e s u l t sa n dd i s c u s s 5 4c o n c l u s i o n s c h a p t e r 6c o n eiu sio n s 6 4 6 4 6 5 6 6 6 7 6 9 7 2 7 3 7 4 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 概述 意大利的r o b e r t oc o l m b o 公司在二十世纪3 0 年代首先研制出了第一台用于 塑料加工的同向双螺杆挤出机。随后，第一台用于u p v c 加工的平行异向旋转 啮合双螺杆挤出机由意大利c a r l op a s q u e t t i 公司在1 9 5 0 年研制【l 】。经过半个多世 纪的不断改进和完善，双螺杆挤出机得到了长足的发展，目前已广泛应用于聚合 物加工( 包括塑料、橡胶和合成纤维) 和其它工业( 如涂料、建材等) 。 双螺杆挤出机是在“o 。”字形机筒中安排两根螺杆，通过两根螺杆之间的相 互作用来增强混合和输送效果的挤出机。双螺杆挤出机已经被广泛应用于各种不 同的高聚物加工领域，并且产生了各种不同的类型。从不同的角度，双螺杆挤出 机的分类有多种方法：按两根螺杆的啮合状态，它可以分为啮合和非啮合两种； 按螺杆的旋转方向，可分为同向和异向两种；按两根螺杆的螺棱项部、螺槽根部 宽度的关系，可分为共轭和非共轭两种；按螺杆、机简形状还可分为平行双螺杆 挤出机和锥形双螺杆挤出机1 3 j 。随着对产品产量和质量要求的不断提高，对双螺 杆挤出机的设计、应用提出了新的要求。因而许多知名厂家和研究单位致力于研 究开发非常规螺杆元件，取得了很多成果。如德国w p 公司开发出的具有特殊 几何形状的r g s 元件、l g s 元件、s c h a u f e l 元件、美国f a r r e l 公司开发出f a m m e 混炼元件、f c m ( f a r r e lc o n t i n u o u sm i x e r ) 元件、六棱柱元件、神户钢铁公司的 v c m t ( v a r i o u sc l e a r a n c em i x i n gt e c h n o l o g y ) 元件1 4 j 、北京化工大学双螺杆实验 室开发的s 型元件【5 】及v c r 元件【6 】、以及现在同向双螺杆挤出机中使用的齿形 盘元件等。这些新型元件的出现，使双螺杆挤出机在保证混合质量的情况下，螺 杆转速大大提高，挤出性能大大改善，应用更加广泛。 随着塑料工业的发展，人们发现平行异向双螺杆挤出机由于其分散效果好、 物料强制输送、物料停留时间窄、自洁性好、物料受剪切作用小等特点可广泛应 用于挤出p v c 管材、型材、板材和造粒及废旧塑料的回收等方面。由于西方各 国大量使用双螺杆挤出机，从而使其得到了迅速发展。8 0 年代末除了购买国外 双螺杆外，我国也开始研制异向双螺杆挤出机。同时也从德国、奥地利等国引进 了双螺杆制造技术。但由于没有很好的研究、消化、吸收，致使产品无法和进口 样机匹敌。因此，从总体上说与发达国家相比，我国在异向双螺杆挤出机研究方 面仍有很大差距。 1 2 文献综述 北京化工大学硕士学位论文 1 2 1 混合的基本概念 混合是使流场均化的操作过程，包括了流线的拉伸、折叠并使其在几何空间 中再分布等操作，多组分情况下通常意味着组分破裂，并伴随着能量的扩散。从 广义上讲。不同组分的混合，相对分子质量分布不同的聚合物的均化，温度的均 化等都是混合。