（化学工程专业论文）双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 双螺杆挤出机是聚合物加工的一种重要设备。物料在双螺杆挤出机中的停 留时间分布( r t d ) 是表征其混合的一个重要参数，它反映了物料在热、剪切 或化学条件下的历史。全局停留时间分布( t r t d ) 表征整个挤出机的混合和输 送能力。而局部停留时间分布( i 承n ) ) 反映物料在挤出机中某一区域如一个或 几个元件组合的混合与流动情况。 通过设计含有不同元件的螺杆构型，利用自行研制的检测装置在线测量双 螺杆挤出机某一位置的部分停留时间分布( p r t d ) 。对两个不同位置的p r t d 进行去卷积运算，获得了两个测量位置区间内不同角度捏合块元件、齿形盘元 件以及人字形元件的l r t d 。同时将齿形元件r t d 的时间域转化成螺杆转数和 物料体积，得到停留转数分布( 砌) 和停留体积分布( r v d ) 。 析因法分析螺杆转速、喂料速率和错列角度对捏合块元件p r t d 曲线的延 迟时间和平均停留时间的影响，发现转速最大，角度和比产率接近；错列角度、 螺杆转速和比产率三因素之间两两存在交互作用，对于延迟时间，交互作用影 响的程度大小的顺序为：角度与比产率 转速与比产率 角度与转速；而对于平 均停留时间，比产率与转速 角度与比产率 角度与转速。 去卷积计算得到的捏合块元件和齿形盘元件的l r t d 结果分析表明，l r t d 曲线的最短停留时间( 延迟时间) 、平均停留时间及轴向混合程度均随螺杆转速 和喂料速率提高而减小；相同的流量比产率( q n ) 条件下，无因次化l r t d 曲线重合，从而获得了反映捏合块元件的本征混合能力的停留时间分布。将齿 形盘元件r t d 的时间域转化成螺杆转数和物料体积数，发现特定的螺杆构型 下，相同q n 的r r d 和r v d 曲线也重合；进一步将r v d 曲线最小停留体积 ( 延迟体积) 归零，不同操作条件下的r v d 曲线趋于一致，说明r v d 曲线形 状不依赖于操作条件，而仅仅取决于螺杆构型。 不同的元件的l r t d 对比研究发现，直齿形盘元件的延迟时间最长，曲线 最宽，混合状况最好；3 0 0 捏合块的输送能力最好，延迟时间最短，混合效果最 差；而人字形元件l r t d 曲线的延迟时间介于3 0 0 捏合块和6 0 0 捏合块之间， 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 但混合能力要强于这两种捏合块元件。 关键词：双螺杆挤出机局部停留时间分布齿形元件捏合块元件停留体积分 布停留转数分布 i t 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t w i ns c r e we x t r u d e r ( t s e ) w a sw i d e l yu s e di np o l y m e rp r o c e s s 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 ( r t d ) w a sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rc h a r a c t e r i z i n gt h em i x i n g p e r f o r m a n c eo fa r e a c t o r i tr e f l e c t e dt h eh i s t o r yo ft h eh e a t ，s h e a ro rc h e m i c a l c o n d i t i o n sf o rt h em a t e r i a l su n d e rp r o c e s s i n g t h et o t a lr t d ( t r t d ) c h a r a c t e r e dt h e m i x i n ga n dt r a n s p o r t i n ga b i l i t i e so ft h ew h o l et w i n - s c r e we x t r u d e r s ，w h i l et h el o c a l r t d ( l r t d ) r e f l e c t e dt h em i x i n ga n dt r a n s p o r t i n go f m a t e r i a l si nt h ec e r t a i n a r e ao f t s e u s i n gaf l u o r e s c e n c em o n i t o r i n gd e v i c e ，t h ep a r t i a lr t do fac o r o t a t i n gt s e w a sm e a s u r e do n l i n e ad e c o n v o l u t i o nm e t h o dw a sc o n s t r u c t e dt od e a lw i t ht w o d i f f e r e n tr t dc u r v e sd e t e