回流對不相容體系共混物分布混合效果的影響

周炳斌，馬秀清，黃鳳春，梁文虎

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

回流對不相容體系共混物分布混合效果的影響

周炳斌，馬秀清＊，黃鳳春，梁文虎

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

對嚙合同向雙螺桿擠出機熔體輸送段6種不同螺桿構型所形成的流場進行了數(shù)值模擬，并進行了實驗研究。結果表明，增大回流系數(shù)能增強共混物的分布混合效果，并且回流系數(shù)越大，分布混合效果越好。

不相容體系；共混物；嚙合同向雙螺桿擠出機；回流系數(shù)；分布混合

0 前言

嚙合同向雙螺桿擠出機具有優(yōu)異的混合性能，廣泛應用于聚合物的改性、脫揮、反應擠出及成型加工等［1］。隨著聚合物加工工業(yè)的發(fā)展，對雙螺桿擠出機混合性能的要求也越來越高，對高效率的混合元件的需求也成了必然，因此國內(nèi)外很多專家和學者紛紛研制了各種新型混合元件來改善聚合物的混合效果。

對于分布混合，要確保良好的分布性混合效果，必須確保頻繁的流體分流、合并和置換或高剪切應變和拉伸應變、均勻的形變歷程［2］。目前，大多數(shù)分布性混合元件是分流類的元件，即主要依靠在元件上開槽來提高分布混合性能，例如齒形盤，螺紋混合元件（SME）等［3］。

本文在熔體輸送段設置一個置換區(qū)，置換區(qū)分別為齒形盤、不同錯列角捏合盤以及齒形盤或中性捏合盤與反向元件的組合構型。使用Polyflow軟件對這些元件形成的流場進行了三維數(shù)值模擬及回流系數(shù)（回流量與凈流量的比值）的分析計算，并對這些螺桿構型的分布混合能力進行了實驗研究，以探索元件的回流系數(shù)和分布混合能力的關系。

1 模擬部分

1.1 數(shù)學模型

基本假設：為擬定流場，考慮到熔體輸送的具體條件和聚合物的特性以及雙螺桿擠出過程中熔體輸送段的具體情況，作如下假設：

（1）熔體為不可壓縮的流體；

（3）雷諾數(shù)較小，流動為層流流動；

（4）慣性力、重力等體積力要遠小于黏滯力，可忽略不計；

（5）流道壁面無滑移；

（6）熔體在流道中全充滿。

數(shù)學方程：基于以上假設，在直角坐標系下，連續(xù)性方程簡化為：

動量方程為：

基于等溫假定，不考慮能量方程，需要根據(jù)連續(xù)性方程、動量方程和本構方程來求解速度場。

數(shù)據(jù)采集及共享層是整個系統(tǒng)的基礎，其采集的各類信息可為系統(tǒng)應用提供信息來源，數(shù)據(jù)采集及共享層主要構筑以檢測器檢測數(shù)據(jù)和外部共享數(shù)據(jù)為基礎的多源信息采集系統(tǒng).

流體為非牛頓流體，選用Cross模型，其本構方程為：

式中 η0——零切黏度，Pa·s

λ——時間常數(shù)

m——Cross模型指數(shù)

1.2 物理模型

本文采用的6種構型，它們分別是：（1）齒形盤；（2）齒形盤＋反向元件；（3）錯列角為90°的捏合塊；（4）錯列角為90°的捏合塊＋反向元件；（5）錯列角為120°的捏合塊；（6）錯列角為150°的捏合塊，如圖1所示。其中捏合盤單片厚度為7.5mm；螺桿外徑為33.6mm，機筒內(nèi)徑為34mm，螺桿中心距為30mm，計算域長度為60mm。

圖1 螺桿構型Fig.1 Screw configuration

根據(jù)模型實際尺寸，建立用于有限元分析的構型的流道模型，圖2為螺桿構型3流道的物理模型。

圖2 螺桿組合流道的物理模型Fig.2 Physical model of screw assembled field

1.3 物性參數(shù)及邊界條件

在流場模擬計算中，所采用的聚丙烯（PP）的物性參數(shù)：η0＝9560Pa·s；λ＝0.3664；m＝0.7372。

本文用入口流量與出口壓力共同定義流道的出入口邊界。入口端面給定與實驗加料量對應的體積流量Q＝1×10－6m3/s，出口壓力P＝3MPa。對流場的其他3個邊界給定速度邊界條件，根據(jù)壁面無滑移的假設，在螺桿外表面上為周向轉動速度邊界，根據(jù)實驗工藝條件，左右兩螺桿轉速Ns＝50r/min；而機筒是靜止不動的，因此機筒內(nèi)表面速度Vb＝0。

2 實驗部分

2.1 主要原料

PP，1008，北京燕山石化化工股份有限公司；

聚苯乙烯（PS），158K，揚子巴斯夫苯乙烯系列有限公司。

PP/PS＝80/20（質(zhì)量比）。

2.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機，LSM30/34，德國Leistritz公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），Hitachi S－4700，日本 Hitachi公司。

2.3 螺桿構型、機筒組合及溫度條件

圖3為本文用到的機筒組合及螺桿構型。T1～T6分別為：210、230、230、230、230、230℃，T7為210℃。

圖3 螺桿構型與機筒組合Fig.3 Configuration of screw and barrel

2.4 樣品制備

設定螺桿轉速為50r/min，加料量為5kg/h，分別用上述6種螺桿構型擠出試樣。

2.5 性能測試與結構表征

在“海-島結構”兩相體系共混物中，在宏觀上是均勻的，但在微觀上樣本的不同測點分散相濃度不可能完全相同，分散相分布均一性可用分布不均一系數(shù)Kc來表征［4］。Kc值越小，分散的均勻性越好，即分布混合效果越好。

