（机械设计及理论专业论文）啮合同向双螺杆构型对共混体系混合效果影响的研究.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 4 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 作者姓名周新慧学号 2 0 0 4 0 0 0 4 1 0 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 北京市新型高分子材 料制备与加工重点实 非金属材料成型理论与 课题来源研究方向 验室青年教师自然科 设备研究 学研究基金 论文题目啮合同向双螺杆构型对共混体系混合效果影响的研究 关键词啮合同向双螺杆，螺杆构型，数值模拟，不相容体系共混物 论文答辩日期2 0 0 7 5 3l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 指导教师马秀清副教授北京化工大学塑料机械 评阅人1郭英教授北京服装学院化纤机械 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 撇员蝴郭英教授北京服装学院化纤机械 答辩委员1郭英教授北京服装学院化纤机械 答辩委员2耿孝正教授北京化工大学 塑料机械 答辩委员3 冯连勋教授北京化工大学塑料机械 答辩委员4 答辩委员5 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。 摘要 啮合同向双螺杆构型对共混体系混合效果影响的研究 摘要 在啮合同向双螺杆挤出机对高聚物共混改性的加工过程中，螺杆 构型是影响混合效果的一个重要因素。 本文采用专业c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 软件 p o l y f l o w ，对啮合同向双螺杆挤出过程中，导程为2 0 m m 的常规 螺纹元件、错列角为6 0 0 的捏合盘元件、错列角为9 0 0 的捏合盘元件、 错列角为1 2 0 。的捏合盘元件、s 型元件、齿形盘元件、六棱柱元件及 非啮合多过程元件下的三维等温非牛顿流场进行了模拟计算，通过计 算得到了各流场下的剪切应力场、停留时间分布及回流量，由此分析 比较了各种螺杆元件的混合性能，结果表明：错列角为1 2 0 0 的捏合盘 元件剪切作用最大，分散混合能力最强，而另外两种捏合盘元件和小 导程常规螺纹元件也具有较好的分散混合能力。对于分布混合能力， 由于物料在流经错列角为1 2 0 0 的捏合盘元件时回流量最大，在流经六 棱柱元件时停留时间分布曲线拐点间的距离最大，因此这两种元件的 分布混合能力很强。其它新型元件也具有较好的分布混合能力。 对于模拟结果的正确性，本文通过实验进行了验证，同时对不同 螺杆构型对两相不相容体系共混物混合效果的影响进行了深入研究。 实验所研究的螺杆元件除模拟中用到的之外，还增加了错列角为3 0 。、 1 5 0 。的捏合盘元件以及斜齿齿形盘元件。将所研究的这些螺杆元件分 别置于双螺杆挤出机中的熔融段和熔体输送段，对实验结果进行了分 i 北京化工大学硕 ：学位论文 明：捏合盘元件具有较强的分散混合能力，更适于放 机中的熔融段。s 型元件具有较好的分布混合能力， 特点所引起的拉伸流动，增强了其分散混合能力，亦 段。六棱柱元件、齿形盘元件、非啮合多过程元件具 合能力，置于熔体输送段将有利于得到分布均匀的制 关键词：啮合同向双螺杆，螺杆构型，数值模拟，不相容体系共混物 h a b s t r a c t i nt h ep o l y m e rc o m p o u n d i n gp r o c e s s ，s c r e wc o n f i g u r a t i o n sa r e i m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gt h em i x i n ge f f e c to ft h ep o l y m e rb l e n d si 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 i nt h i sp a p e r , a p p l i e dt h ep r o f e s s i o n a lp a c k a g eo fc o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ，p o l y f l o w , t h e f l o wf i e l do fd i f f e r e n ts c r e w c o n f i g u r a t i o n sf o rt h r