葉片擠出機中聚合物固體形變的可視化和影響因素*

劉環(huán)裕 張桂珍 陳佳佳 瞿金平

（華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心∥聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640）

葉片擠出機中聚合物固體形變的可視化和影響因素*

劉環(huán)裕 張桂珍 陳佳佳 瞿金平?

（華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心∥聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640）

采用組裝式葉片擠出機在線觀察了聚合物固體形變，考察了物料參數(shù)、顆粒大小和工藝參數(shù)對聚合物固體形變的影響.結(jié)果表明：固體顆粒會在葉片塑化輸運單元的強制擠壓作用下產(chǎn)生形變；高模量的聚合物固體經(jīng)葉片塑化輸運單元作用后產(chǎn)生的塑性形變大；大顆粒料經(jīng)葉片塑化輸運單元擠壓作用后變成薄片，但小顆粒料則經(jīng)歷大的形變后粘連；聚合物固體顆粒的形變量隨著溫度升高減小，隨著轉(zhuǎn)速的增加增大.

葉片擠出機；聚合物；形變；可視化

擠出成型在塑料加工中占有非常重要的地位.在擠出成型過程中，聚合物固體顆粒經(jīng)歷了復雜的應(yīng)力場和熱力場，一直處于運動變化的狀態(tài).因此，固體顆粒除發(fā)生熔融外，顆粒本身也會在外力作用下產(chǎn)生形變.其中，固體粒子的形變和粒子界面的變化會直接影響著聚合物的塑化和輸運，從而最終影響擠出制品的性能和結(jié)構(gòu)［1］.因此，對固體粒子的形變研究有助于深化擠出理論以及聚合物材料結(jié)構(gòu)、性能與加工條件之間的關(guān)系的研究.單螺桿擠出機中關(guān)于固體的研究主要集中于固體的壓實和輸送行為，雙螺桿擠出機主要集中于固體顆粒的形變對熔融的影響.Darnell等［2］于1956年提出了單螺桿擠出機中的經(jīng)典固體輸送理論.后來，許多研究者在此基礎(chǔ)上對固體輸送的行為進行了深入研究［3-6］.何紅等［7］先后利用在線觀察的方法，對單螺桿擠出機中單個固體顆粒的變形與熔融進行了研究.江帥、丁學良等［8-9］采用離散單元法對固體輸送過程的行為進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)物料顆粒間存在碰撞、擠壓、滑移，會影響物料的向前輸送.由于雙螺桿擠出是一種高效、連續(xù)式的聚合物成型方法，在聚合物加工領(lǐng)域受到了重視.雙轉(zhuǎn)子設(shè)備中聚合物顆粒會產(chǎn)生連續(xù)的整體變形，而用于變形的能量主要是來源于轉(zhuǎn)子軸輸入的機械能［10］.有研究人員針對不同類型的雙螺桿擠出機的固體行為進行了實驗研究［11-12］.在擠出過程中，聚合物顆粒經(jīng)歷了反復的大形變、連續(xù)的整體形變后被轉(zhuǎn)化為熱能，對聚合物塑化輸運過程有著深刻的影響［13］.目前，由于目前實驗條件限制，人們對雙螺桿擠出過程的固體形變的研究尚處于實驗階段，因此針對該問題的研究報道仍不多見.

體積拉伸形變支配的葉片擠出機［14］的提出是聚合物成型加工領(lǐng)域的一大創(chuàng)新，其結(jié)構(gòu)和原理與傳統(tǒng)的螺桿剪切塑化輸運方法和設(shè)備有本質(zhì)的區(qū)別［15-17］.在葉片擠出機中，物料在拉伸流場中經(jīng)歷了復雜的速度場和壓力場，會產(chǎn)生反復的形變，進而直接影響葉片擠出機中聚合固體輸運和熔融.由于聚合物固體形變本身的復雜性和擠出過程中物料行為的不可見性，要求研究人員必須從更細化的研究尺度中了解固體形變過程的規(guī)律和本質(zhì)，從而深化我們對葉片擠出機中的塑料擠出過程的認識.本研究在可視化葉片擠出機的基礎(chǔ)上，從固體顆粒形變的角度，觀察了聚合物固體形變現(xiàn)象，研究了聚合物固體形變過程以及固體形變的影響因素.

