混沌轉子的混合特性及其在ABS／Al2O3導熱材料制備中的應用

金建立，馬玉錄，謝林生，陳 濤，廖洋威

（華東理工大學，綠色高效過程裝備與節(jié)能教育部工程研究中心，上海200237）

加工與應用

混沌轉子的混合特性及其在ABS／Al2O3導熱材料制備中的應用

金建立，馬玉錄，謝林生＊，陳 濤，廖洋威

（華東理工大學，綠色高效過程裝備與節(jié)能教育部工程研究中心，上海200237）

利用Polyflow軟件對混沌轉子及標準轉子進行建模模擬，通過對流場的混合指數(shù)、累積解聚功及Lyapunov指數(shù)分布的分析，研究了2種轉子的混煉流場特性以及轉子構型和轉子轉速對其分散分布混合能力的影響，并制備了丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物／球形氧化鋁（ABS／Al2O3）導熱復合材料。研究了Al2O3粒徑、轉子結構與混煉工藝對復合材料導熱性能的影響。結果表明，采用混沌轉子及提高轉速均可以獲得更好的分散分布混合效果；當Al2O3含量為70%（質(zhì)量分數(shù)，下同）時，采用混沌轉子，轉速為500r／min時獲得最佳的導熱及力學性能，所得到的材料的熱導率可達1．3W／（m·K）；通過添加石墨（C）可以提高材料的熱導率，當Al2O3含量為65%、C含量為5%時熱導率可達2．1W／（m·K）。

混沌轉子；球形氧化鋁；熱導率；力學性能；轉子構型

0 前言

ABS易于模塑成型，其制品具有優(yōu)異的綜合性能，作為熱塑性工程塑料主要應用于電子電器、汽車工業(yè)、建筑等領域。在家用電器領域，ABS在殼體的制作中同樣得到廣泛的應用。在電器使用過程中，電器產(chǎn)生的熱量易造成熱量積聚、溫度升高，另一方面，由于ABS為熱的不良導體，使得機體內(nèi)的熱量不易散發(fā)，長期處于這種環(huán)境會使ABS制品的使用壽命降低，造成塑料件失效。近年來通用級ABS的市場競爭日趨激烈，開發(fā)導熱ABS材料成為人們關注的熱點之一。

為了提高材料的導熱性能，通常會在樹脂中填充高導熱的無機粒子，而粒子在樹脂基體中的分散效果是影響復合材料綜合性能的主要因素之一。采用高效的混煉裝備和混煉工藝，是制備導熱ABS材料的關鍵之一。雙轉子連續(xù)混煉機由于其優(yōu)異的分散分布混合能力，在聚合物共混、造粒等方面得到了廣泛應用。研究表明，轉子構型是影響復合材料混煉效果的重要因素之一［1］。轉子構型是影響雙轉子連續(xù)混煉機混合效果的關鍵，研究轉子結構對混煉流場特性的影響，對于更加深入地探究雙轉子連續(xù)混煉機的混合特性、拓展其應用領域，解決ABS導熱材料的制備難題，提高產(chǎn)品性能，具有極其重要的意義。本文通過模擬的方法研究了轉子構型及轉速對混煉流場混合特性的影響，并通過雙轉子連續(xù)混煉平臺制備了ABS／Al2O3復合材料，研究了轉子構型、轉子轉速以及工藝參數(shù)對復合材料導熱及力學性能的影響。

1 混沌轉子的混合特性分析

1．1 物理模型及特性參數(shù)

混沌轉子及標準轉子的結構如圖1所示。轉子均由兩對旋向相反的螺棱構成，由圖中可見，標準轉子的正向輸送段螺棱與反向輸送段螺棱相接，而混沌轉子則是由兩對間斷交錯螺棱構成的。由于在左右混煉腔內(nèi)存在周期性的橫向流動，擾亂了物料原有的流動狀態(tài)，形成周期性的紊流流動，導致整個流場出現(xiàn)混沌流動。相較于標準轉子，混沌轉子的正向螺棱和反向螺棱相互交錯，因此在轉子轉動過程中，物料在螺棱交匯區(qū)會受到8條螺棱在不同區(qū)域的不同方向的擾動，使得流場的流線受到破壞并產(chǎn)生混沌流動，提高了流場的紊亂程度進而提高了轉子的混合能力。筆者利用Gambit軟件對兩種轉子進行建模，劃分網(wǎng)格后導入Polyflow軟件進行模擬計算，ABS符合Cross模型，其具體參數(shù)：零剪切黏度為2．6×105Pa·s、模型指數(shù)為0．86、特征時間為10s。通過流場的混合指數(shù)、累積解聚功及修正Lyapunov指數(shù)來表征轉子的分散分布混合能力。