e e - - d i m e n s i o n a li s o t h e r m a ln o n - n e w t o n i a nm o d e li n i n t e r m e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u d e rw e r es i m u l a t e d t h es c r e w e l e m e n t si n c l u d e ds e 2 0 1 2 0 ，k b 6 0 1 2 0 ，k b 9 0 1 2 0 ，k b l 2 0 1 2 0 ，s ，t m e ， f t x ，n i m p e s h e a r - s t r e s sp r o f i l 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 d b a c k f l o wr a t ew e r eo b t a i n e d t h em i x i n ga b i l i t yo fd i f f e r e n ts c r e w c o n f i g u r a t i o n sw a sc o m p a r e d k b 12 0 12 0h a dt h eg r e a t e s t d i s p e r s i v e m i x i n ga b i l i t yf o ri t sp o w e r f u ls h e a rs t r e s se f f e c t k b 6 0 12 0 ，k b 9 0 12 0 a n ds e 2 0 12 0a l s oh a ds i g n i f i c a n te f f e c to n d i s p e r s i v em i x i n g f o r d i s t r i b u t i v e m i x i n ga b i l i t y , k b 12 0 12 0a n df t xs h o w e de x c e l l e n t p e r f o r m a n c eo nd i s t r i b u t i v em i x i n ga b i l i t y , b e c a u s et h e yh a dt h eg r e a t e s t b a c k f l o wa n dt h ew i d e s td i s t a n c eb e t w e e ni n f l e x i o n so fr t dc u r v e i i l w o u l do b t a i nh o m o g e n i z a t i o np r o d u c t s k e yw o r d s ： i n t e r m e s h i n g c o r o t a t i n g t w i n s c r e w , s c r e w c o n f i g u r a t i o n s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i m m i s c i b l e b l e n d s l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 概述1 1 1 1 聚合物共混物相态结构的研究1 1 1 2 双螺杆挤出机的研究进展4 1 2 本课题研究的主要内容、目的及意义_ - - - - - - - - - - - 7 第二章基础理论8 2 1 聚合物共混物相态结构的基本类型8 2 2 聚合物共混物的混合机理8 2 2 1 分散混合9 2 2 2 广泛( 分布性) 混合1 0 2 3 停留时间分布函数1 3 2 4 聚合物共混物熔体的流变特性1 4 2 5 聚合物共混物相态结构的表征1 5 2 5 1 相观察1 5 2 5 2 热分析1 5 第三章螺杆元件混合特性的模拟分析1 7 3 1 数理模型、有限元模型的建立1 7 3 1 1 数学模型1 7 3 1 2 物理模型1 9 3 1 3 有限元模型2 1 3 2 模拟计算结果2 2 3 2 1 剪切应力场2 2 3 2 2 停留时间分布2 6 3 2 3 回流量2 9 3 3d 、结3 l 第四章螺杆构型对共混物混合效果的实验研究3 2 4 1 实验原料及实验设备3 2 4 1 1 实验原料0 00 3 2 北京化工大学硕士学位论文 4 1 2 实验设备3 2 4 2 实验方案3 3 4 2 1 预实验3 3 4 2 2 螺杆构型对h d p e p s 混合效果的影响3 7 4 3 小结5 3 