c t e dt oo b t a i nt h el o c a lr t do fk n e a d i n gb l o c k sw i t h d i f f e r e n t s t a g g e ra n g l e s ( k b ) a n dt u r b i n em i x i n ge l e m e n t s ( t m e ) b e t w e e n t w o d e t e c t i n gp o i n t s m e a n w h i l et h ep a r t i a la n dl o c a lr t do ft m ew e r et r a n s f o r m e dt o r e s i d e n c ev o l u m ed i s t r i b u t i o n ( r v d ) a n dr e s i d e n c er e v o i u t i o nd i s t r i b u t i o n ( r r d ) t h ef u l lf a c t o r i a ld e s i g nw a si n t r o d u c e dt oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r si n c l u d i n g r o t a t i n gs p e e do ft h es c r e w ，t h es t a g g e ra n g l e so ft h ek n e a d i n gb l o c k s m a dt h e s p e c i f i ct h r o u g h p u tt h a th a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nd e l a yt i m e a n dt h en l e a n r e s i d e n c et i m eo fp r t di nt w i ns c r e we x t r u d e r t h ei n t e r a c t i o ne f f e c t sb e t w e e na n y t w of a c t o r sw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h i nt h ed e l a y t i m ea n dt h em e a n r e s i d e n c et i m ew e r em o s ts i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yr o t a t i n gs p e e d ，t h ea n g l e so f k n e a d i n gb l o c k sa n dt h es p e c i f i ct h r o u g h p u th a v es i m i l a re f f e c t so nt h er e s p o n s e s t h ed e l a yt i m ei si n f l u e n c e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt w of a c t o r s ，a n dt h e s e q u e n c ei sa n g l ew i t hs p e c i f i ct h r o u g h p u tf i r s t ，r o t a t i n gs p e e dw i t hs p e c i f i c t h r o u g h p u ts e c o n da n da n g l ew i t hr o t a t i n gs p e e dt h i r d ；b u tf o rm e a nr e s i d e n c e t i m e ，t h eo r d e ri ss p e c i f i ct h r o u g h p u tw i t hr o t a t i n gs p e e df i r s t ，a n g l ew i t hs p e c i f i c t h r o u g h p u ts e c o n d a n g l ew i t l lr o t a t i n gs p e e d t h i r d t h ei ，r t dr e s u l t so fk ba n dt m er e f l e c t e dt h a tt h em i n i m u mr e s i d e n c et i m e i i i 翌堡塑塑生塑! 