圖1 混沌轉子和標準轉子的物理模型Fig．1 Model of chaos and standard rotors

1．2 基本假設

數(shù)值模擬作如下假設：

（1）假定流場為穩(wěn)定的等溫流場；

（2）假定熔體為不可壓縮流體，熔體在流道內(nèi)完全充滿；

（3）假定流動過程為穩(wěn)定的層流，熔體與流道壁面無滑移，忽略重力和慣性力的影響。

1．3 模擬結果

本節(jié)以轉子螺棱交點所在平面為參考面，主要通過混合指數(shù)、累積解聚功及修正Lyapunov指數(shù)來對轉子的分散分布混合能力進行表征。

圖2 兩種構型轉子的混合指數(shù)分布圖Fig．2 Mixing index distribution of standard an chaos rotors

混合指數(shù)（λ）是對物料在混煉機筒內(nèi)被拉伸和剪切的程度進行綜合衡量的一個參數(shù)。λ是采用拉伸速率張量同拉伸速率張量和旋轉張量之和的比值來定義的［23］。λ的大小變化范圍為0～1；對于純旋轉運動λ＝0，對于簡單剪切運動λ＝0．5，對于純拉伸流動λ＝1。從圖2中可以看出，2種構型的轉子流場中的λ分布均呈相似的趨勢，主要分布在0．5～0．7之間，以簡單剪切運動為主。相比標準轉子，混沌轉子流場中低于0．5的λ所占的體積分數(shù)更小，物料承受更多的拉伸和剪切作用，具有更好的混合性能。從圖3中可以看出，在不同相位角下，對于標準轉子，大于0．6的λ主要集中分布在混煉相互作用窗內(nèi)，對于混沌轉子，在一定的相位角下左右混煉腔內(nèi)均出現(xiàn)較大范圍的高混合指數(shù)的區(qū)域，如圖3（d）所示，表明相較于標準轉子，混沌轉子的整個流場均能受到較好的剪切和拉伸作用，混沌轉子的這種特性極大促進了整個流場的均勻分散效果，提高了轉子的分散分布混合效果。

累積解聚功［4］是表征物料在混合過程中流場對團聚體總解聚作用的參量。不同轉子轉速條件下，標準轉子與混沌轉子混煉流場中的物料所經(jīng)歷的累積解聚功分布如圖4所示。如圖中所示，隨著轉子轉速的提高，混煉流場的累積解聚功分布曲線往右偏移，物料受到的累積解聚功分布范圍更廣，表明隨著轉速的提高，受到高解聚作用的粒子的數(shù)量增加，流場對團聚體的解聚作用逐漸增強。相比標準轉子，混沌轉子在400、500r／min時的曲線峰值更小，在600r／min時曲線往右偏移，說明比起標準轉子，混沌轉子流場中流體受到更高的累積解聚功作用，因此混沌轉子具有更好的分散混合效果。

圖3 不同相位角下參考面的混合指數(shù)Fig．3 Mixing index on reference face under different phases

圖4 兩種構型轉子在不同轉速下的累積解聚功分布Fig．4 Cumulative deagglomerating energy distribution of standard and chaos rotors at different speed

修正Lyapunov指數(shù)是反映物料在混煉過程中經(jīng)歷的拉伸應變的大小。物料的修正Lyapunov指數(shù)越大，意味著混合過程中發(fā)生的拉伸應變越大，所經(jīng)歷的拉伸與折疊過程越強烈，分布混合能力越好。不同轉速時的物料所經(jīng)歷的修正Lyapunov指數(shù)如圖5所示。由圖中可見，隨著轉子轉速的提高，修正Lyapunov指數(shù)提高，表明物料受到的拉伸與折疊總用增強，更加有利于物料的分散與分布混合。此外，相較于標準轉子，混沌轉子的曲線向右偏移，表明混沌轉子的分布混合能力相較于標準轉子具有一定的提升。

圖5 兩種構型轉子在不同轉速下的修正Lyapunov指數(shù)分布Fig．5 The modified Lyapunov exponent distribution of standard and chaos rotors at different speed