第五章结论5 5 6 1 本课题研究的主要结论5 5 6 2 本课题的创新及主要贡献5 6 6 3 有待于进一步研究的问题5 6 参考文献5 7 致谢6 2 攻读学位期间发表的学术论文6 3 作者及导师简介6 4 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n i 1 ir e v i e w 1 1 1 1r e v i e wo f m o r p h o l o g yo f p o l y m e rb l e n d s 1 1 1 2r e v i e wo ft w i ns c r e we x t r u d e r 4 1 2c o n t e n t sa n do b j e c t i v e so f t h es t u d y 7 c h a p t e r 2b a c k g r o u n d 8 2 ic l a s s i f i c a t i o no fm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r eo fp o l y m e rb l e n d s 8 2 2m e c h a n i s mo f m i x i n g o f p o l y m e rb l e n d s 8 2 2 1 d i s p e r s i v em i x i n g 9 2 2 2d i s t r i b u t i v em i x i n g 1 0 2 3r t d 1 3 2 4r h e o l o g yp r o p e r t yo f m e l t i n gp o l y m e rb l e n d s 1 4 2 5c h a r a c t e r i z a t i o no fm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r eo fp o l y m e rb l e n d s l5 2 5 1p h a s es t r u c t u r eo b s e r v a t i o n 1 5 2 5 2t h e r m a lp r o p e r t ya n a l y s i s 1 5 c h a p t e r 3s i m u l a t i o no ft h em i x i n ga b i l i t yo fs c r e we l e m e n t s 1 7 3 1 m o d e l i n g 1 7 3 1 1m a t h e m a t i c sm o d e l 1 7 3 1 2 p h y s i c sm o d e l 1 9 3 1 3f e mm o d e l 2 1 3 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 2 3 2 1s h e a rs t r e s sf i e l d 2 2 3 2 2r t d 2 6 3 2 3b a c k f l o w 2 9 3 3 s u m m a r y 3 l c h a p t e r4e x p e r i m e n t s 3 2 4 1m a t e r i a l sa n da p p a r a t u s 3 2 41 1m a t e r i a l s 3 ：1 6 2 6 3 6 4 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 当今，高分子材料己成为工、农业生产和人民生活中不可缺少的一类重要的材料， 而且其应用越来越广泛。高分子材料一般是指塑料、橡胶、纤维等聚合物。为了获得 综合性能优异的高分子材料，除了继续研制合成新型聚合物外，对已有聚合物进行改 性已成为发展聚合物材料的一种卓有成效的途径【l 卅。 对高分子材料进行改性，有物理法和化学法两大方法。物理法主要是指共混、填 充、增强、结晶和取向。这些方法，一般只涉及物理过程，而不涉及化学过程。化学 法是指采用某些化学方法制取共聚高分子物质，有接枝、嵌段共聚以及交联、附加、 置换等方法。近年来，聚合物共混改性成为发展高分子材料的重要方法，在基础研究 及市场开发方面其规模和技术都获得了很大的提高，成为人们研究和关注的热点。 伴随着对聚合物加工研究的深入和高分子材料科学的进展，人们认识到聚合物的 结构与加工之间是不可分割的。这二者都会对最终制品的性能起着决定性的作用。本 章将对前人在这些方面的研究进行简要的概括。 1 1 1 聚合物共混物相态结构的研究 聚合物共混物的混合加工并非是简单的搅拌，而是使各组分达到微观上的均匀分 散，构成以树脂为基体的熔融体系。