1 工作原理

葉片塑化輸運單元（VPCU）是構(gòu)成葉片塑化輸運裝置的核心部分.如圖1所示，葉片塑化輸運單元由定子、轉(zhuǎn)子、擋板（出料擋板和進料擋板）和葉片構(gòu)成.其中，定子具有圓柱內(nèi)腔，圓柱形的轉(zhuǎn)子布置在定子內(nèi)腔中，兩者之間相差一定的偏心距離，4個葉片分別布置在轉(zhuǎn)子的徑向矩形截面通孔中，定子兩側(cè)的擋料板與定子同心.顯然，4個葉片將轉(zhuǎn)子外表面、定子內(nèi)表面、兩側(cè)擋料板及葉片圍成的空間分為4個封閉的“月牙型”容腔.轉(zhuǎn)子沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動時，置于轉(zhuǎn)子通孔內(nèi)的葉片能夠在轉(zhuǎn)子徑向通孔內(nèi)往復移動，致使4個腔的容積呈現(xiàn)依次從小到大又從大到小的周期性變化.在葉片塑化輸運單元中，物料可以實現(xiàn)正位移輸送，即物料在正應(yīng)力的作用下通過單元內(nèi)的周期性的體積變化來實現(xiàn)物料輸送.這種正位移輸送方式不依賴于材料的性質(zhì)，具有強制輸送的作用，能夠很好地提高物料輸送的效率.另外，由于VPCU的周向流道呈收斂，將產(chǎn)生體積拉伸流場.其中，葉片擠出機是由若干組葉片塑化輸運單元構(gòu)成，如圖2所示.

圖1 葉片塑化輸運單元的剖視圖Fig.1 Section view of VPCU

圖2 葉片擠出機的原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the vane extruder

2 實驗

2.1 原料

聚丙烯（PP）：牌號T30S，圓柱型粒料，顆粒尺寸比較均勻，平均直徑4.5mm，高度為3mm，熔點為166℃，熔融指數(shù)為3g/10min（230℃，2.16 g），中國石油化工股份有限公司茂名分公司生產(chǎn)；低密度聚乙烯（LDPE）：牌號951-050，粒料，熔點為112℃，熔融指數(shù)為2.8 g/10min（125℃，2.16g）中國石油化工股份有限公司茂名分公司生產(chǎn)；高密度聚乙烯（HDPE）：牌號7000F，粒料，熔點為135℃，熔融指數(shù)為0.04g/10min（190℃，2.16g）中國石油化工股份有限公司茂名分公司生產(chǎn)；聚丙烯（PP）：牌號T30S，小料，球形，尺寸變化大，顆粒直徑約為0.2～2.5mm，熔點為166℃，熔融指數(shù)為3g/10min（230℃，2.16g），中國石油化工股份有限公司茂名分公司生產(chǎn).

2.2 實驗設(shè)備

組裝式葉片塑化輸運擠壓系統(tǒng)由7組葉片塑化輸運單元構(gòu)成.葉片塑化輸運單元能獨立地完成固體的輸送、熔融及熔體的輸送.每組葉片塑化輸運單元都采用相同的偏心定子內(nèi)徑（46mm）、偏心距（3mm），葉片塑化輸運單元的長度從擠出方向依次采用45、30、30、30、30、25、12mm，并按照先后順序分別定義為1st VPCU、2nd VPCU、3rd VPCU、4th VPCU、5th VPCU、6th VPCU和7th VPCU，實驗過程中可以根據(jù)需要組裝相應(yīng)的VPCU來觀察固體顆粒的物理形態(tài).

2.3 實驗過程

首先根據(jù)實驗序號，依次按照如下步驟進行物料經(jīng)第1組VPCU擠出的可視化實驗：預(yù)設(shè)相關(guān)的溫度，機筒預(yù)熱后，開始往料斗加滿物料，調(diào)整轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速，待擠出穩(wěn)定之后，觀察固體顆粒的形態(tài)，然后記錄此時的扭矩數(shù)據(jù)，最后多次測量擠出后的固體顆粒厚度，求解其固體顆粒的平均厚度.具體的實驗工藝條件如表1所示.

表1 實驗的工藝條件Table 1 Experiment processing condition

3 結(jié)果分析

3.1 固體形變現(xiàn)象

當擠出穩(wěn)定后，用照相機記錄聚合物PP顆粒經(jīng)VPCU擠出后的物理形態(tài).PP顆粒在轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速30 r/min、溫度140℃的條件下，經(jīng)第1組VPCU擠出前和擠出后的物理形態(tài)分別如圖3所示.

圖3 PP固體顆粒經(jīng)第1組VPCU擠出后的照片F(xiàn)ig.3 Photographs of PP solid particles extruded by 1st VPCU

由圖3可見，經(jīng)VPCU擠壓后，PP顆粒的形態(tài)發(fā)生明顯的變化，圓柱型的固體顆粒（原料）經(jīng)VPCU擠壓后變成厚度不一的薄片.其中，固體薄片的形成與VPCU封閉型腔的體積變化有直接關(guān)系，因為封閉型腔的體積減小會使固體顆粒之間的自由度減小，相鄰的粒子間開始相互滑動并擠壓產(chǎn)生形變，進一步地，體積的持續(xù)減小會強制性地讓物料處于不斷的形變.