聚合物熔体是介于纯弹性固体与高粘度流体间的粘弹性流体，流 动过程排除了湍流、尾迹旋涡的存在，混合应该是整体迁移过程。混合效果的好 坏主要从分布混合、分散混合2 个方面来衡量。分散混合的基本特征是把固相结 块或液滴分散开来，并均匀分布在连续相中；而分布混合，从广义上讲则是通过 重复的排列各组分，在原理上，可以把组分的非均匀性减少到分子水平。一般来 说，分布混合能力主要由回流量来表征，而分散混合能力主要由平均剪切应力来 表征。聚合物加工过程中混合、混炼效果直接影响制品的性能，双螺杆挤出机由 于其具有优异的混合性能，因而被广泛地应用于聚合物共混、填充改性、反应性 挤出等领域【2 ，”5 2 。 1 2 2 异向双螺杆挤出机 1 2 2 1 异向双螺杆挤出机的分类 异向双螺杆挤出机可分为啮合异向和非啮合异向双螺杆挤出机，啮合异向双 螺杆又可分为全啮合和部分啮合。对于全啮合异向双螺杆挤出机，一根螺杆的螺 槽被另一根螺杆的螺棱完全封闭，只有极少的漏流可以通过，因此它具有极强的 输送能力。但因为存在压延效应，下啮合区产生的高压会对螺杆产生很大的分离 力而把螺杆压向机筒内壁，造成螺杆和机筒的磨损，所以该类型挤出机只能在较 低的转速( 1 0 - - 5 0 r p m ) 下工作。这种类型的挤出机正位移输送能力和建压能力 比同向双螺杆强的多，因此多用来直接挤出制品。与部分啮合同向双螺杆挤出机 类似，部分啮合异向双螺杆挤出机螺杆间的不完全封闭，漏流大且建压能力弱， 可以在相对高的螺杆转速下工作( 2 0 0 - - 3 0 0 r p m ) 。在该类型挤出机的挤出过程 中，有很大一部分物料被拖曳通过两螺杆在啮合区形成的压延i 日j 隙，这使物料经 受了很大的剪切应力和拉伸应力，因此可以产生较好的分散混合和分布混合。虽 然大间隙会牺牲一部分正位移输送能力，但可以换来更好的混合效果，因此通过 改变螺杆几何参数来调整四个间隙的形状和大小，就可以调整挤出机输送与混合 间的平衡。如果螺杆几何参数选择得当，该类型挤出机可以被设计成既具有一定 的混合能力又不至丧失过多的正位移能力，从而可实现将混合和成型在一台挤出 2 第一章绪论 机上完成而不需要二阶挤出机或齿轮泵【_ 7 1 。这种双螺杆挤出机主要用于混合、制 备填充物料、高分子合金、反应挤出等。 异向双螺杆挤出机有平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机两种。锥形双螺 杆挤出机在造型上的特点是：加料端的机筒和螺杆直径较大，朝着挤出机出口方 向直径逐渐减小，并在整个减小过程中始终保持完整的啮合。这种造型有许多优 点：加料端的大直径可以便于止推轴承的安装，减小了平行双螺杆挤出机止推轴 承串设计、制造和安装的难度；加料段螺杆的大容积螺槽使加料更容易；出口端 的小直径可以减小螺杆圆周速度，因而也就减小了因剪切而产生的粘性耗散热； 从入口端到出口端，螺槽体积随螺杆直径的减小而减小，而流量在计量加料条件 下是不变的，因而螺杆对物料的压缩作用逐渐增强；出口端螺杆直径小，螺杆所 受背压和回转阻力也相应减少。因此，锥形双螺杆挤出机有很强的建压能力，非 常适合于挤出制品。 1 2 2 2 异向双螺杆挤出机的混合特点 就啮合异向双螺杆而论，由于封闭的c 形小室，如图1 1 。阻碍了两螺杆间 的物料传递，在一定程度上损失了混炼能力，但理论计算和流线示踪研究表吲8 】： 封闭的c 形小室中同时存在沿螺槽和横过螺槽方向的环流，由此形成的层流剪 切部分补偿了混炼能力的损失。此外，在啮合区压延间隙的出入口处，啮合着的 螺杆一边将物料翻起，一边又将它卷入。这种翻卷行为可产生较大的剪切强度， 因而改善了混合。 