基于拉伸破碎原理的單螺桿拉伸混煉元件的研究

林 祥，任冬云，王奎升

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

基于拉伸破碎原理的單螺桿拉伸混煉元件的研究

林 祥，任冬云＊，王奎升

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

根據(jù)聚合物混煉過程中的分布混合主要取決于分流次數(shù)的多少，而分散混合則很大程度上依賴于剪切應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的強(qiáng)度的原理，并基于拉伸形變的破碎效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種新型單螺桿拉伸混煉元件。通過有限元軟件Polyflow分析了該新型混煉元件的分散混合及分布混合性能，計(jì)算了混合過程中的壓力、應(yīng)力應(yīng)變速率的概率函數(shù)。根據(jù)粒子軌跡研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，承受較大剪切速率或拉伸速率的粒子數(shù)逐漸增多，且流動(dòng)過程中粒子具有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，無(wú)明顯的回流與滯料現(xiàn)象，說明該新型拉伸混煉元件同時(shí)表現(xiàn)出良好的剪切與拉伸混合特征，但在低應(yīng)變速率下拉伸混合性能要更加優(yōu)越。

分散混合；拉伸流動(dòng)；拉伸破碎；數(shù)值分析

0 前言

單螺桿擠出機(jī)是塑料成型加工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，然而由于其螺桿的螺槽較深，剪切作用較弱，混煉性能也相對(duì)一般，尤其是分散混煉性能較弱。常規(guī)的單螺桿混煉元件主要有銷釘型（圓柱形、菱形、方形等）、屏障型（Maddock型）、菠蘿頭型（Pineapple型）、DIS型等。這些混煉元件的主要工作原理是分流作用或剪切分散作用，使團(tuán)聚的粒子團(tuán)發(fā)生破碎分散，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的混煉效果。然而其仍存在不足之處：（1）分流無(wú)法使某些高彈性的物料混煉良好，分流次數(shù)越多，壓力降越大；（2）高強(qiáng)度剪切的分散混煉在一定程度上解決了（1）中的問題，但是，針對(duì)某些剪切過敏性物料，卻容易導(dǎo)致分子鏈的降解，降低了材料本身的性能。研究表明，基于拉伸破碎原理的混煉元件能夠?qū)崿F(xiàn)良好分散混煉效果，采用拉伸破碎效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)分散混合的方法有很多，Chris Rauwendaal等［2－3］開發(fā)了MBP（Mixing Break Plate）及 DDSM（Dispersive/Distributive Static Mixer）等混煉元件，采用楔形螺棱推進(jìn)面或在螺棱上增加錐形槽，使熔體在經(jīng)過楔形螺棱與機(jī)筒壁所構(gòu)成的間隙或錐形槽時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸作用。這樣的結(jié)構(gòu)也可以直接設(shè)置在注塑螺桿的止逆環(huán)處，以增強(qiáng)材料的拉伸流場(chǎng)。另外，在類似銷釘?shù)姆至骰鞜掃^程中，固體物料必須經(jīng)過充分熔融才能實(shí)現(xiàn)良好的分布混合，但是，這就需要在混煉之前提供更多的能量。朱常委等［4］從界面面積的增長(zhǎng)研究比較了拉伸形變和剪切形變的能耗情況，結(jié)果表明，拉伸形變的混煉效果要明顯好于剪切形變，且剪切形變過程的能耗問題是最不經(jīng)濟(jì)的。

對(duì)于無(wú)混煉元件的單螺桿成型過程，混煉能力相對(duì)較弱；相反，物料在雙螺桿的螺棱間隙內(nèi)則經(jīng)歷一定的拉伸力場(chǎng)。對(duì)于剪切與拉伸力場(chǎng)對(duì)粒子團(tuán)的破碎作用，Rumsheidt及 Mason等［5］研究了液滴在流場(chǎng)中的破碎問題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)純拉伸應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)于剪切應(yīng)力場(chǎng)的破碎效應(yīng)。顯然，盡量提高單螺桿混煉元件的拉伸效應(yīng)對(duì)于多組分體系的分散具有重要的意義。本研究在Polyflow模擬分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型的拉伸混煉元件，以便在較低的應(yīng)變速率下，實(shí)現(xiàn)良好的低溫升、低剪切分散混合效果。