此外，為了進一步研究固體顆粒形變后的形態(tài)，隨機選取經(jīng)第1組VPCU擠出后的PP固體顆粒，分別進行拍照記錄，如圖4所示.由圖4可見，有些固體顆粒邊緣輪廓趨于圓滑，表現(xiàn)為絮狀；有些固體顆粒為扁平狀，顆粒之間有粘連，顆粒邊緣有熔融的痕跡；有些固體顆粒被擠壓成薄片.在葉片的擠壓作用下，相鄰的固體顆粒會不斷被壓實，彼此間發(fā)生錯動和摩擦，從而使擠出后的固體顆粒展現(xiàn)出不一樣的物理形態(tài).在這一過程中，顆粒的變形和顆粒間的摩擦會促使固體顆粒自身溫度迅速上升，為顆粒的熔融提供了重要的熱源.因此從這一點可以看出：固體顆粒的形變熱對聚合物的軟化和熔融起到了非常重要的作用.

圖4 PP固體顆粒經(jīng)第1組VPCU擠出后的不同形態(tài)Fig.4 Different forms of PP solid particles extruded by 1st VPCU

3.2 固體形變的影響因素

材料的物性參數(shù)影響著材料抵抗外力變形的能力.為了探究不同材料之間的固體形變行為，文中選取了兩種不同的材料（LDPE和HDPE），觀察它們經(jīng)第1組VPCU擠出后的物理形態(tài)，如圖5所示.

圖5 不同材料經(jīng)第1組VPCU擠出后的照片F(xiàn)ig.5 Photographs of variousmaterial extruded by 1st VPCU

由圖5可見，LDPE受到擠壓后變成片狀及碎末狀，顆粒之間彼此沒有粘連；而HDPE經(jīng)擠壓后發(fā)生嚴重的形變，已經(jīng)看不出原料的形狀，形成粘連的顆粒塊.造成兩物料形態(tài)差異的主要原因是物料HDPE本身的模量高于物料LDPE，致使HDPE經(jīng)擠壓后產(chǎn)生的彈性形變少.由以上可知，材料的模量對固體顆粒的形變有顯著影響，高模量的HDPE顆粒在受到葉片擠壓作用后產(chǎn)生的塑性形變大.

顆粒大小也會對聚合物固體的形變產(chǎn)生影響.顆粒的大小決定了顆粒間彼此接觸的表面積，而接觸表面積會影響熱和力的作用范圍.相比大的固體顆粒，小顆粒料在外力作用過程中會存在更多的接觸點和作用面積.另外，考慮到VPCU中的擋板與定子存在間隙，與間隙大小相當?shù)木酆衔镱w粒容易從此間隙滑出而不經(jīng)歷VPCU的擠壓，這會導致那些與間隙大小相當?shù)念w粒不易產(chǎn)生形變.因此，有必要研究顆粒的大小對聚合物形變的影響.圖6所示為圓柱型的PP粒料和PP小料在一定的工藝條件下（溫度為140℃，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速為5 r/min）經(jīng)第1組VPCU擠出后的物理形態(tài).

圖6 不同大小的PP物料經(jīng)第1組VPCU擠出后形態(tài)Fig.6 Photographs of PP particles for different size extruded by 1st VPCU

由圖6可見，不同大小的PP物料經(jīng)第1組VPCU作用后呈現(xiàn)出不一樣的物理形態(tài)：圓柱型的固體顆粒經(jīng)擠壓后變成薄片，顆粒之間彼此沒有明顯的粘連；相反，擠壓后的小顆粒物料以固體塊的形式聚集，而以粘連狀聚集的固體在周向收斂型腔的作用下可能會產(chǎn)生更大的形變.相比于大的固體顆粒，小顆粒之間的接觸面積大，導致小顆粒間的摩擦形變多.因此可以推斷出：VPCU對小顆粒的擠壓作用比較明顯，即小顆粒經(jīng)VPCU作用后產(chǎn)生大的形變而粘連.

初始溫度和力的作用時間是影響聚合物固體形變的重要因素.其中，溫度會影響聚合物的熱力學性質(zhì).處于高彈態(tài)的高分子鏈段有足夠的體積可以自由活動，可以產(chǎn)生很大的形變.轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速會影響固體顆粒的停留時間和型腔內(nèi)部的壓力，從而影響固體顆粒的形變.

圖7所示為PP物料分別在不同工藝條件下擠出后的照片.其中圖7（a）-（c）分別為140℃下轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為5、30和60 r/min時擠出后的照片，圖7（d）-（f）分別為160℃下轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為5、30和60 r/min時擠出后的照片.