大部分聚合物之间的混合是不相容或部分相容的， 使其形成了多相结构体系 5 , 6 1 i 。这些聚合物共混物复杂的结构形态决定了最终产物的机 械物理特性1 7 岿j 。为了较为全面地了解影响聚合物共混物相态结构的影响因素，近年来， 人们对聚合物共混物的相态结构作了大量的科学研究和报告，主要包括聚合物共混物 黏度比、组分、相容剂以及加工方法等对共混物相态结构的影响。 l 、聚合物共混物的黏度比对其相态结构的影响 聚合物共混物各组分的黏度及他们的黏度比与其相态结构之间存在一定的关系。 k a r g e r - k o c s i s 等例对三元乙丙橡胶聚丙烯( e p d m p p ) 共混体系进行了研究，发现分散 相e p d m 的平均粒径和共混物的黏度比之间存在线性关系。k a n g 等l lo j 对二维矩形空 腔中两相不相容流体的初始共混行为进行了研究，发现瞬间破裂过程更依赖于基体的 黏度而非黏度比。d a n c s i 矛d p o n c r j 对聚丙烯乙烯丙烯橡胶在单螺杆挤出机中的相态 结构进行了实验研究，发现当分散相的黏度等于或小于连续相黏度时分散混合性能较 好。m i n 等人i l2 j 对不相容体系共混物在单螺杆挤出机和静态混合器中的相态结构发展 研究发现分散相的粒径大小与共混物的黏度比以及界面张力有关。m d e l k o v i t c h 等人 1 3 1 将二氧化碳注入聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 橡胶和聚苯乙烯( p s ) 橡胶的共混物中， 北京化工大学硕士学位论文 对二氧化碳对共混物黏度和相转变的影响进行了研究，结果表明：共混物中的二氧化 碳会降低混合物的黏度从而有利于两组分之间的混合，并且增强了共混物的冲击强 度。j z l i a n g 1 4 】对聚合物共混物挤出过程中的剪切黏度及其影响因素进行了研究并建 立了相应的数学模型。 2 、聚合物共混物的组分对其相态结构的影响 d b o u r r y 等t ”】通过改变聚苯乙烯高密度聚乙烯( p s h d p e ) 共混物的配比以及加 入不同组分的苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯嵌段共聚物( s e b s ) 作为界面改性剂，对该共混 物的两相共连续结构和相转变进行了研究。n k u k a l e v a 等人【1 6 】对聚丙烯低密度聚乙烯 ( p p l d p e ) 各种配比下的共混物进行了相态结构的研究。研究中发现对于共混物的韧 性，共连续相结构要比海岛结构好。j k l e e 等人【 】对双螺杆挤出过程中混合物结构相 态的发展进行了实验研究，通过采用聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲 酯( p s f m m a ) 、聚苯 乙烯聚碳酸 酯( p s p c ) 、聚苯乙烯高密度聚乙烯( p s h d p e ) 、聚苯乙烯聚丙烯( p s p p ) 等不同的聚合物共混物，研究了粘度比、混合组分及工艺参数对相态结构的影响。他 们得出的主要结论有以下两点：( 1 ) 、无定型聚合物的临界粘流温度对两相不相容共混 体系的最初相态起着决定性作用；( 2 ) 、在共混物混合中出现的两连续相结构具有不稳 定性。 3 、相容剂对聚合物共混物相态结构的影响 在许多情况下，热力学相容性是聚合物之间均匀混合的主要推动力。两种聚合物 的相容性越好就越容易相互扩散而达到均匀的混合，过渡区也就越宽广，相界面越模 糊，相畴越小，两相之间的结合力也越大。聚合物相容有两种极端情况，其一是两种 聚合物完全不相容，两种聚合物链段之间相互扩散的倾向极小，相界面很明显，其结 果是混合较差，相之间结合力很弱，共混物性能不好。其二是两种聚合物完全相容或 相容性极好，这时两种聚合物可相互完全溶解而成为均相体系或相畴极小的微分散体 系。这两种极端情况都不利于共混改性的目的。一般而言，我们所需要的是两种聚合 物有适中的相容性，从而制得相畴大小适宜，相之间结合力较强的复相结构的共混产 物。h a l i m a t u d a h l i a n a 和他的同事i i 剐对p s p p 所组成的相容和不相容体系共混物在单 螺杆挤出机中的相态结构进行了研究，他们认为通过s e b s 增容后的p s _ ，p p 体系中分 散相的结构得到改善，而乙烯醋酸乙烯共聚物( e v a ) o 邑提高混合物的塑性变形能力。 a s i r a 等【i 川以s e b s 为界面改性剂对h d p e h i p s 共混物的相态结构及力学性能的影 响进行了研究。