一種新型差速同向雙螺桿擠出機

徐百平

(1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300；2.廣東省高分子材料先進加工工程研究中心，廣東 廣州 510300)

同向自潔型雙螺桿擠出機廣泛應(yīng)用于聚合物加工、食品加工以及藥品成型等領(lǐng)域，是目前高分子材料加工及其合金制備的典型代表機器。這類設(shè)備的螺桿采用積木式組合，螺桿構(gòu)型靈活多變，兩根螺桿在嚙合區(qū)轉(zhuǎn)動方向相反，產(chǎn)生強混煉，具有良好的輸送、混合及排氣性能，可以實現(xiàn)自潔功能及比較窄的停留時間分布控制。經(jīng)過多年的發(fā)展，同向雙螺桿的混煉加工能力已經(jīng)到達極限，流道空間的對稱性導(dǎo)致了其效能已無法進一步提升。從2010年開始，為突破傳統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)對稱性，引入對稱破缺效應(yīng)及拉伸力場作用，全面提升加工過程的熔融、混煉的效率，作者提出了差速同向雙螺桿的新概念[1]。作者首先通過計算機編程篩選得到了多種不同轉(zhuǎn)速比的螺紋原件、捏合塊結(jié)構(gòu)造型，然后進一步推導(dǎo)出差速非對稱同向雙螺桿的造型的解析解方程組，實現(xiàn)非對稱差速雙螺桿技術(shù)的不斷創(chuàng)新，接連申請了十余項發(fā)明專利，2015年，獲得了美國專利授權(quán)，又申請了美國、歐洲及東南亞等國家的PTC專利3項，正處于實質(zhì)審查階段。在這類新型裝備中，兩根螺桿位于“8”字孔內(nèi)，同向差速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動過程中始終和機筒內(nèi)壁相切，且能始終保持兩螺桿的嚙合，具備良好的自潔性能；兩螺桿或者多螺桿的流道為非對稱結(jié)構(gòu)，流道經(jīng)歷空間變換，非充滿情況下料隴在兩根螺桿螺槽內(nèi)的填充率也不同，物料擠出過程中受到非對稱作用，前期初步研究表明其具備較強的混合混煉能力[2～3]。新型裝備可以廣泛應(yīng)用于聚合物改性材料、組織化植物蛋白以及食品和醫(yī)藥等生產(chǎn)領(lǐng)域，是一種新型綠色的加工方法。同時，作者帶領(lǐng)團隊研制成功世界上第一臺差速同向雙螺桿擠出機，并向兩家企業(yè)推廣用于高填充復(fù)合材料和打印機碳粉的生產(chǎn)，開啟了產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用之路。2016年，美國塑料工程師協(xié)會舉辦的技術(shù)研討會（ANTEC2016）專題報道了塑料機械裝備領(lǐng)域的兩項重大創(chuàng)新技術(shù)，同向非對稱嚙合型差速雙螺桿擠出裝備為其中之一[4]。目前，作者帶領(lǐng)工程中心團隊，積極探索新型加工的原理，優(yōu)化完善技術(shù)細節(jié)，推進校企合作，進行產(chǎn)業(yè)化升級，力爭制造出新一代先進的差速雙螺桿裝備，圍繞高精尖材料制備技術(shù)，推動行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，領(lǐng)跑世界雙螺桿技術(shù)創(chuàng)新，服務(wù)于行業(yè)和企業(yè)，創(chuàng)造經(jīng)濟和社會效益。

另一方面，新技術(shù)的出現(xiàn)，為高分子材料加工開辟了嶄新的方向，正逐漸被國內(nèi)同行關(guān)注，帶動了學(xué)術(shù)研究。近年來，除了作者團隊多年來一直圍繞新型螺桿技術(shù)開展研究之外，國內(nèi)北京化工大學(xué)、華南理工大學(xué)、五邑大學(xué)等單位也相繼對新型加工方法機理開展研究，豐富了差速同向雙螺桿的理論及應(yīng)用實踐[5～7]。多年來，作者團隊將計算機數(shù)值模擬技術(shù)和可視化實驗技術(shù)相結(jié)合，圍繞非對稱差速同向雙螺桿幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，加工過程中的熔融機理、熔體輸送及混合混煉過程開展研究，取得了初步的研究成果，目前研究正向著高速高產(chǎn)量研究方向拓展，現(xiàn)將已經(jīng)開展的相關(guān)研究簡要介紹如下。

1 差速雙螺桿幾何學(xué)

