聚乳酸在嚙合同向雙螺桿擠出機機頭過渡體的流場研究

時俊峰 黃志剛 蔣衛(wèi)鑫 李夢林 張宏建

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

聚乳酸在嚙合同向雙螺桿擠出機機頭過渡體的流場研究

時俊峰 黃志剛 蔣衛(wèi)鑫 李夢林 張宏建

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

采用PALYFLOW軟件數(shù)值模擬聚乳酸(PLA)在長徑比為44∶1的試驗用小型嚙合同向雙螺桿擠出機機頭過渡體的三維等溫流場。在不同的工藝參數(shù)下，分析比較了過渡體內(nèi)的速度場、壓力場、剪切速率場和黏度場。結果表明：在適當溫度下，增加螺桿轉(zhuǎn)速與增加流量都可以提高流場效果，但與螺桿速度的增加相比，熔體流量的增加更有益于提高整個機頭過渡體流場的混合與塑化效果，增加PLA成品的質(zhì)量。

聚乳酸；雙螺桿擠出機；機頭過渡體；流場模擬

近年來，可生物降解材料逐漸成為當前研發(fā)的熱點[1-2]，聚乳酸(PLA)就是其中的一個代表。PLA作為一種具有良好的生物相容性、降解性和機械性能的脂肪族聚酯，可在生物醫(yī)學領域及包裝材料領域被廣泛應用[3]。至今為止，作為已經(jīng)規(guī)?；目缮锝到馑芰螾LA全球年產(chǎn)能已達到15萬t左右[4-6]。雙螺桿擠出機作為一種主流的使材料進行連續(xù)混合的設備,目前成為聚合物加工工業(yè)中的主要手段。20世紀70年代末，在所有擠出機中雙螺桿擠出機的占比達到了40%[7]。

雙螺桿擠出機機頭過渡體是螺桿機筒與模頭之間的連接段[8]，它可以把螺桿輸送來的塑料熔體，從螺旋運動變?yōu)橹本€運動，如果雙螺桿擠出機不設置過渡階段，螺旋運動可能在模頭擠出之前熔體一直持續(xù)螺旋運動從而導致擠出物變形，而通過機頭過渡體腔的過渡作用，使塑料熔體進一步塑化均勻，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量。本研究擬通過對PLA在長徑比為44∶1的試驗用小型嚙合同向雙螺桿擠出機機頭過渡體流場進行研究，在不同工藝條件下，數(shù)值求解過渡體流場的速度場、壓強場、剪切速率場以及黏度場，分析和討論工藝條件對聚合物熔體在模具過渡體內(nèi)流變行為的影響,為更加直接有效地提高PLA的加工質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 機頭過渡體的幾何構型和網(wǎng)格劃分

本研究選擇與PALYFLOW軟件具有相同內(nèi)核的Solidworks軟件建立模型，然后導入PALYFLOW軟件中進行分析。幾何構型是以長徑比為44∶1的試驗用小型雙螺桿擠出機為模型構建，具體模型見圖1。模型的原點坐標設立在“∞”結構的一個圓柱前端與過渡段相接觸的中心點上，Z軸正方向為熔體的流動方向，本模型用兩個螺桿頭面取代兩個螺桿頭結構，這樣既不缺少運動部分又可以簡化模型的復雜程度。

為了更好地研究與分析模擬結果，在模型的中心建立一條直線，直線與Z軸平行，并在直線上平均取10個點，用于模擬試驗中數(shù)據(jù)的處理。對物理模型進行網(wǎng)格劃分時，在“∞”結構與擠出段采用大尺寸四面體單元進行網(wǎng)格劃分，過渡段采用小尺寸四面體單元進行網(wǎng)格劃分，整個結構所劃網(wǎng)格總數(shù)為11 255個。

圖1 機頭過渡體的幾何構型和網(wǎng)格劃分Figure 1 Geometrical configuration and meshing of nose transition body

2 數(shù)學模型和邊界條件

根據(jù)實際情況和模擬需求，假設PLA熔體為不可壓縮流體；流場為等溫穩(wěn)態(tài)流場，流道全充滿；由于熔體的慣性力和質(zhì)量力相對于黏性力來說非常小，可以忽略不計。因此，流場的連續(xù)性方程、運動方程和本構方程[9-12]為：

·u=0，

(1)

pI+·τ=0，

(2)

(3)

D=(u+uT)/2，

(4)

式中：

u——速度，m/s；

p——壓力，Pa；

I——單位張量；

τ——應力張量，Pa；

η——表觀黏度，Pa·s；

D——變形速率張量，s-1。

本文選用Carreau方程[13-15]，在溫度為190℃下，PLACarreau本構方程模型方程為：

(5)

式中：

η0——零剪切黏度，Pa·s；

λc——松弛時間，s；

n——非牛頓指數(shù)。

模擬時,給定的邊界條件：給定出口壓力值0.21MPa，入口設置流量值，兩個螺桿頭槽面給定轉(zhuǎn)速值；固定流量為3×10-6m3/s，轉(zhuǎn)速分別為200，240，300r/min；固定轉(zhuǎn)速為250r/min，流量分別：2×10-6，3×10-6，4×10-6m3/s。

3 結果與分析

3.1 速度場

由圖2、3可知，螺桿頭周圍的熔體擁有較高的螺旋流速，且與其他區(qū)域熔體流速相比要大幾個數(shù)量級，這是由于螺桿頭的旋轉(zhuǎn)帶動熔體運動引起的，只對螺桿頭周圍的熔體產(chǎn)生影響，而過渡段與擠出段則是沿著Z軸正方向平穩(wěn)地流動，防止了熔體螺旋運動持續(xù)至模頭出口并引起擠出物變形的可能性。