曼塑堡堕堕堕坌塑堕茎 ( d e l a y t i m e ) ，m e a nr e s i d e n c et i m ea n da x i a lm i x i n ge x t e n td e c r e a s e da st h es c r e w s p e e da n df e e d i n gr a t ei n c r e a s e d a l s oi t w a sf o u n dt h a tt h en o r m a l i z e dl r t dw e r e o v e r l a p p e dw i t ht h es a m es p e c i f i ct h r o u g h p u t ( q ，n ) ，a n dt h er t dw h i c hr e f l e c t e d t h ei n b e i n g o f m i x i n ga b i l i t i e so f k n e a d i n gb l o c k sw e r eo b t a i n e d t h er t do ft m ew a st r a n s f o r m e dt or v da n dr r d i tw a sd e t e c t e dt h mt h e r v da n dr r ds u p e r p o s e dw i t hs a m ee mf o r ag i v e ns c r e wc o n f i g u r a t i o n s u b t r a c t i n gt h ed e l a y v o l u m e ，a l l t h er v do fd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s o v e r l a p p e de a c ho t h e rw h i c h i n d i c a t e dt h a tt h es h a p eo ft h er v dw a sd e p e n d i n go n t h es c r e wc o n f i g u r a t i o n b yc o m p a r i n gt h el r t do fd i f f e r e n te l e m e n t sa ts a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，i t w a sf o u n dt h a tt h ed e l a y - t i m eo ft m e 9 0w a sl o n g e rt h a no t h e re l e m e n t s ，m a dt h e c u r v e sw a sw i d e s ti n d i c a t i n gt h a tt m e 9 0h a dt h eb e s tm i x i n ga b i l i t i e s a n dt h e l r t do ft h ek n e a d i n gb l o c kw i t hs t a g g e ra n g l e3 0h a ds h o r t e s td e l a y t i m ea n d m i n i m u mw i d t hi n d i c a t i n gp o o r e s tm i x i n ga b i l i t i e s t h em i x i n ga b i l i t i e so ff a m m e w a sb e t t e rt h a nk b 3 0a n dk b 6 0 ，w h i l et h ed e l a y t i m ew a sa l m o s tt h es a m e k e yw o r d s ：t w i ns c r e we x t r u d e r , l o c a lr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ，t u r b i n em i x i n g e l e m e n t s ，k n e a d i n gb l o c k s ，f a m m e ，r e s i d e n c ev o l u m ed i s t r i b u t i o n ，r e s i d e n c e r e v o l u t i o nd i s t r i b u t i o n 1 v 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 双螺杆挤出机广泛应用于聚合物的加工和改性，也可作为反应器用于聚合反 应。双螺杆挤出机内物料的停留时间分布( r t d ) ，反映了物料在热、剪切或化 学条件下的历史。对于反应挤出来说，r t d 影响化学反应效率、降解程度以及 最终产品的质量。 双螺杆挤出机中全局停留时间分布( t o t a lr t d ，t r ) ) 表征物料在整个挤 出机中的加工特性。部分停留时间分布( p a r t i nr t d ，p r t d ) 是从喂料口到机 筒上某一位置的停留时间分布，反映物料从挤出机喂料口到检测点的加工情况。 但是要研究某单个元件或者某一段螺杆组合的加工性能，就需要局部停留时间分 布( l o c nr t d ，l r t d ) 。l r t d 可以通过对区域两侧的可测量r t d 进行去卷积 计算求得，若要研究检测点到挤出机头的l r t d ，可通过对t r t d 和p r t d 曲线 去卷积得到。