1 常規(guī)單螺桿的混煉元件

1.1 分流型混煉元件

常規(guī)的分流型混煉元件主要有銷釘型、DIS型、Sazton型、Dulmage型混合原件等，其基本原理是對(duì)正面流體一分為二，然后再與其他流體相互混合，當(dāng)流體經(jīng)過n次分流后，其新產(chǎn)生的流體股數(shù)則達(dá)到了2n次，最后再通過螺桿其他結(jié)構(gòu)一起輸送出至機(jī)頭。很明顯，n越大，流體被分流的次數(shù)也越多，自然其所能達(dá)到的分布混煉效果也越好。然而，分流型混煉元件也存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在：（1）分散混合性能不佳，粒子團(tuán)破碎能力有待提高；（2）對(duì)未熔融的固體顆粒無(wú)法實(shí)現(xiàn)“過濾”，有時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的塑化效果。

1.2 剪切型混煉元件

常見的剪切型混煉元件主要有屏障型混煉元件（Maddock型），早期屏障型螺桿有凸環(huán)形螺桿段和垂直螺槽的擋板結(jié)構(gòu)，后期發(fā)展成直槽屏障型螺桿（或稱為UC螺桿）。物料進(jìn)入屏障直槽后，被迫翻越屏障螺棱。物料在螺棱頂部受到強(qiáng)烈剪切，其中的大粒子破碎，產(chǎn)生均勻的分散混合。從20世紀(jì)70到80年代開始啟用至今，產(chǎn)生了幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如槽深漸變屏障型、斜槽屏障型、三角槽屏障型和物料可以翻越全部螺棱產(chǎn)生部分物料倒退與剛剛從計(jì)量段進(jìn)入的物料再次混合的HN屏障型。由于螺棱的高強(qiáng)度剪切作用，各種屏障型螺桿的分散混合能力均較強(qiáng)。但是，黏性耗散比較嚴(yán)重，能耗較高，分子鏈的斷裂等因素仍然制約著剪切型分散混合元件在某些領(lǐng)域的推廣使用。

2 新型混煉元件

2.1 新型混煉元件的原理

單螺桿擠出成型過程中物料不斷向前輸送，其相態(tài)從固態(tài)→固/液混合相→液相發(fā)生漸變，而固相或分散相破碎的程度直接影響著制品品質(zhì)與生產(chǎn)穩(wěn)定性［6］。本文在上述機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的混煉元件，其基本原理是采用具有強(qiáng)烈收縮拉伸效應(yīng)的細(xì)槽使流過的固體顆粒具有一定的拉伸應(yīng)力，此時(shí)分散相粒子團(tuán)會(huì)產(chǎn)生拉伸破碎效應(yīng)。但是需要注意的是：（1）拉伸流道能夠產(chǎn)生明顯的拉伸應(yīng)力場(chǎng)，截面的收縮程度越大，剪切強(qiáng)度也越高；（2）壓力降較大，導(dǎo)致螺桿軸向背壓很高，不利于物料的輸送。

拉伸破碎是指在拉伸應(yīng)力作用下，原先為單相粒子整體或多相粒子團(tuán)發(fā)生在拉伸應(yīng)力方向上形變，一般為球形分散的粒子或液滴變形成橢圓形，并逐步形成夾斷區(qū)，隨著夾斷區(qū)寬度的減小，粒子團(tuán)最終發(fā)生破碎，形成體積更小的粒子。這類似于Tomotika及J M H Janssen的液滴拉伸破碎原理［7］：當(dāng)混合兩相具有較大的黏度比值且連續(xù)相具有較高的黏度時(shí)，分散相在拉伸作用場(chǎng)下能夠?qū)嶒?yàn)拉伸變細(xì)、斷裂，然后逐步平衡，再拉伸變細(xì)、再破碎，如圖1所示。對(duì)于單相物質(zhì)的破碎而言，其拉伸破碎效應(yīng)能夠提高材料的塑化性能，而對(duì)多相體系而言，則能夠?qū)崿F(xiàn)良好的分散混合效果。另外，剪切分散混合的實(shí)現(xiàn)也是基于剪切引起的在不同流動(dòng)層界面上所產(chǎn)生的拉伸破碎效應(yīng)，剪切應(yīng)力導(dǎo)致高分子鏈之間的纏結(jié)點(diǎn)受到彈性拉伸，長(zhǎng)鏈間開始發(fā)生解纏、取向，最終在應(yīng)力方向產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的流動(dòng)。

