拉伸孔混煉單元混煉性能模擬

石紹偉

(江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門(mén) 529000)

隨著人們生活質(zhì)量的提高，塑料制品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，被應(yīng)用于各種行業(yè)。正是由于其被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，這就使得人們對(duì)不同行業(yè)的塑料制品的質(zhì)量要求也各不相同，有的行業(yè)要求比較高[1-3]。塑料制品的質(zhì)量除了與塑料制品本身的原材料配比有關(guān)外，還與加工設(shè)備的性能密不可分。注塑機(jī)就是加工塑料制品的一種關(guān)鍵設(shè)備，其混煉性能的好壞將直接決定塑料制品的質(zhì)量。為了提高注塑機(jī)的混煉性能，并且在小幅度增加成本的情況下，本文提出了拉伸孔螺桿混煉單元。通過(guò)對(duì)螺棱開(kāi)拉伸孔，對(duì)熔融狀態(tài)的聚合物增加周期性擾動(dòng)，從而觸發(fā)混沌混合，提高聚合物的混煉性能[4]。

1 模型的建立

1.1 物理及有限元模型

拉伸孔混煉單元是由三條等距主螺棱構(gòu)成，螺距為70 mm，螺棱高為10 mm，沿著圓周方向?qū)⒅髀堇獾冉嵌乳g斷出3個(gè)間斷螺棱，沿著圓周每隔60°分布一個(gè)拉伸孔，整個(gè)拉伸孔混煉單元的長(zhǎng)為70 mm，外徑為35 mm。為了對(duì)比分析，選取普通螺桿單元的長(zhǎng)為70 mm，外徑為35 mm，螺距為35 mm，螺棱高為2 mm。拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元的有限元模型如圖1所示，有限元是建立在物理模型的基礎(chǔ)上，采用mesh軟件對(duì)拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為2 mm。流道采用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為2 mm，并設(shè)置3層邊界層，第1層為0.5 mm。

圖1 拉伸孔混煉單元與普通螺桿單元有限元模型Fig.1 The finite element model of both the drawing hole mixing unit and the common screw unit

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用Polyflow模擬計(jì)算，需要作如下假設(shè)：(1)流體為高粘度流體，計(jì)算時(shí)忽略掉慣性力和重力的作用；(2)流體的流動(dòng)為等溫不可壓縮的流動(dòng)；(3)沒(méi)有邊界滑移；(4)流體為非牛頓流體[5]。

流體的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程及本構(gòu)方程[6]：

(1)

(2)

(3)

模擬分析時(shí)選取高密度聚乙烯(HDPE)為模擬材料，其模型由Bird-Carreau模型給出：

(4)

式中，η為表觀黏度；η∞為無(wú)窮大剪切速率黏度；η0為零剪切黏度；λ為松弛時(shí)間值；n非牛頓指數(shù)。

取η∞=1500 Pa·s，η∞=0 Pa·s，λ=5.5 s，n=0.34。

模擬時(shí)機(jī)筒壁面靜止，壁面無(wú)滑移，螺桿的轉(zhuǎn)速為60 r/min，熔體流動(dòng)方向?yàn)閅軸正方向。

2 模擬分析

2.1 停留時(shí)間

停留時(shí)間主要用來(lái)評(píng)價(jià)聚合物的分布混合性能。通常停留時(shí)間越長(zhǎng)，分布混合性能越好。圖2是拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元的停留時(shí)間概率分布曲線，從圖2中可以看出，拉伸孔混煉單元的曲線在普通螺桿單元的曲線右側(cè)，說(shuō)明拉伸孔混煉單元內(nèi)的聚合物物料粒子經(jīng)歷的停留時(shí)間比普通螺桿單元內(nèi)的聚合物物料粒子時(shí)間長(zhǎng)，拉伸孔混煉單元內(nèi)聚合物物料粒子的混合時(shí)間長(zhǎng)，分布混合性能比普通螺桿單元的分布混合性能好。

圖2 停留時(shí)間分布曲線Fig.2 Residence time distribution curve

2.2 分離尺度

分離尺度是用來(lái)評(píng)價(jià)分散混合性能的重要指標(biāo)之一。圖3是拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元的分離尺度分布曲線。從圖3中可以看出，拉伸孔混煉單元的曲線呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，而普通螺桿單元的曲線則首先驟降，而后出現(xiàn)小的上升趨勢(shì)，最終拉伸孔混煉單元的曲線略低于普通螺桿單元的曲線。出現(xiàn)圖3所示的曲線說(shuō)明拉伸孔混煉單元可以持續(xù)減小聚合物物料粒子，而普通螺桿單元?jiǎng)t是迅速減小聚合物物料粒子，隨后又出現(xiàn)了聚合物物料粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，不利于提高聚合物的分散混合性能，從最終結(jié)果來(lái)看，拉伸孔混煉單元對(duì)應(yīng)的聚合物物料粒子的分離尺度低于普通螺桿單元的聚合物物料粒子的分離尺度，拉伸孔混煉單元的分散混合性能更好。

2.3 最大剪切應(yīng)力

一般情況下，最大剪切應(yīng)力越大，聚合物的混合性能就越好。圖4是拉伸孔混煉單元與普通螺桿單元的最大剪切應(yīng)力概率密度分布曲線，從圖中可以看出，兩者的曲線在剪切應(yīng)力為1000～3000 Pa之間時(shí)，兩者對(duì)應(yīng)的聚合物物料粒子的數(shù)量最多，說(shuō)明兩者對(duì)應(yīng)的聚合物物料粒子受到的最大剪切應(yīng)力都集中在這一區(qū)域。同時(shí)，還可以看出在這一區(qū)域內(nèi)，拉伸孔混煉單元對(duì)應(yīng)的曲線在普通螺桿單元對(duì)應(yīng)的曲線的右側(cè)，說(shuō)明在這個(gè)區(qū)域內(nèi)拉伸孔混煉單元內(nèi)的聚合物物料粒子受到的最大剪切應(yīng)力要高于普通螺桿單元內(nèi)聚合物物料粒子受到的最大剪切應(yīng)力。拉伸孔混煉單元對(duì)聚合物的混合性能要優(yōu)于普通螺桿單元。

圖4 最大剪切應(yīng)力概率密度曲線Fig.4 Probability density curve of maximum shear stress

3 結(jié) 論

(1)拉伸孔混煉單元內(nèi)聚合物物料粒子的停留時(shí)間比普通螺桿單元內(nèi)聚合物物料粒子的停留時(shí)間長(zhǎng)，物料粒子經(jīng)歷更長(zhǎng)的混合作用，拉伸混煉單元對(duì)聚合物的分布混合性能更好；

(2)拉伸孔混煉單元具有持續(xù)減小聚合物物料粒子的能力，不會(huì)使聚合物物料粒子再次發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，其對(duì)聚合物的分散混合性能優(yōu)于普通螺桿單元；

(3)在最大剪切應(yīng)力為1000～3000 Pa之間，拉伸孔混煉單元對(duì)應(yīng)的聚合物物料粒子受到的最大剪切應(yīng)力高于普通螺桿單元，拉伸孔混煉單元對(duì)聚合物的混合性能更好。