l r t d 可以反映单个元件的混合性能与输送行为，并可以为选用不 同元件或元件组合形式的提供重要的指导意义，同时将局部停留时间分布与微观 混合相结合，可以为分析反应挤出聚合物制品的性能变化提供重要信息。 捏合块元件是一种应用广泛、具有良好的分布混合和分散混合能力的螺杆元 件。物料在捏合块中形成的高剪切区中受到高剪切、拉伸以及经历分流和重新汇 合、流线折叠、回流等作用实现混合。由于一对捏合盘与机筒之间要形成若干个 被隔开的凹形槽，物料流经捏合块时，由一个捏合盘流入下一个捏合盘时要发生 分流。物料在流入流出各对捏合盘过程中，各股料流有换位、汇合、再分流，增 加了界面，从而促进了分布混合。而在捏合块中，一对捏合盘之间、捏合盘与机 筒内壁之间具有很小的间隙，当螺杆在高速旋转会产生很大的剪切力，促进了分 散混合。 齿形盘元件( 刑e ) 是一种具有强分布混合和分散混合能力的新型混炼元 件。在齿形盘非交错区，通过对物料进行分流，增加界面，提高分布混合能力； 而在交错区，可对料流形成垂直于流动方向的剪切，也有利于分布混合；同时由 于两螺杆间的间隙很小，相互间的相对速度很大，会产生很高的剪切速率，又有 利于分散混合。近年来，随着人们对挤出机性能要求的提高，对高效率的混合元 件需求成了必然趋势。 取螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 第二章文献综述 高分子材料具有质轻、机械性能好，导热系数小、电绝缘性能优良、化学 稳定性好等优点，同时品种多、成型加工容易及来源丰富，在尖端技术、国防 建设和国民经济的各个领域有着广泛的应用，成为现代社会生活中衣、食、住、 行等各个方面不可缺少的材料。 随着现代科学技术的飞速发展，对高分子材料的性能提出了更为多样和苛 刻的要求。为了获得综合性能优异的高分子材料，除了从化学方面合成新型的 高分子之外，通过混合，混炼的方法对聚合物进行改性是发展高分子材料的一 种有效途径。 2 。1 聚合物加工方法 对聚合物进行改性一般是通过向聚合物中添加一定量的各种助剂、添加剂， 或者其他种类的聚合物，以便改善聚合物本身的各种加工性能或使用性能。通 常来说，聚合物的改性可分为物理改性和化学改性两个方面吐 2 1 1 物理改性 聚合物的物理改性是指改性过程中一般只涉及物理过程，而不涉及化学过 程。主要的改性手段包括共混、填充和增强。 ( 1 ) 共混改性。将两种或两种以上的不同种类的聚合物按一定比例在一定 的温度和剪切作用下加以混合，或者是把种类相同而相对分子质量不同或分子 质量分布不同的聚合物在定的温度或熔融状态和剪切应力下混合形成新的聚 合物共混物。通过共混改性的聚合物材料在物理力学、电性能、抗老化性能、 加工性能方面得到很大的改善。 ( 2 ) 填充改性。通过在聚合物中添加其它的无机或有机物质，使其力学性 能、加工性能、使用性能方面得到改善。对聚合物添加填充剂，不仅可以使聚 合物的力学性能和热性能得到很大的改善，增加一些聚合物本身所不具有的特 殊功能外，还可以通过向聚合物中添加一些廉价的填充剂以达到节约成本的目 浙江大学硕士学位论文 的。 ( 3 ) 增强改性。是在聚合物中加入纤维状增强材料以改进聚合物的性能， 特别是力学性能的一种改性的方法。其增强机理分为树脂与纤维形成物理结合 型和化学结合型。物理结合型是指仅由纤维和树脂间的机械结合力而获得的结 合形式，其增强效果小：而化学结合型是在纤维与树脂间形成坚固的化学和机 械结合，增强效果显著。 2 1 2 化学改性 化学改性指通过某些方法在高分子化合物的主链上发生化学反应，使高分 子化合物具有更好的性能和全新的功能。在挤出机中将单体进行聚合以及对现 有聚合物进行化学反应改性的方法称为反应挤出。这种方法的最大特点是反应 过程能够连续进行，而且可以把对聚合物改性或合成与对聚合物的加工、成型 传统上分开的操作结合起来。总体而言，反应挤出具有以下优点： ( 1 ) 挤出过程连续，使反应过程的精确控制成为可能。可以通过改变螺杆 转数、加料量和温度条件，控制最佳的反应开始和反应停止时间； ( 2 ) 物料在挤出机内的停留时间分布窄，有利于获得性能均一的产品。通 过调整操作条件和螺杆几何结构，控制停留时间和停留时间分布。对于同样的 反应，与间歇反应器相比，反应挤出可以大大缩短停留时间，避免物料因长时 间在高温条件下分解。 ( 3 ) 可以实现一些在常规反应器中不能进行的反应过程，制备出新的改性 聚合物。特别适宜生产反应快、粘度高以及反应过程中有液固相的聚合物。 ( 4 ) 反应过程中既能够控制化学结构又能够控制物理形态，可制得具有特 异性能的新型聚合物。 ( 5 ) 可以随时调整螺杆结构和挤出工艺，以适应不同的物料体系，更换产 品具有很大的灵活性。 实际上，挤出过程是一个极为复杂的过程。对于物理改性，加工物料的特 性会随操作条件和停留时间发生很大变化。对于化学改性，反应体系的加工特 性依赖于它们的流变性能和热性能，而物料的流变性能和动力学特性也取决于 挤出机的操作条件和加工历史。目前，以双螺杆挤出机为主体设备，研究操作 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 条件和停留时间变化对挤出制产品影响是聚合物加工课题中一个重要的方面。 