刘万军等人【2 0 】研究了高抗冲聚苯乙烯聚碳酸酯( h i p s p c ) 共混物的相 容性及h i p s - g m a 对h i p s p c 共混物的相容性、形态和拉伸性能的影响，研究表明 h i p s - g - m a 的含量低于7 5 时，共混物的相容性改善不明显，当含量达到7 5 时， 对共混物有明显的乳化作用，说明饱和的界面浓度在7 5 左右。游长江等人1 2 1 】用扫 描电镜( s e m ) 研究了不同混合温度和转速下增容剂苯乙烯丁二烯二嵌段共聚物( s b ) 对l d p e p s 共混物分散相颗粒尺寸的影响。结果表明：混合温度为1 5 0o c 时未增容 第一章绪论 共混物的分散相颗粒尺寸比2 0 0o c 时粗大，而在1 5 0 0 c 加入s b 的共混物的分散相颗 粒尺寸比2 0 0o c 时更精细。在1 5 0o c 时，转速从3 0r m i n 至1 0 0r m i n 时，未增容共 混物的分散相颗粒平均半径从3 1 a m 降至o 。8 a m ，而增容共混物在3 0r m m 时达到平 衡颗粒尺寸0 8 a n ，继续提高转速，颗粒尺寸无明显变化。b c h e n 等人暇j 对高密度 聚乙烯间规聚苯乙烯( h d p e s p s ) 共混物中分别添j j n - - 种不同分子量的s e b s 和苯乙 烯一乙烯一丁烯( s e b ) 共聚物后的相态结构进行了研究，实验结果表明改性后的共混物 其机械性能不仅与所添加的共聚物的改性能力有关还与共聚物本身的机械性能有关， 特别是当共聚物所占组分较高时，表现尤为明显。另外发现当加入共聚物后h d p e 和 s p s 的结晶性降低。 4 、加工方法对聚合物共混物相态结构的影响 聚合物共混物的相态结构与制备方法和工艺条件有着密切的关系。同一种聚合物 共混物，采用不同的制备方法，产物的相态结构会迥然不同。同一制备方法，由于具 体工艺条件不同，相态结构也会不同。 s u s a n l 2 3 】等人对不同组分的聚苯乙烯聚丁烯( p s p b ) 共混物在h a a k e 混合器中相态 结构的发展以及机械性能的变化进行了研究，他们通过实验发现在混合的最初阶段 l 2 分钟发生相分离，此时熔融和软化出现，在之后4 分钟的混合时间里，分散相的相 态结构呈现为大部分的小颗粒和小部分的大颗粒。随着混合时间的增加，微粒的直径 不再发生明显的变化，最小的微粒直径在混合8 分钟后出现。同时他们发现，共混物 的相态结构与其机械性能有着密切的联系。l i m 和w 1 1 i t e 【2 4 】对聚乙烯尼龙6 ( p e p a 6 ) 在 双螺杆挤出机中的共混过程进行了研究，他们采用了不同的螺杆元件，发现捏合块对 聚合物共混物的熔融和分散混合有着卓越的性能，并强调增加捏合块的数量能够使聚 合物共混物获得较好的相态结构。h p o t e n t e l 2 5 】等人对p p p a 6 在双螺杆挤出机熔融段结 构相态的研究中，发现相态变化主要发生在熔融段，而其他操作参数，如螺杆转速和 产量对相态结构的影响并不大。b o u r r y 等【2 6 】研究了加料方式不同对共混体系相态结构 的影响。将三种不同配l l ( i o 、3 0 、7 0 p s ) 的p s h d p e 共混物在双螺杆挤出机中进 行混合，并采用三种不同的加料方式。第一种方式是将h d p e 和p s 的粒料一起加入双 螺杆的料斗，用常规方法将物料挤出；第二种方式是将h d p e 粒料加入双螺杆的料斗， 而p s 熔体从连接在双螺杆挤出机中部的单螺杆挤出机中加入；第三种方式是将p s 熔体 在更靠近机头的地方加入，使其在双螺杆挤出机中的停留时间为2 5 秒。结果表明：对 于三种不同配比的共混体系，共混物中分散相的粒径和尺寸分布均与加料方式无关。 一旦进入强烈的共混区域，处于熔融状态下的分散相相态就迅速发生变化，以前的共 混历史不再起作用。张学东等人口7 】研究了共混条件对p p e v a 共混物相态结构及力学 性能的影响，讨论了该共混物制备工艺条件与相态结构、力学性能之间的关系。研究 发现共混条件对共混物韧性有较大的影响，通过工艺条件的变化可以获得不同韧性的 共混材料。 北京化工大学硕士学位论文 1 1 2 双螺杆挤出机的研究进展 作为聚合物加工主要设备的双螺杆挤出机，自2 0 世纪3 0 年代首先在意大利研制 成功后得到了迅猛的发展1 2 引。 双螺杆挤出机按两根螺杆的相对位置，可分为啮合型与非啮合型，啮合型又可按 啮合的程度分为部分啮合与全啮合型。按螺杆旋转的方向不同，可分为同向和异向两 大类。啮合异向双螺杆挤出机是随着r p v c 制品的发展起来的，啮合同向双螺杆挤出 机是随着聚合物改性发展起来的。由于双螺杆挤出机的诸多优点：1 、较好的进料特 性和正向输送特性，使机器能加工难喂入的物料( 粉料、滑性物料等) 。