图1 - 1c 形小室 f i g 1 - 1c s h a p ec h a m b e r 在异向双螺杆挤出机中，混合主要发生在熔体段。h ，h e r m a n 等人对啮合异 向双螺杆的熔体输送段做了若干简化后建立起数学模型【9 1 。该模型假定不考虑螺 北京化工大学硕士学位论文 纹间隙、螺纹曲率和螺纹啮合区的影响，假定物料处于等温、牛顿型流体、层流 状态等。在求出模型的解析解后可绘出剪应力分布图。由剪应力分布图可见：在 螺槽深度y h = 0 3 8 处得到应力最小点，即应力最小点在螺槽中部附近，在螺槽底 部壁面处的应力大于机筒壁面处的应力，即i _ 【s i 【b ，且li 【m i n l ：i 【b l ：1 cs i = 1 ：5 5 ：9 。可见螺槽中物料受到的剪切十分不均匀，因而物料的混合不会均匀， 这种不均匀性在高的螺杆转速下更严重。k i m 等人用双螺杆挤出机挤出软p v c 和铝粉。当加工过程处于稳定状态时，将挤出机停下来，经冷却并拆出螺杆。从 一些c 形腔室中取出试样，对其介电常数进行测定，用一个变量系数f 来评价 其混合情况： 。 1 0 0 ，= c 式中：m 是试样数；c 是特定试样中铝粉的浓度，是在一组试样中铝粉的平 均浓度。结果发现，在腔室中部，变量系数比接近啮合区高得多，说明腔室中的 混合情况不好。 根据上述分析，以正位移输送机理为特征的啮合异向双螺杆，当各螺纹间隙 很小时，就其混合性能而言，存在着一种固有的混合不均匀性。这种不均匀性使 异向双螺杆的混合性能较差。具体表现在如下几方面： ( 1 ) 螺杆对物料的剪切作用很低。异向双螺杆的转速一般都在3 0 r m i n 左右， 与同直径的单螺杆和同向双螺杆相比转速要低得多。即使在螺杆啮合区存在一些 螺纹间隙( 一般都大于2 m m ) ，但通过这些间隙的物料份数较少，且单个物料团通 过这些间隙的机会也较少，物料不会产生过高的剪切热。多数物料还是沿着相对 宽而深的螺槽运动，因而受到的剪切作用比较柔和。 ( 2 ) 螺杆加热均匀，温度控制好。在这种双螺杆中，熔化物料的热量主要来自 外热而不是剪切。异向双螺杆的螺纹一般不少于双头，故螺杆与物料有较多的接 触表面用来传热。加上螺杆一般都配有芯部加热控温系统，物料在螺槽中升温快， 受热均匀，料温控制准确。均匀的加热条件可以减小因螺杆混合作用不足而产生 的物料温差。 ( 3 ) 输送能力高使得物料在螺杆螺槽内的停留时间较短。虽然在螺杆啮合区 各螺纹间存在着不同大小的i 日j 隙，但这些间隙相对邻近的螺棱和螺槽宽度仍然较 小，螺杆的强制输送能力仍占主导地位。如果加工像p v c 这样的热敏性物料，即使 在允许的挤出温度范围内，若受热时间过长也会出现降解。因此，能够有效地控制 好物料的受热时间或热历程对热敏性的p v c 特别重要。 1 2 3 异向双螺杆挤出机的新型元件及其混合机理 4 第一章绪论 对单螺杆挤出机来说，一些分布混合元件如菠萝型混合元件，开槽的螺棱和 销钉等已很普遍。但是，对异向双螺杆挤出机来说，设计方案仅限于开槽的螺棱， 齿型盘和波状螺纹元件。利用这些元件将为螺杆之间和螺杆流道内的固体和熔体 提供强烈的交换和混合o l 。下面介绍部分混合元件及其混合机理。 1 2 3 1 销钉 到目前为止，销钉元件主要应用在单螺杆挤出机，而在双螺杆挤出机里尚无 文献的记载。 ( 1 ) 销钉机筒1 在啮合异向双螺杆挤出机的熔体输送区中存在着顺流、逆流、漏流和环流。 其中，前三者的代数和决定了挤出能力的大小，而环流仅仅起着混合、塑化、热 交换等作用，对挤出能力不产生