圖2 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場速度分布Figure 2 The flow field velocity distribution with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖3 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場速度分布Figure 3 The flow field velocity distribution with speed 240 r/min and different flow

由圖4、5可知，在流量固定轉(zhuǎn)速不同的情況下，螺桿頭附近的熔體螺旋流速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，其他區(qū)域熔體流速相對穩(wěn)定，螺桿速度對熔體流速影響不大；在轉(zhuǎn)速固定流量不同的情況下，螺桿頭附近的熔體螺旋轉(zhuǎn)速不隨流量變化而變化，其他區(qū)域熔體流速隨流量增大而增大，由此可見，流量變化對機頭過渡體熔體流速影響比較明顯。

3.2 壓力場

由圖6、7可知，過渡體內(nèi)熔體壓力沿Z軸正方向逐漸降低，這是由于入口處螺桿頭與機筒壁之間間隙狹小，熔體通過時造成阻礙產(chǎn)生較大壓力造成的。當流量固定轉(zhuǎn)速不同的情況下，螺桿頭附近的熔體壓力隨轉(zhuǎn)速增大而減小，變化范圍相對較小，其它區(qū)域熔體壓力變化不明顯；當轉(zhuǎn)速固定流量不同的情況下，過渡體整體熔體壓力都有變化，流量越大進出口壓差越大。由此可見，流量變化對機頭過渡體熔體壓力影響比較明顯。

圖4 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場速度變化Figure 4 The flow velocity changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖5 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場速度變化Figure 5 The flow velocity changes with speed 240 r/min and different flow

圖6 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場壓力變化Figure 6 The flow field pressure changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖7 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場壓力變化Figure 7 The flow field pressure changes with speed 240 r/min and different flow

3.3 剪切速率場

由圖8、9可知，過渡體中熔體的剪切速率沿Z軸的正方向逐漸減小，這是由于兩根螺桿同向旋轉(zhuǎn)帶動熔體螺旋運動與機筒壁剪切的結果，當熔體進入直流運動后剪切速率就變得很小。從圖8、9還可以得出，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加，螺桿頭周圍的熔體剪切速率增加；而流量變化對剪切速率幾乎沒有影響。

圖8 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場剪切速率變化Figure 8 The flow field shear rate changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖9 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場剪切速率變化Figure 9 The flow field shear rate changes with speed240 r/min and different flow

3.4 黏度場

由圖10、11可知，螺桿頭附近的熔體黏度較低，這是由于此區(qū)域受螺桿頭旋轉(zhuǎn)的影響，剪切應力比較大，所以熔體黏度較低，沿著Z軸的正方向，受到螺桿頭的影響逐漸減小，黏度逐漸增高。

由圖12、13可知，在流量固定轉(zhuǎn)速不同的情況下，熔體黏度隨轉(zhuǎn)速增大會有降低，但是變化并不是特別明顯；當轉(zhuǎn)速固定流量不同的情況下，熔體黏度隨著流量的增大而降低且變化比較明顯。由此可見，流量變化對機頭過渡體的熔體黏度影響較大，適當增加流量可以有效降低熔體黏度，提高PLA塑化效果，使PLA成品質(zhì)量更高。

圖10 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場黏度分布Figure 10 The flow field viscosity distribution with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖11 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場黏度分布Figure 11 The flow field viscosity distribution with speed 240 r/min and different flow

圖12 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場黏度變化Figure 12 The flow field viscosity changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖13 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場黏度變化Figure 13 The flow field viscosity changes with speed 240 r/min and different flow

4 結論

采用POLYFLOW軟件模擬PLA在長徑比為44∶1的試驗用嚙合同向雙螺桿擠出機機頭過渡體的三維等溫流場，通過對速度場、壓力場、剪切速率場和黏度場的分析，得到結論：在過渡段區(qū)域，熔體受剪切力最大的區(qū)域是螺桿頭的附近，因此實際生產(chǎn)中，要注意該區(qū)域的剪切力不應該超過上限，過了該區(qū)域后，熔體的流動逐漸變得穩(wěn)定均勻；PLA在適當溫度下，增加螺桿轉(zhuǎn)速與增加流量都可以提高流場效果，但相對于增加轉(zhuǎn)速來說，在適當?shù)霓D(zhuǎn)速下，增加熔體流量更有益于提高整個機頭過渡體流場的混合與塑化效果，增加PLA成品的質(zhì)量。

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Study on flow field of polylactic acid in the nose transition body of co-rotating twin-screw extruder

SHI Jun-fengHUANGZhi-gangJIANGWei-xinLIMeng-linZHANGHong-jian

(SchoolofMaterialandMechanicalEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China)

Three-dimensional isothermal flow field of polylactic acid(PLA) of the nose transitional body of length to diameter ratio is 44∶1 experiment with a small meshing direction twin-screw extruder head by using the PALYFLOW software. The fields of velocity, pressure, shear rate and viscosity with different process parameters are analyzed and compared. Results showed that the flow field effect become better with the increase of the screw speed and the flow rate at the appropriate temperature，but compared with the increase of the screw speed, the increase of the melt flow was more beneficial to improve mixing and plasticizing effect of the extruder head's transition flow field, and the quality of PLA products.

polylactide; twin screw extruder; the nose transition body; flow field simulation

時俊峰，男，北京工商大學在讀研究生。

黃志剛(1966—)，男，北京工商大學教授，博士。E-mail:huangzg@btbu.edu.cn

2016-11-13

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.017