2 、停留时间短 和停留分布范围窄。3 、较好的混合和较大的传热面积使料温控制良好。4 、非啮合的 挤出机或加上捏合盘等元件能提高双螺杆的混合能力。5 、双螺杆为积木式，尤其是 用于改性用的啮合同向双螺杆挤出机，这样的结构可根据物料随意组合螺杆。双螺杆 挤出机已经被广泛用于聚合物共混改性、填充改性、增强改性和聚合物加工成型等方 面。 如今，为了满足实际生产的需要，对于双螺杆挤出理论的研究成为世界范围内研 究的热点。 1 1 2 1 双螺杆挤出过程的数值模拟计算 双螺杆挤出机复杂的流道形状，给双螺杆挤出机加工过程中的理论研究带来了很 大的困难。目前随着计算机技术和计算方法的发展，人们开始应用计算机和有限元法 ( f e m ) 对双螺杆挤出过程中的问题进行模拟计算，由最初的二维模型发展到了现在的 三位模型。并随着各种大型计算软件的不断完善，双螺杆挤出过程的数值模拟计算得 到了突飞猛进的发展。以下将简要概括近年来人们在双螺杆挤出过程模拟计算方面的 研究。 本实验室的研究人员曾运用a n s y s 软件对各种螺杆元件下的流场进行了模拟分 析。陈志强 2 9 1 、张俊义 3 0 , 3 1 1 、尹燕玲p 2 1 、陈士宏【3 3 1 、金月副3 4 1 、马秀清【7 5 】、罗兵 7 7 1 等人分别对常规螺纹元件、齿形盘元件、六棱柱元件、n i m p e 元件、s 型元件、轴 向循环元件、v c r 元件下的幂律流体建立了三维、等温、具有真实速度边界的数理模 型，对流场的速度场和压力场等进行了求解。另外，刘清烽，孙士强等人 3 5 , 3 6 1 运用 p o l y f l o w 软件对捏合盘元件、v c r 元件下的流场进行了模拟分析。 俞炜等人【4 6 】通过对两相不相容聚合物共混过程的分析，编制了聚合物共混过程中 相态变化的模拟软件p b m 。此软件可直观地显示共混过程中分散相相态的变化，包括 孤立分散相液滴的形变和破裂，共混后分散相相态的松弛过程，以及整个分散体系中 多粒子的形变、破裂和凝聚过程，可对聚合物共混过程起一定的指导作用。 4 第一章绪论 近年来，国外对于双螺杆挤出过程中三维流场的数值模拟计算也进行了大量的报 道。m a h u n e a u l t 等人1 37 】采用捏合盘元件对共混物在双螺杆挤出机中的混合进行了实 验研究并对流场进行了数值模拟计算，结果表明：错列角最小时输送能力最强；而增 加捏合盘厚度将会使回流量减小，剪切速率增大。t o s h i h i s ak a j i w a r a 和y u k in a g a s h i m a 等人【3 8 , 3 9 1 建立了啮合同向和啮合异向双螺杆挤出机中螺纹元件的三维流场模型，计算 了流场中的速度场、应力场、流量、漏流量，同时考察了示踪粒子的空间分布和停留 时间分布。d j v a nd e rw a l 等人即，4 l 】建立了啮合同向双螺杆挤出过程中，螺纹元件和 捏合盘元件下的三维流场模型，通过改变流体黏度、螺杆转速、加料量等参数，考察 了剪切速率、拉伸速率、压力、流量等因素对混合效果的影响。h o n g f e ic h e n g 等人【4 2 】 应用f i d a p 软件对z s k - 5 3 双螺杆挤出机中的输送元件建立了三维等温幂律模型，通过 考察示踪粒子的轨迹，对输送元件的分布混合能力进行了研究。t a k e s h ii s h i k a w a 等人 1 4 3 , 4 4 1 运用f e m 技术建立了啮合同向双螺杆挤出机中捏合盘元件、常规螺纹元件下的非 牛顿、非等温三维模型，计算了流场中的压力场、温度场、流量、漏流量，并对模拟 结果进行了实验验证。vl b r a v o 等人【4 5 】同样运用f e m 技术对啮合同向双螺杆挤出机中 捏合盘元件建立了准稳态的三维流场模型，计算了速度场和压力场，并进行了实验验 证。 1 1 2 2 双螺杆挤出过程的实验研究 根据双螺杆挤出的过程，可将其分为固体输送、熔融、熔体输送三个阶段。 对于固体输送方面的研究，c c a r r o t 等人【6 2 】认为啮合同向双螺杆固体输送有两种 机理，即基于摩擦拖曳的沿螺槽方向的输送和在上啮合区沿螺杆轴线方向的正位移输 送，并认为上啮合区的正位移输送就是全部正位移输送量，在螺槽中物料会形成压实 的固体床，但并没有指明是粒料还是粉料。h p o t e n t e 6 3 】贝u 认为在垂直于螺杆轴线的截 面内，不同区的物料集聚态是不同的，有的区域内物料呈松散状态，有的地方物料则 形成压实的固体结块，螺槽内的物料完全靠正位移输送。郭强，耿孝正等人【6 4 , 6 5 】对双 螺杆挤出固体输送进行了大量的实验研究，实验对粒料和粉料都进行了研究，认为双 螺杆挤出机中存在两种固体输送机理：即j 下位移输送和摩擦拖曳输送。