式中 ci——樣本中的分散相濃度

c——分散相平均濃度

S——樣本濃度標準差，即式（5）的平方根

m——樣本數(shù)

SEM分析：將擠出的試樣放入液氮中冷卻，脆斷，端面噴金，利用SEM觀察共混物斷面的相態(tài)結構并拍攝照片。

3 結果與討論

由圖4可看到，（a）和（c）有明顯的粒子分布較疏散的區(qū)域（在圖中用“□”標出）和粒子分布較緊密的區(qū)域（在圖中用“○”標出）；（b）和（d）也有粒子分布較松散或密集的區(qū)域，但沒有（a）和（c）明顯；而（e）和（f）總體分布比較均勻，沒有明顯的分布疏散或緊密的區(qū)域。由表1可知，回流系數(shù)大的螺桿構型，其相應的不均一系數(shù)也就較小。下面對回流系數(shù)和分布混合的關系作具體分析。

表1 回流系數(shù)和不均一系數(shù)Tab.1 Backflow coefficient and inhomogenous coefficient

圖4 樣品的SEM照片F(xiàn)ig.4 Photograph for the samples

圖5（a）為螺桿構型1和螺桿構型2的不均一系數(shù)的柱狀圖。構型1為齒形盤（總長60mm），構型2為齒形盤和反向元件的組合，即用30mm長的反向元件取代構型1下游30mm長度的齒形盤而成，目的是為了提高其回流系數(shù)。齒形盤是具有很強分布混合能力的混合元件，對物料能起到很好的分流、合并和置換的作用［5］。雖然構型2的齒形盤長度比構型1小，但從柱形圖可以看出，構型2的不均一系數(shù)比構型1要小一些，即分布的均勻程度比構型1要好。這是因為構型2下游的反向元件的強回流作用，使物料出現(xiàn)較多的回流而多次來回經(jīng)過上游的齒形盤，使物料分流合并的次數(shù)多于構型1，最終具有了更好的分布混合效果；同時由于反向元件的存在增加了物料的停留時間，這對促進分布混合也具有良好的作用。

圖5 不均一系數(shù)Fig.5 Inhomogenous coefficient

圖5（b）為螺桿構型3和螺桿構型4的不均一系數(shù)的柱狀圖。90°捏合塊不具有輸送作用，但能對物料起到很好的分流、合并和置換的作用，促進物料的分布混合。構型4雖然反向元件的存在取代了30mm長的捏合塊，但不均一系數(shù)卻比構型3小。這同樣說明了回流對共混物的分布混合起很大的作用。

從圖5還可以看到，構型1的不均一系數(shù)比構型3的?。煌瑯?，構型2的不均一系數(shù)比構型4的小，這說明齒形盤的分布混合性能比中性捏合盤好。

由圖6可知，各構型回流系數(shù)依次增大，其相對應的不均一系數(shù)依次下降，即分布混合性能越好。對于90°捏合塊，本身沒有輸送能力，物料在上游的壓力作用下，很快通過了捏合塊混合區(qū)，其停留時間相對較小，回流系數(shù)也較小，分布混合效果也相對較差。隨著捏合塊錯列角的增大，回流系數(shù)也越大，即物料的回流效果也越明顯，使物料回流量大而可能經(jīng)歷的分流次數(shù)也變多，其分布混合效果也就越好。總之，分布混合性能隨著回流系數(shù)的增大而增強的趨勢是明顯的。

圖6 回流系數(shù)和不均一系數(shù)Fig.6 Backflow coefficient and inhomogenous coefficient

4 結論

（1）對于分流類分布混合元件，在下游加上反向元件能增加其分布混合能力；

（2）回流系數(shù)越大，分布混合性能越好，實驗與模擬結果一致。

［1］ 耿孝正.雙螺桿擠出機及其應用［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2003，1.

［2］ 陳志強，王春芬，汪 頤.嚙合同向雙螺桿擠出機新型混煉元件性能及應用［J］.中國塑料，2001，15（6）：78－83.

［3］ 耿孝正.塑料混合及連續(xù)混合設備［M］.北京，中國輕工業(yè)出版社，2008，1.

［4］ 王國全.聚合物共混改性原理與應用［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2007，1.

［5］ 宋曉波，許忠斌，馮連芳，等.齒形盤元件的局部停留時間分布［J］.中國塑料，2006，20（2）：93－98.

Effect of Backflow on the Distributive Mixing Performance of Incompatible Polymer Blends

ZHOU Bingbin，MA Xiuqing＊，HUANG Fengchun，LIANG Wenhu
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

The flow fields of six different screw configurations at melt conveying section in an intermeshing co－rotating twin－screw extruder were simulated and the corresponding experiments were carried out.It showed that increasing the backflow coefficient enhanced the distributive mixing effect of polymer blend，and the greater the backflow coefficient was，the better the distributive mixing performance was observed.

incompatible system；blend；intermeshing co－rotating twin screw extruder；backflow coefficient；distributive mixing

TQ320.66＋3

B

1001－9278（2011）08－0094－05

2011－04－11

工程塑料高性能化制備關鍵技術的研究與開發(fā)（2008BAE59B04）

＊聯(lián)系人，maxq＠m(xù)ail.buct.edu.cn