2 2 双螺杆挤出机 2 2 1 双螺杆挤出机的特征 挤出机作为聚合物加工主要设备除了可进行聚合物物理加工，如高粘流体 的混合、脱挥、产品成型等操作之外；还可作为化学反应器进行本体聚合，聚 合物的化学改性如接枝、嵌段共聚、交联和降解、聚合物共混物的反应性增容 等。利用双螺杆挤出机作为化学反应器进行反应挤出，无论是从生产效率和经 济的角度考虑，都比在传统的间歇反应器进行化学反应具有明显的优势。 啮合同向双螺杆挤出机在反应挤出中得到尤其广泛的应用。针对反应挤出 的不同目的和不同的化学反应操作要求，需要对挤出机的螺杆构型、操作条件 进行不同的设置。一般说来用于反应挤出的啮合同向双螺杆的螺纹头数为二头， 因为二头螺纹元件能够提供大的反应体积和最小的剪切功输入。两根螺杆应当 以最小的间隙并列放置，其一根螺杆的螺槽根部被另一根螺杆的顶部扫过，保 持良好的自洁性，以消除挤出时物料可能停滞的死角，防止物料沉积或粘挂在 螺杆上。在啮合区，两根螺杆的螺槽应当是纵向开放的，使物料可由一根螺杆 流向另根螺杆，产生恒定的混合，这对适度而均匀的混合和热传递特别重要。 整根螺杆可由不同导程的螺纹元件、不同的错列角及不同盘数组成的捏合 块和齿形元件组成。但组合顺序及每个区的长度应根据挤出过程完成的任务来 决定。尤其要注意的是，螺纹元件的组合顺序主要影响沿螺杆物料的充满程度； 不同的螺杆组合会有不同的停留时间分布。薄捏合盘组成捏合块，可提高物料 在螺杆中的充满度，加长停留时间，获得更大的纵向混合；而厚捏合盘组成的 捏合块能产生非常窄的停留时间频谱以及最小的纵向混合和彻底的横向混合。 通过螺杆、机筒的结构设计，还可提供良好的温控条件和传热条件，使放 热反应得至b 严格的控制。对于具有特高传热值的反应，可通过机筒壁上的循环 沟槽中的介质将热量带走。为精确控制反应，可对积木式的不同机筒段进行单 独或成组的加热或冷却。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 双螺杆挤出机的加工过程 根据物料在挤出机中不同的加工过程将挤出机分成许多段。这些加工段不 是毫无联系的，而在某种程度上是相互交叠的，当聚合物性能或操作条件改变 时，其边界可以改变。例如熔体输送段中也能产生一定的混合，因而混合段与 熔体输送段交叠。挤出加工过程主要可分为：固体输送、塑化或熔融、熔体输 送或挤出、排气、混合和模口成型。 2 2 2 。1 固体输送 固体输送段从料斗往下几个直径处延伸入挤出机筒。由进料斗中的输送过 程与螺槽中的输送过程大不相同，所以固体输送段分为：料斗中的重力诱发固 体输送段和螺杆中的阻力诱发固体输送段。配有螺杆的料斗，两种输送型式同 时存在。 物料从料斗向下流动至螺槽中后，重力诱发流动机理将基本上停止。当物 料在螺槽中时，由于固体边界之间，即螺槽表面与机筒表面之间的相对运动而 使物料向前运动。固体物料的流率取决于作用在物料上的各种力，这些力在很 大程度上决定于作用在边界上的摩擦力。挤出机中可由外部施加的机械力做驱 动力，物料在螺杆中作正位移输送。在固相物料在充满螺槽的情况下，在螺槽 中被料筒内表面拖曳输送并压实，可视作稳定拖曳引起的直槽中的输送和压实， 这时固相和移动表面间的摩擦是驱动力的源泉。 c a r r o t l 2 j 认为啮合同向双螺杆挤出机中的固相输送有两种机理：基于摩擦拖 曳的沿螺槽方向输送和沿螺杆轴线方向的正位移输送，并认为上啮合区的正位 移输送量就是全部正位移输送量。 郭强和耿孝正【3 j 利用可视化机筒，在同向双螺杆挤出机中分别对固体粒料 和固体粉料的输送进行研究。发现粒料和粉料具有不同的输送方式。粉料的输 送与螺杆构型、操作条件和物料特性有关，在计量加料( 饥饿加料) 的条件下， 物料在螺槽中输送方式与粒料相似：但在溢流加料( 重力加料) 条件下，出现 摩擦拖曳下的沿“。”形螺旋通道输送，而不同于粒料的输送。 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 2 2 2 。2 熔融 熔融过程是双螺杆挤出过程中最为复杂的阶段。在这一阶段，被压缩的聚 合物固体粒子由室温或加料温度提高到设备的出口温度( 即加t 温度) 。匿【体颗 粒进入熔融段后，在固体床和机筒接触表面产生熔膜。熔膜厚度超过螺杆和机 筒的间隙时，螺棱会将熔膜刮下，使熔体在螺纹的推力面前汇集，随着熔融的 进行，汇集成熔池。熔融过程涉及固体物料如何转变为粘流态，而且与挤出过 程的混合密切相关；同时也是挤出过程耗能最大的阶段。 p o t e n t e 【4 】使用骤冷机筒，抽出螺杆的实验方法研究物料在不同捏合块中的 熔融情况。认为在固体输送区，聚台物粒料在热空气对流作用下预热，在熔融 起始点聚合物颗粒被压实并被熔体润湿。熔融的能量来源是粘性耗散生热。 c u r 5 使用剖分机筒双螺杆挤出机对多种聚合物在捏合块中的熔融机理进 行研究，发现无定型聚合物在剪切流动引起的粘性耗散下熔融；而结晶性聚合 物则经历固体床的形成、破裂以及大量颗粒漂浮的过程。熔融的能量主要来源 为粘性耗散生热和机筒热传导。 耿孝正和朱林杰【1 1 采用视窗可视化双螺杆装置研究了不同捏合块以及螺纹 元件的熔融现象。发现不同的螺杆构型、操作条件( 螺杆转速、加料量、机简 温度) 和物料特性，颗粒料的熔融过程是不同的。归纳出典型的熔融形态，并 阐明不同的熔融形态的具体特征以及能量来源。 通过对挤出过程熔融真实情况的研究，逐步建立物理模型，以最终确定数 学模型。