粒料与粉料的 输送有很大不同，对粒料，上输送区存在一个临界角；螺槽并不是完全被充满，而存 在一个临界充满度。在垂直于螺杆轴线的截面内，存在三个子输送区，而物料在这三 个子区的充满情况与加料口的形状和位置及加料量、螺纹元件的导程和螺杆转速有 关。对于粉体，其输送特点与螺杆构型、操作条件和物料特性有关，在计量加料条件 下，物料在螺槽中的输送情况有点类似于粒料的情况，但在溢流加料条件下，会出现 摩擦拖曳下的o o 形螺旋通道的输送，完全不同子粒料的输送情况。 熔融方面的研究是目i j f 研究的一个热点，这不仅是因为它涉及固体物料如何转变 北京化工大学硕七学位论文 为粘流态，而且与挤出过程的混合密切相关；也是挤出过程能耗最大的阶段。朱林杰 6 6 - 7 0 1 对物料在以啮合块为核心( 包括正向捏合块、中性捏合块、反向捏合块) 与正向 减导程螺纹元件、反向螺纹元件组成的若干螺杆基本构型中的熔融现象进行了大量实 验研究，并对这些螺杆基本构型和其上下游不同螺杆元件复合而成的螺杆中的物料熔 融过程进行了研究，总结出了不同熔融状态的特点及其形成条件，进而用这些不同熔 融状态对颗粒料在不同双螺杆构型中的熔融过程进行了模型化。 在双螺杆挤出过程的研究中，熔体输送的研究最多，例如本实验室的研究人员在 对各螺杆元件或构型进行分析研究时，除了流场的模拟计算外，都相应地作了实验验 证【7 卜7 7 】，以验证双螺杆挤出过程中熔体输送段各种螺杆构型或元件的特性是否与模拟 结果相一致。张俊义等人通过对齿形盘元件的实验研究，证实齿形盘元件是一种很好 的分布混合元件。斜齿型齿形盘元件与直齿形齿形盘元件相比，不仅具有良好的分布 混合能力，还有一定的拖曳作用，能够促进了物料的流动和混合。尹燕玲【3 2 j 等通过对 六棱柱元件的实验研究表明，六棱柱元件是一种很好的混合元件，它具有比能耗低、 出料温度低、分布混合能力强等优点，大量聚合物颗粒在六棱柱元件中拉伸变形。陈 士宏等人通过对n i m p e 元件的实验研究，发现因为n i m p e 元件螺棱上开有螺旋槽， 物料在n i m p e 元件的组合流道中的流动要比在非啮合常规螺纹元件的组合流道的流 动复杂得多，在每段槽的周围存在局部的物料循环流动，同时物料会经历很多次的分 流、合并，从而将提高物料的分布混合能力。金月富等通过对s 型元件的实验研究表 明：s 型元件的正反向螺纹和大导程产生了特殊的v 字型压力分布，使元件中物料的流 动发生了变化。由于螺棱与机筒间隙大及正反向螺纹的存在，使跨过螺棱的流动大大 增加，增加了螺槽间的物料交换。跨过螺棱的物料必然要沿楔形区体积缩小的方向运 动，从而在楔形区产生拉伸流动，有利于分散混合。大间隙的采用减低了高剪切，使 剪切速率分布更为均匀，使挤出机螺杆转速提高有了可能。 除此之外，人们还对物料在双螺杆挤出过程中的停留时间分布、双螺杆挤出机螺 杆转速，加料量等方面进行了大量的实验研究。 停留时间及停留时间分布作为表征挤出机混合性能的一个重要指标，最为传统和 经典的实验方法是采用示踪剂的方法。通常采用的示踪剂有染料、磁粉、放射性元素、 紫外示踪剂等 4 7 - 5 3 】。在反应挤出中，通过对停留时间分布的测试，可在一定程度上考 察聚合物在双螺杆挤出机中的反应程度和过程。例如张鹰【5 4 】等人选用葸作为示踪剂， 研究了苯乙烯单体在双螺杆挤出机中聚合反应的停留时间及其分布。其结果表明，聚 合过程中单体及其聚合物在双螺杆挤出机中的停留时间分布在l m i n - 4 m i n 范围内，平 均停留时间在较大程度上受螺杆的转速、进料速度、聚合物平均分子量等因素的影响。 聚合反应主要发生在螺杆的6 0 0 m m 处，约在8 5 0 m m 处聚合反应完成。在共混挤出中， 通过对停留时间分布的测试，可考察螺杆元件或螺杆构型的混合能力。例如g i 伍) r d 等人垆5 】用炭黑作为示踪剂，研究了局部停留时间分布与分散混合能力的关系。r m v a n 6 第一章绪论 d e ne i n d e 等人1 5 6 1 运用淀粉与氯化钠的溶液作为示踪剂，对双螺杆挤出机中的不同错 列角的捏合盘元件，常规螺纹元件进行了在线局部停留时间分布的测试，并对实验结 果进行了比较分析。 螺杆转速、加料量等工艺参数是双螺杆挤出机的重要特征参数。研究证明，螺杆 转速提高、加料量增大时将增大主机功耗【5 7 枷l 。对于啮合同向双螺杆挤出机而言，在 高转速下，所提供的剪切速率和剪切应力都较大，并且此时挤出过程的比能耗要比低 螺杆转速下低。另外，啮合同向双螺杆挤出机工作时，啮合区无压延效应，在物料充 满螺槽的情况下，螺杆被周围物料托起，浮在物料中，不会与机筒接触而产生磨损。 啮合同向双螺杆挤出机需要并尽可能在高速下工作。 