圖1 拉伸破碎的原理示意圖Fig.1 Mechanisms of extensional disagglomeration

圖2 拉伸混煉元件的原理示意圖Fig.2 Mechanisms of extensional mixing element

總之，通過拉伸作用來實(shí)現(xiàn)分散混合有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）低溫升，適合加工熱敏性材料，如PVC；（2）低降解，適合加工剪切易降解性材料；（3）更強(qiáng)的分散混合能力，在相同的應(yīng)變速率下，拉伸流動(dòng)的應(yīng)力值為剪切流動(dòng)的兩倍［8－9］；（4）更低的能耗，降低成本。

2.2 新型混煉元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的新的拉伸混煉元件的基本尺寸為：混煉段直徑（螺桿直徑）45mm，螺桿根徑36mm，軸向長(zhǎng)度27mm，開槽數(shù)目5個(gè)（圓周均布），細(xì)槽徑向?qū)挾燃s為2.8mm，軸向長(zhǎng)度1mm，軸向間距13mm。為了實(shí)現(xiàn)較大的拉伸應(yīng)力應(yīng)變以便產(chǎn)生破碎效應(yīng)，本文選擇細(xì)槽收縮比約為10，其拉伸混煉原件的破碎原理如圖2所示。黃磊等［9］假設(shè)兩球形顆粒相互黏結(jié)團(tuán)聚，則團(tuán)聚顆粒在剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)中的所承受的最大作用力如：

式中 FSH－max——最大剪切力，N

FEX－max——最大拉伸力，N

ηm——連續(xù)相黏度，Pa·s

r1、r2——顆粒半徑，m

顯然，拉伸作用力是剪切作用力的2倍，在分子間纏結(jié)力保持不變的情況下，采用拉伸效應(yīng)可以產(chǎn)生更佳的分散效果。

3 有限元分析

通過有限元分析動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程，計(jì)算了流動(dòng)過程中的應(yīng)力分布及速度場(chǎng)。劉菊等［10］研究發(fā)現(xiàn)，軸向壓力越大，剪切應(yīng)力越高，分散混合性能越好，因此剪切應(yīng)力及應(yīng)變速率的大小直接表征了分散混合效果的好壞。拉伸混煉元件及流體流動(dòng)區(qū)域的三維模型圖如圖3所示，模擬計(jì)算的基本假設(shè)包括：物料在整個(gè)流道全充滿；穩(wěn)態(tài)等溫流動(dòng)；流體不可壓縮且壁面無(wú)滑移；忽略慣性力、體積力；流動(dòng)為層流流動(dòng)；總流量被平均分配到每個(gè)拉伸槽內(nèi)。

圖3 拉伸混煉元件及流體流動(dòng)區(qū)域的三維模型圖Fig.3 3Dmodel for extensional mixing section and flow zone

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：當(dāng)m＝30000Pa·sn，n＝0.74，t＝0時(shí)，在入口處放置1000個(gè)顆粒，流率Q＝3×10－6m3/s，螺桿轉(zhuǎn)速 N＝40r/min。黏度計(jì)算模型采用冪率模型：

式中 η——黏度，Pa·s

m——稠度，Pa·sn

n——非牛頓指數(shù)

通過軟件Polyflow分析，其計(jì)算結(jié)果如圖4～6所示?？梢钥闯?，熔體流動(dòng)過程中存在明顯的拉伸流動(dòng)。圖4表示的是經(jīng)過某一拉伸槽軸向剖面的速度分布，發(fā)現(xiàn)熔體經(jīng)過細(xì)槽時(shí)的軸向速度明顯增大，并存在一定的回流（速度為負(fù)值）；從圖5可以看出，熔體流過細(xì)槽處的壓力降較大，存在明顯的界面收縮流動(dòng)；圖6表現(xiàn)出整個(gè)區(qū)域上的剪切速率相對(duì)較小，從而實(shí)現(xiàn)低剪切速率下依靠拉伸作用對(duì)材料進(jìn)行混合。同時(shí)，為了跟蹤流體的流動(dòng)情況，通過初始放置在入口處的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡（圖7）可以看出，除了邊界層中被滯留的粒子外，整體粒子的分布比較均勻，并未出現(xiàn)因圖4中速度場(chǎng)的回流而產(chǎn)生滯料現(xiàn)象。粒子分布混合效果與流經(jīng)的混合區(qū)域長(zhǎng)度成正比，且表現(xiàn)出較長(zhǎng)的停留時(shí)間。然而拉伸細(xì)槽的軸向陣列數(shù)不宜過多（本文選擇2），否則流動(dòng)阻力過大。