1.1 螺桿轉(zhuǎn)速比2:1螺桿造型

差速雙螺桿的幾何結(jié)構(gòu)可以通過相對運動方法求解得到，兩根螺桿的嚙合運轉(zhuǎn)屬于相遇問題。當(dāng)兩根螺桿的轉(zhuǎn)速比為2:1時，為了保證嚙合運轉(zhuǎn)，螺紋頭數(shù)比則為1:2，圖1為一種單頭對雙頭的螺紋組合端面，其中，單頭螺桿的轉(zhuǎn)速為雙頭的2倍。

圖1 一種差速同向自潔型雙螺桿端面造型

以雙頭螺紋為例，當(dāng)θ角為螺槽上任意一點P與極軸起點O2A1的夾角，曲線A1A2的方程可表示為：

這里D=2R為螺桿外徑，β為螺腹角：

當(dāng)螺桿外徑D和中心距離C確定后，可以確定不同螺桿頂角和底角后，這樣就有不同差速雙螺桿端面組合，如圖2所示：

從圖2可以看出，雖然中心距相同，但上下兩組的螺桿構(gòu)型差別很大，這必然對加工過程產(chǎn)生不同的影響。在獲得端面幾何形狀后，通過掃描可以得到螺桿造型的三維結(jié)構(gòu)，圖3(a)和(b)給出了一種螺紋結(jié)構(gòu)及其捏合塊結(jié)構(gòu)示意圖：

1.2 其他轉(zhuǎn)速比的螺桿造型

固定螺桿內(nèi)外徑尺寸，改變兩根螺桿的轉(zhuǎn)速比，可以獲得不同的差速雙螺桿結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩根螺桿轉(zhuǎn)速比為3:1時，螺紋頭數(shù)比為1:3，當(dāng)兩根螺桿的轉(zhuǎn)速比為2:3時，螺紋頭數(shù)比為3:2。圖4(a)和(b)分別為螺桿轉(zhuǎn)速比3:1和2:3的螺紋結(jié)構(gòu)的三維幾何結(jié)構(gòu)示意圖：

圖2 轉(zhuǎn)速比2:1兩種不同端面幾何及運動周期

圖3 轉(zhuǎn)速比2:1差速雙螺桿三維結(jié)構(gòu)

圖4 不同轉(zhuǎn)速比差速雙螺桿三維幾何構(gòu)型

從圖1～4可以看出，與等速同向雙螺桿相比，由于速比的不同，改變了螺槽聯(lián)通的拓撲路線，兩根螺桿的螺槽容積也不同，物料沿螺槽向前輸送過程中，在左右螺槽中運動的對稱性被打破。新型螺桿同樣可以采用積木式組合結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同物料的加工混煉要求。

2 加工機理研究進展

2.1 全充滿熔體混合數(shù)值模擬

建立轉(zhuǎn)速比為2:1的差速雙螺桿螺紋元件一個導(dǎo)程的幾何模型，利用周期性邊界條件，采用純黏性Bird–Carreau本構(gòu)模型，求解全充滿情況下流體運動規(guī)律[8～9]。采用ANSYS POLYFLOW 17.0有限元數(shù)值模擬軟件提供的疊加網(wǎng)格技術(shù)，將8字形流域和螺紋元件分別劃分網(wǎng)格，然后疊加在一起，將轉(zhuǎn)子設(shè)置邊界條件，求解得到速度場，利用自行開發(fā)混合動力學(xué)代碼，采用四階Runge–Kutta積分方法實現(xiàn)了粒子群運動的前鋒追蹤分析。采用Manas-Zloczower分散準(zhǔn)數(shù)表征差速雙螺桿螺紋元件流道內(nèi)的分散混合問題。圖5(a)、(b)分別為差速螺紋組合和疊加后流域轉(zhuǎn)子的有限元網(wǎng)格劃分：

圖5 有限元網(wǎng)格劃分

圖6(a)為螺桿轉(zhuǎn)速120/60組合時，求解得到的速度矢量分布三維視圖，6(b)為對應(yīng)的俯視圖，發(fā)現(xiàn)螺桿機筒間隙及近嚙合區(qū)存在高速區(qū)，嚙合區(qū)存在強烈的再取向作用。6(c)為相應(yīng)的粒子運動的軌跡，流體在沿著左右螺槽翻滾的過程中呈現(xiàn)類螺旋線運動。