1 2 本课题研究的主要内容、目的及意义 本课题将对啮合同向双螺杆挤出机不同螺杆元件及构型对聚合物共混物混合效 果的影响进行较为全面和深入地研究。通过本课题的研究，分析、比较各种螺杆元件 及构型对聚合物共混体系混合效果的影响，进而为优化、优选或设计具有更强混炼效 果的螺杆元件及构型提供一定的依据。 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： 1 模拟部分 将运用专业软件p o l y f l o w ，模拟计算啮合同向双螺杆挤出过程中，不同螺杆 元件下的三维等温非牛顿流场，并对模拟结果进行分析、比较，进而研究各螺杆元件 的混合性能。所研究的螺杆元件有：( 1 ) 导程为2 0 m m 的常规螺纹元件、( 2 ) 错列角为 6 0 0 的捏合盘元件；( 3 ) 错列角为9 0 0 的捏合盘元件、( 4 ) 错列角为1 2 0 0 的捏合盘元件、 ( 5 ) s 型元件、( 6 ) 齿形盘元件、( 7 ) 六棱柱元件及、( 8 ) 非啮合多过程元件。 2 实验部分 通过改变h d p e p s 的配比，研究h d p e p s 在双螺杆挤出过程中的相态转变过程 以及流变特性，以确定后续实验中所用h d p e p s 的配比。 确定好h d p e p s 的配比后，对这一配比下的该聚合物共混物在啮合同向双螺杆 挤出机中的共混挤出进行实验研究。共采用1 1 种螺杆元件：( 1 ) 导程为2 0 m m 的常规 螺纹元件、( 2 ) 错列角为3 0 0 的捏合盘元件、( 3 ) 错列角为6 0 0 的捏合盘元件、( 4 ) 错列 角为9 0 0 的捏合盘元件、( 5 ) 错列角为1 2 0 0 的捏合盘元件、( 6 ) 错列角为1 5 0 0 的捏合盘 元件、( 7 ) s 型元件、( 8 ) 直齿齿形盘元件、( 9 ) 斜齿齿形盘元件、( 1 0 ) 六棱柱元件、o d 非 啮合多过程元件，将这些元件分别置于啮合同向双螺杆挤出机的熔融段或熔体输送 段，分析比较熔融段与熔体输送段螺杆构型变化对共混物相态结构的影响。同时对模 拟中所得的结论进行验证 7 北京化工大学硕士学位论文 第二章基础理论 在高分子材料的物理改性和化学改性中，有一个重要环节，就是混合。其实，在 将高分子材料加工成制品的整个过程中，混合是一个不可或缺的环节。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、温度的均化都是混合。下 面将从聚合物共混物的相态结构、混合机理、停留时间分布函数以及聚合物共混物的 表征方法等方面对本论文中所涉及的基础理论进行介绍。 2 1 聚合物共混物相态结构的基本类型【7 8 】 聚合物共混物可由两种或两种以上的聚合物组成，对于热力学相容的共混体系， 有可能形成均相的相态结构，反之则形成两个或以上的相，这种多相相态结构最为普 遍，也最为复杂。 由两种聚合物构成的两相共混物，按照相的连续性可分为三种基本类型：1 、均 相体系，是指两种或两种以上的物质混合后形成均一的、不分相的体系。2 、“海一 岛结构 体系，是指聚合物共混物中两个相中只有一个连续相，此连续相可看作是分 散介质，另外一个相分散于连续相中，称为分散相。分散相可以呈现以下不同状态： 其一分散相形状不规则，由大小极为分散的颗粒所组成；其二分散相较规则( 一般为 球形) ，颗粒内部不包含或只包含极少量的连续相；其三分散相为胞状结构或香肠状 结构，其特点是分散相颗粒内包含连续相成份所构成的更小颗粒，因此，在分散相颗 粒内部又可以把连续相成份所构成的更小的包容物当作分散相，而构成颗粒的分散相 成份则成为连续相。3 、“海一海结构”体系，即两相皆为连续相、相互贯穿的体系。 2 2 聚合物共混物的混合机理 3 , 4 , 7 8 1 聚合物的混合有两种基本机理，如图2 - 1 所示。其中一种机理涉及到在连续相中， 具有黏附特性的组分尺寸的减小。这些组分可以是粒子状固体结块、非相容性的液相 或气相。结块的黏附性质主要是由范德华力引起的，而液相或气相的黏附性质主要是 由表面张力和弹性造成的。我们把这种混合称之为分散混合。混合的目的是把固相结 块或液滴分散开来，并均匀分布在连续相中。而另一种混合机理是没有黏附阻力的混 合，它是由层流、剪切和伸长变形引起的，我们称之为广泛混合或分布混合。在这种 混合中，必须有界面增长、界面取向和在遍及被液体充满的混合器内界面元素或组分 的无规化。 8 第二章基础理论 ( 其中c 口为毛细管数，f 为剪应力，为表面张力，a 为特性尺寸) 图2 - 1 广泛混合和分散混合的关键特性 f i g u r e2 - 1t h ek e yp r o p e r t i e so fd i s t r i b u t i v em i x i n ga n dd i s p e r s i v em i x i n