圖4 Z軸流動(dòng)方向的速度分布Fig.4 Velocity distribution at the Zaxis direction

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的壓力分布Fig.5 Pressure distribution in mixing processing

圖6 剪切速率的分布圖Fig.6 Shear rate distribution in mixing processing

圖7 粒子軌跡分布圖Fig.7 Tracer particles distribution in the mixing processing

從剪切速率和最大剪切速率的概率函數(shù)曲線［圖8（a）、（b）］可以看出，兩者皆是時(shí)間的函數(shù)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，承受較高剪切速率的粒子數(shù)逐漸增多，變化相對(duì)明顯。這說明隨著混合過程的進(jìn)行，更多的粒子經(jīng)歷了更高的剪切作用，這在一定程度上提高了混合效率。最大剪切速率的概率曲線說明，在經(jīng)過一定時(shí)間后，經(jīng)歷最大剪切速率的粒子數(shù)幾乎一致，這有利于某些剪切過敏性的材料的加工，因?yàn)闀r(shí)間的延長(zhǎng)并不會(huì)大幅提高粒子的剪切過程。圖8（c）、（d）表示的是拉伸速率及最大拉伸速率的概率分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，粒子經(jīng)歷的拉伸作用減弱，達(dá)到最大拉伸速率的粒子比例較小，這說明粒子經(jīng)歷初步的拉伸混合后就被往前輸送，而不存在嚴(yán)重的滯料回流現(xiàn)象，這有利于熱敏性材料的混合加工。圖8（c）還表現(xiàn)出拉伸速率的概率分布受時(shí)間的影響并不是很大的趨勢(shì)，這表明在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)（切片）具有相同拉伸速率的粒子比例基本相同。整體比較應(yīng)變速率受時(shí)間的影響發(fā)現(xiàn)，剪切速率受時(shí)間的影響相對(duì)較大，整體波動(dòng)較大，而拉伸效應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。

圖8 概率函數(shù)曲線Fig.8 Probability function curves

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的新型單螺桿混煉元件能實(shí)現(xiàn)較好的分散混合，這是因?yàn)槔旆稚⒒旌媳燃羟蟹稚⒒旌系男Ч獌?yōu)越許多，較低的拉伸速率實(shí)現(xiàn)較好的分散效果，其低熱耗散性可適用于剪敏性材料的加工；

（2）從應(yīng)力分布及速度分布可以看出，新型混煉元件流通截面的拉伸效應(yīng)明顯，渦流或回流并未造成明顯的滯料現(xiàn)象，適用于熱敏性材料的加工；

（3）通過混煉元件中的粒子軌跡變化及概率函數(shù)可以看出，該混煉元件綜合具有較好的分散、分布混合性能，比常規(guī)混煉元件具有較大的改善。

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Investigation of Extensional Flow Mixer for Single－screw Extruder Based on Extensional Disagglomeration

LIN Xiang，REN Dongyun＊，WANG Kuisheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

The deformation of polymers in processing contained shear and extensional components.It was identified that the dispersive mixing was strongly depended on shear stress or extensional stress and distributive mixing was mainly depended on the number of interfaces.Multiple－phase polymers could achieve a better mixing through extensional stress based on extensional disagglomeration.In this paper，a new mixing element prototype for single－screw extruder was developed and its dispersive and distributive mixing capacities and probability functions for stress and deformation rate in single－screw processing was analyzed by Polyflow.The flowing trajectories obtained suggested that more and more particles were subjected to greater shear and extensional rates with increasing of time.Meanwhile，a long resistance time，no vortex flow and no stagnation of material in the processing showed a good shear and extensional mixing capacities of the new mixing element.Moreover，it was clear that the extensional mixing property was superior to that of shear mixing at low deformation rates from probability functions.

dispersion mixing；extensional flow；extensional disagglomeration；simulation

TQ320.64

B

1001－9278（2011）12－0090－05

2011－07－06

＊聯(lián)系人，dongyunr＠163.com