但是由于双螺杆挤出机中熔融过程的复杂多变，并且受到螺杆构型、 物料特性以及挤出机本身的操作条件的影响，很难建立统一的数学模型。目前， 解决的方法是通过对于熔融子区进行研究，根据各个熔融子区之间的联系，把 各个熔融子区联合起来，从而建立统一的理论模型。 2 2 。2 3 熔体输送 双螺杆挤出机中的熔体输送与挤出机的种类和螺杆元件间的啮合和封闭程 度有关。对于啮合型同向双螺杆挤出机，两根螺杆元件间的啮合区纵向开放、 横向封闭。熔体的输送机理主要受纵向开放程度的支配。纵向开放的程度小， 6 浙江大学硕士学位论文 认为是正位移输送。开放的程度越大正位移输送能力丧失的越多，粘性拖曳输 送机理的作用就越大。 由于挤出机口模的存在，口模至螺杆末端的螺槽中充满熔体，从而建立起 压力，沿螺杆轴线方向就形成压力梯度，也在横过螺槽的方向形成压力梯度。 同时由于啮合的两螺杆之间、螺杆和机筒内壁之间存在四个间隙，即螺棱顶部 和机筒内壁间隙、四面体间隙、侧间隙以及压延间隙。在螺杆推力和压力梯度 存在的情况下，熔体在挤出机的间隙之间发生流动，进而达到输送的目的。 2 2 2 4 排气 排气是指挤出过程中将产生的气体排出。在聚合物加工过程中，常常需要 将从物料中产生的气体排除，否则将造成制品缺陷，影响制品的性能，甚至使 加工过程难以进行。 在螺杆挤出中，排气受挤出量、混合情况、停留时间分布及排气效率等多 种因素和各因素相互作用的影响。研究排气机理，必须对聚合物熔体、聚合物 溶液的热特性、流变行为、粘弹性、挥发物在溶液中的扩散、相对分子质量和 其它特性对排气的影响进行研究。关于排气，目前有三种理论：自由发泡脱挥 发分、可控扩散脱挥发分及强制发泡脱挥发分。 2 2 2 5 混合 混合大体上可定义为降低某混合物的非一致性的过程，基本机理是引起各 组分的物理运动。聚合物共混对混合的要求可以分为两类：分散性混合和分布 性混合。分散混合是将组分粒度减小，将固体块或聚集体破碎成微粒或使不相 容聚合物的分散尺寸达到所要求的范围。而分布混合是使各组分的空间分布达 到均匀，分散混合主要是靠剪切应力和拉伸应力来实现的，而分布混合主要是 靠应变作用下置换流动单元位置来实现的。分散混合和分布混合的主要特性见 图2 1 。 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 混合机理 散混合惺流 正向。同时发现中性 和反向捏合块的平均停留时间很接近。这是因为此时处于全充满的状态，平均 停留时间仅仅是全充满的体积与体积流率的比。在全充满区平均停留时间受螺 杆转速的影响不大。 e i n d e 1 6 】通过比较理论平均停留时间和实验检测平均停留时间来研究传送 元件、单头螺纹、9 0 。捏合块、3 0 。捏合块的局部停留时间情况。研究区域包 括：l = 2 d 的传送元件+ 2 d 的研究元件+ 2 d 的传送元件。平均停留时间计算如下： 矿 瓦= 暑 ( 2 1 ) 鳞 广c ( f ) f 疵 r = = 一 ( 2 2 ) f 础) d t 研究发现不同的研究元件对下游的元件产生不同程度的影响，有的对上游 的元件也产生一定的影响。对比发现，理论的平均停留时间总是要低于实验得 到的平均停留时间，说明了挤出机内部存在回流，使得实际的体积要高于理论 的体积。并得出探头1 和探头2 处实际平均停留时间应该为： 浙江大学硕士学位论文 t v o + g ，巧 。 q l ：堡兰丝! 兰 。 q 其中：q l 和g ：分别是下游回流的体积分数。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 现在随着对挤出过程研究深入，各种模拟软件f l u e n t 、p o l y f l o w 的开发应 用，对挤出机中的停留时间分布的研究取得了巨大的进展。文献中【1 7 还提到应 用l v d o v i c 软件来获得局部平均停留时间。整体平均停留时间由三个部分求 和：固体输送部分、熔体全充满部分及部分充满部分。 ( 1 ) 固体输送部分：固体物料在啮合螺杆中通过正位移输送，轴向速度等 于n b 。故平均停留时间被定义为： - 1 ：上 ( 2 5 ) n b 式中：l 一区域的轴向长度，b 是所考察元件的间距，n 为旋转速度。 ( 2 ) 熔体的部分充满部分：聚合物熔体通过拖曳输送。这是由于螺杆与机 筒的相对运动造成的。它遵循“一”形状，交替的从一根螺杆传到另一根螺杆。 对于轴向长度为l 的平均停留时间被表示为： 一t 2 ：丝( 2 6 ) 2 n b c o s 2 ( o l 2 6 ) 式中：妒一所考虑元件的倾斜角。 ( 3 ) 熔体全充满部分：平均停留时间可以简单地定义为： 砖告 ( 2 7 ) 其中：p 熔体的密度，矿一所考虑单元的空余体积，q 一总的质量流率。 2 4 2 填充度 对于双螺杆挤出机，一般来说加料方式为饥饿喂料，加料的速度一般小于 挤出机的传送能力。因此，机筒内部分是全充满的，其余的地方是部分充满的。 填充度影响物料在挤出机中的输送和混合。同时对在线检测过程，如果检测点 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 位置不充满，粘性物料有可能粘附在检测探头上而不能被及时清洗掉，对检测 结果造成影响。 不同的螺杆区域、不同的螺杆构型、不同的操作条件甚至不同的物料形态 都会显著的影响填充度。