假設(shè)中心距及外徑相同，對差速雙螺桿與傳統(tǒng)的等速雙螺桿分散混合能力進行了數(shù)值模擬分析，圖7(a)、(b)為差速螺桿轉(zhuǎn)速60/30與傳統(tǒng)的同向雙螺桿轉(zhuǎn)速60/60分散指數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果對比，可見新型螺桿由于速差和左右不對稱，導(dǎo)致螺槽內(nèi)拉伸場比例明顯高于常規(guī)的同向雙螺桿。兩種情況下共同特點是嚙合區(qū)附近存在高拉伸區(qū)域，雙頭螺紋的近壁區(qū)域存在低拉伸區(qū)域，對物料的分散混合不利。

圖6 差速雙螺桿螺槽內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 剖分機筒靜態(tài)可視化實驗研究

為揭示發(fā)生在流道內(nèi)的熔融及混煉機理，研制成功轉(zhuǎn)速比2:1的機筒剖分式差速雙螺桿擠出機如圖8所示[10～11]。配有強制水冷系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采集加工過程中的雙螺桿轉(zhuǎn)速、機筒擠出壓力、雙螺桿驅(qū)動功率、進入減速箱扭矩等瞬態(tài)參數(shù)。

圖7 差速與傳統(tǒng)雙螺桿在同一螺桿橫截面分散指數(shù)分布對比

圖8 機筒剖分式差速雙螺桿實驗樣機

實驗中采用的螺桿組合方式及溫度設(shè)置見圖9，在加料區(qū)域中采用大螺距螺紋元件，以利于物料的輸送，而后逐漸組合較少螺距的螺紋元件，以增加物料的壓實程度，促進熔融，在熔融區(qū)中使用了3組捏合塊，第一組捏合塊由10片捏合盤組成，其余兩組有5片捏合盤組成，在排氣口前設(shè)置了一個反螺紋元件，以形成熔體密封而利于脫揮排氣。選用HDPE/PS（80/20%質(zhì)量分數(shù)）共混物，在一定工藝條件下通過同向非對稱雙螺桿擠出機開展擠出實驗。此時雙螺桿轉(zhuǎn)速為60/30 r/min，各區(qū)的溫度設(shè)置如圖9所示。

圖9 螺桿組合

在第一區(qū)嚙合區(qū)位置，物料在摩擦力作用下發(fā)生塑性變形，由于雙頭螺紋的螺棱阻擋，使得物料積留在單頭螺槽內(nèi)，導(dǎo)致的正位移輸送，使部分充滿區(qū)中單頭螺槽的充滿度比雙頭螺槽的高，出現(xiàn)了明顯的非對稱性。在機筒傳熱和塑性能耗散作用下產(chǎn)生的熔膜包圍著多個被壓實的固體床，表明固體床之間相互摩擦，部分固體床與機筒內(nèi)壁和螺桿表面接觸，從而使固體床周圍產(chǎn)生熔膜。在第一組捏合塊上，物料受到擠壓和剪切作用，但沒有完全被壓實，片狀HDPE固體仍然清晰可見，熔體滲透到固體之間，到達第二組捏合塊時大量的熔融開始發(fā)生。由于反向螺紋元件的封堵作用，使物料在第四加熱區(qū)的充滿度最高，熔融主要發(fā)生在這一區(qū)域中，在第二組捏合塊后螺紋元件位置，物料完全充滿螺槽，大量的熔體在機筒內(nèi)壁和螺桿表面產(chǎn)生，在第三組捏合塊時，物料在機筒、螺桿加熱及剪切熱共同作用形成的“海-島”模型下進一步熔融。

實驗表明，共混體系的熔融過程大致可劃分為以下4個階段：①壓縮形變、摩擦能耗散和螺桿傳熱；②正向捏合塊中固體間的摩擦生熱；③固體形變和熔池包裹傳熱；④耗散混合熔融。圖10為第二對捏合塊中不同位置的熔融情況，發(fā)現(xiàn)固體繼續(xù)發(fā)生變形，并在熔膜的作用下逐漸加熱熔融，每片捏合盤中物料的橫截面，熔體包圍固體，破碎的PS顆粒也被熔體包圍著。