圖7 不同工藝條件下PP顆粒經(jīng)VPCU擠出后的形態(tài)Fig.7 Morphology of PP solid particles extruded by VPCU with different processing conditions

從圖7（d）-（f）可以觀察到：在溫度設(shè)置略低于熔點的情況下，在不同轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速下擠出后的物料形態(tài)有差異.在轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速較低時（5 r/min），PP顆粒經(jīng)葉片塑化輸運單元擠壓后產(chǎn)生了較大的形變，變成非常薄的片狀，且顆粒之間沒有粘連.當轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速為30 r/min時，擠出后的固體顆粒的形態(tài)完全不同：顆粒彼此之間形成粘連狀的固體塊，但是固體塊中有細小的顆粒.當轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速為60 r/min的情況下，擠出后的物料沒有發(fā)現(xiàn)松散的顆粒和薄片，固體顆粒以“粘連狀”形式存在，而且從顆粒聚集體之間可以發(fā)現(xiàn)固體顆粒邊緣已經(jīng)比較模糊.產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為高轉(zhuǎn)速和較高的定子溫度會導致擠出后的固體顆粒表面軟化和熔融.

另外，固定定子溫度為140℃，在不同轉(zhuǎn)速下對PP物料進行擠壓實驗，結(jié)果如圖7（a）-（c）所示.其中，實驗在轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速為5、30和60 r/min時對應(yīng)的扭矩分別為43.20、98.22和116.40N·m，對應(yīng)的顆粒平均厚度分別為1.30、1.08和0.68mm.這些實驗結(jié)果表明：在不同轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速下，VPCU內(nèi)固體顆粒的壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，而擠出后的固體顆粒的平均厚度隨轉(zhuǎn)速的增加而減小.因此，固體顆粒在高轉(zhuǎn)速下受到的擠壓力較大，形變量大.

考慮到PP顆粒經(jīng)VPCU擠出后粘連成整體，很難統(tǒng)計它在不同溫度下的形變，因此這里選用LDPE作為載體進行實驗.LDPE物料經(jīng)VPCU擠出后的形態(tài)分為3種類型：未變形顆粒、片狀、絮狀，如圖8所示.

圖8 物料LDPE經(jīng)VPCU擠出后的形態(tài)Fig.8 Morphology of LDPE extruded by VPCU

固定轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速30 r/min，在不同溫度下對物料LDPE進行擠壓實驗，對擠出后的3種類型的物料進行稱重，如表2所示.由表2可見，隨著溫度的提高，未變形的顆粒量不斷增加，而片狀變形量和絮狀變形量不斷減少.

表2 不同溫度下LDPE經(jīng)擠出后的不同形態(tài)的物料質(zhì)量Table 2 WeightofMaterial LDPE for differentmorphology after extruded with different temperatures

4 結(jié)論

通過對葉片擠出機中固體形變的研究得出以下主要結(jié)論：

（1）葉片擠出機中固體顆粒會在VPCU的擠壓下產(chǎn)生形變；

（2）在VPCU中，高模量的聚合物顆粒在受到擠壓作用后產(chǎn)生的塑性形變大；大顆粒料經(jīng)VPCU擠壓作用后變成薄片，但小顆粒料表現(xiàn)為形變和粘連；低溫時固體顆粒經(jīng)VPCU作用后的形變比高溫時的要大，且形變量隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨著溫度的升高而減小.

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Visualization of Solid Polymer Deformation in Vane Extruder and Its Influence Factors

Liu Huan-yu Zhang Gui-zhen Chen Jia-jia Qu Jin-ping
（National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing//Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of the Ministry of Education，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

The solid polymer deformation was observed on-line by using an assembled vane extruder，and then the effects ofmaterial properties，pellet size and process parameters on the deformation were investigated.The results show that（1）polymer pellets are deformed under the compaction of VPCU；（2）the solid polymer of a higher modulus experiences a larger plastic deformation；（3）big polymer pellets are turned into small slices after extrusion by VPCU is done，while small pellets experience a big deformation and then form bonded structure；and（4）the solid polymer deformation decreaseswith the rise of temperature aswell aswith the decrease of rotor speeds.

vane extruder；polymers；deformation；visualization

TQ320.66

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.002

1000-565X（2015）07-0008-06

2014-10-13

國家科技支撐計劃項目（2009BAI84B06，2011BAE15B02）

Foundation items：Supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China（2009BAI84B06，2011BAE15B02）

劉環(huán)裕（1989-），男，博士，主要從事聚合物成型裝備研究.E-mail：liuhuanyu1989@163.com

?通信作者：瞿金平（1957-），男，中國工程院院士，主要從事聚合物成型理論及裝備研究.E-mail：jpqu@scut.edu.cn