在固体输送段填充度一般小于1 ，排气段必须小于l ， 而在熔融输送段小于或等于1 。对于反向螺纹元件或反向捏合块元件，填充度 等于1 ；而反向元件上游的用于建压的正向螺纹段也有一部分填充度是等于1 的。 填充度在双螺杆挤出过程中有很重要的意义。在固体输送段，它反映物料 与螺杆和机筒的接触程度，因而表明物料由机筒吸收热量的情况：在熔融段， 它意味着物料受剪切的强弱；在排气段，它表明物料自由表面积的大小，排气 效果的好坏；在熔体输送段，它表明螺杆内是否建立起压力。通过调节充满度， 可以调节挤出过程，达到预期的目的。 一般来说，在部分充满区，物料自加料区向全充满区输送，若不考虑漏流 情况，最小的填充度口等于相对挤出量【18 ： 口= q = 瓦q ( 2 l 8 ) 若考虑漏流情况，充满度口等于： 口：坐- 旦 ( 2 9 一)口= = ot 2 j 绋 式中：q 一漏流量。 s h o n 1 9 1 根据平均停留时间，物料体积流率和物料实际体积之间的关系，计 算挤出机中的填充度的大小。计算方法如下： ；：监( 2 1 0 ) q ；：皇么( 2 1 1 ) q 其中，矽是填充度；。是总体积；q 是流率。 除了直接计算双螺杆挤出机中的填充度大小外，还可通过计算双螺杆挤出机 中全充满区域的长度来反映物料在挤出机中的输送情况。e l k o u s s f 2 0 1 年d z h u t 2 1 1 先后 浙江大学硕士学位论文 提出模型用来预测同向双螺杆挤出机中牛顿流体的充满长度。他们根据给定一个 螺杆结构，螺纹的传送部分在一定的螺杆转速和体积流率下能够建立一定的压力 梯度。通过分析各种螺杆构型螺槽中的熔体流动情况以及传送区域和阻力元件的 压力产量关系，预测一定压力梯度下的体积流量。充满区域的压力由阻力部分的 几何构型和体积流率来确定。通过传送元件的压力和压力梯度的变化来计算充满 长度。假设流体在下游螺槽方向是完全发展的，下游的运动方程服从压力梯度在 该方向上为常数。则充满长度可通过计算传送元件的压力梯度和出口处阻力元件 的压力需求的乘积来计算求得。 r a j a t h l 2 2 1 针对于大多数无法可视化情况，提出采用压力探头推断填充长度。 其方法是将两个压力传感器置于一个已知距离并安置在感兴趣的填充部分，压 力梯度可以测量得到。如果下游流体被假设为全充满部分，压力梯度为一个常 数。若知道两个压力传感器的相对位置和压力最高点，填充长度部分的压力梯 度可以很容易的估计出来。压力的最高点一般发生在正向传送元件与阻力元件 的交点位置。 2 5 局部停留时间分布 为满足实际生产的要求，需要准确控制双螺杆挤出机的各种加工条件，至 关重要的一点是了解挤出机中物料的流动和混合情况。实际中往往通过测量停 留时间分布来确定挤出机中的混合程度和流动的现象。文献中的研究多是在挤 出机的喂料1 3 加入示踪剂，在机头进行r t d 的测量，这样得到的停留时间分布 为t r t d 。但是要研究某单个元件或者某一段螺杆组成的加工性能，就需要 l r t d 。l r t d 可以反映单个元件的混合性能与输送行为，为选用不同元件或元 件组合形式的提供指导，同时将l r t d 与微观混合相结合，可以为分析反应挤 出聚合物制品的性能变化提供重要信息。 2 5 1l r t d 测量 对双螺杆挤出机r t d 的检测，最常使用的技术是脉冲法，即在体系达到稳 定后，瞬时输入一个脉冲刺激( 示踪剂) ，然后在挤出机下游( 出口或其它位置) 以等时间间隔收集样品并测定其浓度。示踪剂浓度的测定，需要利用示踪剂不同 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 于聚合物主体的性质。最初采用是离线的方法，每隔一个时间间隔采集样品并通 过各种技术测量其中示踪剂的浓度，比如放射性测量【2 3 1 ，热重量测定2 4 0 5 1 ，紫外 吸收方法 26 等，以所选用示踪剂为主。在线测量只要较少的实验工作，并且可 以实时得到大量连续的实验数据点。文献报道的r t d 在线测量方法，有根据放 射性 2 7 】、荧光性 3 8 1 ，、超声波反射圆、导电性口明和磁感应系数的变化【刈等。 由于l r t d 的实验检测的困难，研究者往往通过在挤出机各个位置点将示踪 剂注入，在挤出机口模处测量得到r t d ，并将其定义为l r t d 。j a g e r l 3 1 】和 o b e r l e h n e r 3 2 1 沿着机筒不同位置将示踪剂注入，在口模处测量得到l r t d 。另外 一些研究则是在螺杆的局部测量得到l r t d 。j a g e r ”- 3 4 1 通过具有放射性示踪剂和 两个光检测器来测量反向双螺杆挤出机的各个部分的r t d 。g a o 1 2 1 使用光学探头 沿挤出机的螺杆进行l r t d 测量，也只对口模处检测得到的停留时间分布作进一 步的分析。c a n e v a r o l o 3 5 】利用离线技术。在加料口加入示踪剂，分别在l d = 1 1 和口模处采样得到部分和全局停留时间分布曲线( p 1 和t ) 。在排气孔( l d = 1 3 ) 处加入示踪剂，在口模处采样，得到p 2 部分的停留时间分布。 尽管有了这些有益的尝试，但是l r t d 测量的可行性仍然主要依靠注入示踪 剂的实际可能性和检测示踪剂的指定位置。