2.3 全程可視化非充滿熔體輸送及混合機理研究

圖10 熔融過程中的固體形變與熔池包裹傳熱

為觀察物料輸送的動態(tài)過程及與傳統(tǒng)的等速雙螺桿的區(qū)別，研制成功機筒全透明的動態(tài)可視化實驗樣機，可實現(xiàn)雙螺桿等速及2:1差速驅(qū)動。配有四臺照相機從不同角度記錄熔體輸送過程。采用的螺桿結(jié)構(gòu)及照相機布置如11(a)和(b)所示。實驗采用羧甲基纖維納溶液，將羧甲基纖維素鈉在60℃下干燥8 h，稱量羧甲基纖維素鈉，其與水的質(zhì)量比為1:32，用60℃去離子水溶解羧甲基纖維素鈉，配置的聚電解質(zhì)密度為0.97 g/cm3。恒溫攪拌4 h。配置的溶液表現(xiàn)出典型的黏彈行為。

圖11 動態(tài)可視化實驗儀器

從動態(tài)視頻中提取流體分布圖，第四節(jié)機筒四個方位的流體分布如圖12所示，圖12 (a)、(b)、(c)分別代表雙頭螺桿不同轉(zhuǎn)速N，從左到右視圖方向分別為左視、右視、俯視和仰視，圖中箭頭方向代表擠出方向。

螺桿A的轉(zhuǎn)速是螺桿B的2倍。發(fā)現(xiàn)同一時刻螺桿A和螺桿B的填充率不均衡，雙頭螺紋的填充率明顯高于單頭螺紋，這一現(xiàn)象在左右視圖對比中明顯可見。且產(chǎn)量一定時，無論螺桿轉(zhuǎn)速如何變化，雙頭螺紋的填充率始終高于單頭螺紋，存在非對稱效應(yīng)，與靜態(tài)可視化實驗結(jié)果一致[21]，究其原因為物料流經(jīng)左右螺桿螺槽法向截面內(nèi)的質(zhì)量守恒，而單頭螺桿轉(zhuǎn)速為雙頭螺紋的2倍，因此單頭螺槽內(nèi)流體的流速較大，填充度較低；因單頭螺紋元件的轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)動過程中物料黏附在螺紋元件的現(xiàn)象較之雙頭螺紋更為明顯。這說明差速雙螺桿中也存在一部分拖曳流輸送。另一方面，從上嚙合區(qū)觀察，料隴在單頭螺槽中經(jīng)歷了明顯的拉伸變細作用；在下嚙合區(qū)出現(xiàn)了局部堆積松弛過程。上下嚙合區(qū)的這種局部堆積現(xiàn)象導(dǎo)致了物料在上下嚙合區(qū)受到充分混煉作用，可以進一步強化混合。

圖12 動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

觀察軸向流動情況可知，因左右螺桿螺旋升角及螺棱寬度不一致，使得物料在螺槽內(nèi)流動受螺棱的阻礙作用在上下嚙合區(qū)不一致，使得上下捏合區(qū)正位移輸送存在反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖13(a)和(b)，物料在上下嚙合區(qū)環(huán)流的量不一致使得其在螺槽內(nèi)的停留時間變長，與普通的雙頭雙螺桿相比，當(dāng)雙頭螺桿轉(zhuǎn)速相同時，螺槽向前推進的速度相等，非對稱雙螺桿內(nèi)的物料經(jīng)歷更多一次的拉伸和剪切，對混合有一定的促進作用。

圖14為對應(yīng)的常規(guī)的等速雙螺桿動態(tài)可視化實驗結(jié)果，同樣，從左到右視圖方向分別為左視、右視、俯視和仰視，圖中箭頭方向代表擠出方向。表明，在等速同向雙螺桿中，物料在左右兩根螺桿的填充程度基本一致，嚙合區(qū)物料的堆積現(xiàn)象也不明顯。

觀察物料流動的拓撲線路，如下圖15所示。

圖13 差速雙螺桿中物料動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

圖14 等速雙螺桿中物料動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

對比圖12和14發(fā)現(xiàn)，差速雙螺桿中物料流動的拓撲線路不同于傳統(tǒng)的等速雙螺桿擠出機，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速比為2:1時，物料被分為2股，而傳統(tǒng)的雙螺桿擠出機物料被分為3股，可見差速雙螺桿擠出機能實現(xiàn)更好的軸向混合從而消除進料時物料組分波動而導(dǎo)致的質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

3 材料制備實驗

為考察新型差速雙螺桿制備不相容高分子材料體系的加工效果，進行了相關(guān)的對比實驗研究。使傳統(tǒng)同向雙螺桿擠出機和差速雙螺桿的內(nèi)外徑及中心距相同，差速雙螺桿的轉(zhuǎn)速比為2:1。這里，傳統(tǒng)等速雙螺桿的螺桿直徑35 mm，長徑比為48:1，中心距30 mm，結(jié)構(gòu)見圖16(a)；差速雙螺桿的長徑比僅為32:1，螺桿組合見圖16(b)。由圖16可見，傳統(tǒng)雙螺桿螺紋元件導(dǎo)程較小，裝有6組捏合塊，而新型螺桿只裝了2組捏合塊。由螺紋端面造型圖可知，左右螺桿形狀明顯不對稱，掃描成螺紋元件時，螺槽深度一致，但形狀不一致，當(dāng)物料流向左螺桿時，流道體積增加，而當(dāng)物料流回右螺桿時，流道體積縮小，加上差速作用，物料在流道中應(yīng)該不斷受到擠壓和拉伸。

圖15 等速雙螺桿中物料動態(tài)流動過程中的靜態(tài)圖像

圖16 材料制備采用的雙螺桿組合示意圖

圖17為兩種設(shè)備擠出LLDPE/nano-CaCO3(nano-CaCO320% 質(zhì)量分數(shù) )料條掃描電鏡對比照片，實驗過程中雙頭螺桿的轉(zhuǎn)速為70 r/min，采用Image-Pro Plus 6.0軟件統(tǒng)計分析， 圖17(a)中平均粒徑為0.65 μm，圖17(b)中平均粒徑為0.2 μm，可見普通雙螺桿擠出機CaCO3內(nèi)存在一定的團聚現(xiàn)象，非對稱雙螺桿對應(yīng)平均粒徑較小，對應(yīng)CaCO3粒子團聚現(xiàn)象不明顯。

圖17 LLDPE/ CaCO3(CaCO3 20 %質(zhì)量分數(shù))料條掃描電鏡對比照片

圖18為兩種設(shè)備擠出PP/TPU(TPU10 %質(zhì)量分數(shù))料條掃描電鏡對比照片，實驗過程中雙頭螺桿的轉(zhuǎn)速設(shè)定為24 r/min，產(chǎn)量為3.32 kg/h。將擠出料條脆斷噴金，然后進行掃描電鏡測試，采用Image-Pro Plus 6.0軟件統(tǒng)計分析，TPU為分散相，圖18(a)中平均粒徑為1.48 μm，圖18(b)中平均粒徑為0.89 μm，兩種情況下粒徑統(tǒng)計分布見圖19，可見經(jīng)過差速雙螺桿加工的PP/TPU體系粒徑分布更窄。從圖16～19可知，差速雙螺桿具有更優(yōu)異的分布、分散混合效果。

圖18 PP/ TPU(TPU 10%質(zhì)量分數(shù) )料條掃描電鏡對比照片

圖19 分散相粒徑分布統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文提出了一種新型差速同向雙螺桿擠出機的新概念。在保證自清潔功能的基礎(chǔ)上，介紹了差速同向雙螺桿幾何學(xué)，給出關(guān)于這種新型螺桿結(jié)構(gòu)的研究進展。在全充滿情況下，以螺紋元件為研究對象，采用有限元疊加網(wǎng)格技術(shù)對輸送和混合過程進行了數(shù)值模擬研究。與普通雙螺桿結(jié)構(gòu)相比，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)可以提供更優(yōu)越拉伸場，這是由于螺槽容積非對稱性和兩根螺桿間的速度差造成的。采用機筒剖分結(jié)構(gòu)開展的靜態(tài)可視化研究表明，雙相共混體系的熔融過程存在多種機理，其中高熔點固體壓縮變形及包裹熔融傳熱是突出的特點之一。動態(tài)可視化揭示了穩(wěn)定擠出過程中非充滿輸送獨特現(xiàn)象，差速雙螺桿左右螺槽內(nèi)物料的充滿程度差別較為明顯，雙頭部分充滿程度明顯高于單頭，存在著明顯的非對稱現(xiàn)象，這與固體輸送非對稱性剛好相反，出現(xiàn)非對稱反轉(zhuǎn)效應(yīng)；上下嚙合區(qū)的觀察表明，單頭螺槽內(nèi)存在明顯的拉伸作用，嚙合區(qū)存在局部料隴的堆積現(xiàn)象，使得嚙合區(qū)強化混煉的作用得到充分利用，而且上下嚙合區(qū)正位移輸送量不同。本文的研究是在低轉(zhuǎn)速小產(chǎn)量的情況下進行的，未來將向著高速高產(chǎn)量的情況開展研究。

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