不幸的是，在聚合物的加工设备的一 些重要的部分检测r t d 几乎不可能。解决的方法是通过去卷积两条曲线的方法， 从数学角度来推导出数据。p o u l e s q u e n i ”1 采用了荧光在线检测方法，两个探头分 别放置在双螺杆挤出机两个不同的位置处，示踪剂在喂料口加入，两个探头分别 检测得到a 部分和b 部分的停留时间分布情况。利用去卷积的方法计算得到c 部分一即局部的停留时间分布情况。其实验测量装雹如下： e 二二二二b z i 芒= a c e r n 妇扩m 吐= 7tt f i 9 2 3 螺杆构型及探头位置设置 f i 9 2 3s c r e wp r o f i l ea n dt h ep o s i t i o no f t w op r o b e s 1 6 浙江大学硕士学位论文 2 5 2l r t d 相关研究 文献中对全局停留时间分布的研究很多口7 ，3 8 1 ，而对l r t d 的研究却很少。 究其原因是主要包括两方面： ( 1 ) 直接测量获得l r t d 困难。由于双螺杆挤出机本身结构的复杂性。对 于双螺杆挤出机的停留时间分布方面的实验研究，主要采用的方法是示踪剂被瞬 间注入聚合物流体中，在挤出机某一位置( 通常在挤出口模) 来检测得到示踪剂 浓度随时间的变化情况。但是要获得局部停留时间的分布情况，尤其是较短部分 的l r t d 情况时，由于该部分的平均停留时间相对较小，当采用脉冲法时，加入 示踪剂的非瞬时性引起的误差将严重影响测量结果。 ( 2 ) 由于实验方法得到l r t d 比较困难，一种解决的方法是在实验基础上 采用数值方法，但数值计算方法的研究还处于发展阶段。文献中提到的数值计 算方法可分为两类：一类是基于余差最小化的思想，根据已知的p r t d 和t r t d 曲线，连续修正计算未知的l r t d 曲线，使得余差最小化。h u n e a u l t r 3 9 1 和w e t z e l 4 0 l 等提出方法属于此类。这类方法一般需要大量迭代计算，同时采用优化方法， 但结果收敛困难。另一类是直接采用去卷积的方法处理部分停留时间分布曲线 和全局停留时间分布曲线得到l r t d 曲线，如p o u l e s q u e n 3 6 1 和c a n e v a r o l o 3 5 】提 出的方法，这类方法更直观，但是去卷积在数学算法实现上比卷积困难得多。 o b e r l e h n e r 3 2 】考察了不同的螺纹元件在双螺杆挤出机中的l r t d 情况。采 用的方法是在挤出机中某位置加入示踪剂，出口检测，并结合压力分布进行分 析。对于正向传送元件建立了上升的压力分布。当捏合块元件置于研究区域时， 该位置的压力梯度消失了，并有比正向螺纹元件具有更长的停留时间分布。而 对于反向螺纹元件，压力分布是先升到一个最高点后压力开始下降，然后又上 升。醴明反向元件对混合贡献更大，从而使得左旋元件的r t d 曲线比正向传送、 混合元件更宽而且延迟时间更长。但是，该方法只能考察挤出机中某一可注入 示踪物质的位置点到挤出机口模的局部停留时间分布，不具有普遍适用性。 双螺杆挤出机中局部停留时间分布研究 图2 4 不同螺纹元件的停留时间分布曲线 f i 9 2 4r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n ts c r e we l e m e n t s 错列角是影响捏合块元件工作性能的重要参数。错列角决定了捏合块元件 的螺旋方向，形成了正向，反向和中性捏合块。错列角的大小影响捏合块元件 相邻盘片之间开口的大小，也即发生漏流的难易程度。 p 0 u l e s q u e n 3 6 1 通过卷积的方法来评价捏合块的l r t d 情况。结果发现正向 与反向捏合块的局部停留时间有明显的差别，同时错列角度大小的影响变得更 重要。对于轴向混合能力，减少的顺序依次是：- - 3 0 。、- - 6 0 0 、3 0 0 、6 0 0 。结果 见，图2 4 。 t i m e s 图2 5 错列角的影响( n = 2 0 0 r p m ，q 。1 0 k g h ) f i 9 2 5 i n f l u e n c eo f s t a g g e r i n ga n e ! l e ( n 2 2 0 0 r p m ，q = 1 0 k g h ) c a l u m b y 4 1 1 等应用直接去卷积方法研究l r t d 情况，发现4 k b 9 0 有最大的 延迟时间和最宽的形状。说明9 0 。捏合块元件对示踪剂的轴向分散有最大的贡 浙江大学硕士学位论文 献。4 5 0 捏合块元件尤其是在低的q m 时与螺纹元件很接近，只是延迟时间略 长。螺纹元件在低q n 时，填充程度低，曲线形状比较狭窄，时间参数如延迟 时间、平均停留时间和方差都比较低。喂料速率对延迟时间、平均停留时间和 方差有显著的影响。喂料速度越高，填充程度越好，使得延迟时间、平均停留 时间和方差均减小。但是，上述两人研究的局部是包含捏合块元件和螺纹元件 的较长的一段螺杆构型，没有获得单一元件的l r t d 情况。 2 6 析因设计 实验研究中，响应往往是两个或两个以上多个因素共同作用的结果。有的 表现为各个因素独立作用，即每个因素的作用不受其它