2 實驗部分

2．1 主要原料

ABS，日本東麗470Y－X68，東莞市楹圣塑膠化工有限公司；

馬來酸酐接枝ABS，335K，東莞市樟木頭恒泰塑膠原料經(jīng)營部；

球形Al2O3，粒徑分別為5、45μm，鄭州市三禾新材料有限公司；

乙撐雙硬脂酰胺（EBS－SF），東莞市常平昱塑化經(jīng)營部；

C，粒徑為7μm，上?？鼗た萍加邢薰荆?/p>

抗氧劑，1098、168，深圳市滔滔塑化有限公司。

2．2 主要設備及儀器

雙轉子連續(xù)混煉機實驗平臺，ECM30，自制；

三維高效混合器，GH－5，上海振春粉體設備有限公司；

平板硫化機，YT－LH102A，東莞市儀器檢測設備有限公司；

真空干燥箱，DXF－6050，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；

真空掃描式電子顯微鏡，S－3400N，日本Hitachi公司；

萬能試驗機，CMT4204，深圳新三思材料檢測有限公司；

激光導熱儀，LFA447，德國Netzsch公司。

2．3 樣品制備

將ABS及Al2O3在80℃下烘干10h，按ABS為27%，Al2O3＋C為70%（其中粒徑為45μm和5μm Al2O3質(zhì)量比為7∶3），其他助劑為3%，稱取各原料在高速混合器中混合20min，利用雙轉子連續(xù)混煉機擠出造粒，喂料速度為6kg／h，轉子轉速分別為400、500、600r／min，卸料門開啟度為33%；之后用平板硫化機模壓成型，壓片溫度為200℃，壓力為10MPa，熱壓5min，冷壓2min，制成樣條用于性能測試。

2．4 性能測試與結構表征

按GB／T 1040—1992測試拉伸性能，拉伸速率為20mm／min，試驗結果每組測試5次取平均值；

按GB／T 9341—2000測試彎曲性能，彎曲速率為2mm／min，試驗結果每組測試5次取平均值；

按ASTM D5470測試導熱性能，測試溫度為25℃，同一個樣品測試4次。

3 結果與討論

3．1 轉子構型與轉速對ABS／Al2O3復合材料性能的影響

影響復合材料導熱性能的因素有很多，包括填料的種類及尺寸［5］、填料的分散狀態(tài)、聚合物 －填料界面結合等等。研究表明，當導熱填料達到較高含量時，填料才能夠在聚合物基質(zhì)中形成導熱網(wǎng)絡。此外，當采用不同粒徑填料進行填充時，增加大小粒徑顆粒尺寸的比例有助于增加堆積密度，能夠形成更多的導熱通路從而改善復合材料的熱導率［6］。為了獲得較好的堆積密度［7］，較小顆粒尺寸應小于較大顆粒尺寸的1／8。將大小粒徑填料進行配比［8］時，當大小粒徑質(zhì)量比為7∶3時，可以獲得最高的熱導率。

從圖6可以看出，當轉子轉速低于500r／min時，ABS／Al2O3復合材料的熱導率隨著轉速的提高而提高，且采用混沌轉子制備的復合材料性能優(yōu)于標準轉子制備的復合材料。圖7表明，隨著轉速的升高，Al2O3在ABS中的分散性越好，與模擬結果相符。當轉速為400r／min時，采用混沌轉子制備的ABS／Al2O3復合材料熱導率達1．259W／（m·K），相比純ABS提高了649%，相比標準轉子提高了2%。當轉速提升至500r／min時，復合材料的熱導率達到1．322W／（m·K），相比400r／min提高了5%，相比純ABS提高了687%。而當轉速繼續(xù)提高時，熱導率下降，這是由于本研究采用的Al2O3粒徑較大，ABS黏度較高，繼續(xù)提高轉速會加劇剪切作用以及Al2O3、ABS與筒壁之間的摩擦，導致生熱更加迅速，引起ABS的降解，最終影響ABS／Al2O3復合材料的力學和導熱性能。

圖6 ABS／Al2O3復合材料的熱導率Fig．6 Thermal conductivity of ABS／Al2O3composites

圖8表明，當轉子轉速從400r／min提高至500r／min時，混沌轉子制備的復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度分別達到10．61MPa、8．88%和21．36MPa，相比400r／min時提高了1%、6．3%和7%，相比標準轉子分別提高了4．8%、1%和4．7%。繼續(xù)提高轉速至600r／min時，復合材料的性能下降，這是由于高剪切以及大粒徑填充引起ABS的生熱降解所引起的。

圖7 ABS／Al2O3復合材料的SEM照片F(xiàn)ig．7 SEM of ABS／Al2O3composites

圖8 ABS／Al2O3復合材料的力學性能與轉速的關系Fig．8 Mechanical properties of ABS／Al2O3composites at different speed

3．2 C與Al2O3復配對ABS性能的影響

諸多研究均表明，采用不同種類［9］、形狀［10－13］的導熱填料進行復配可以對復合材料的導熱性能具有明顯的提升作用。本文采用C與Al2O3復配研究不同種類填料復配對復合材料的導熱性能的影響。

圖9 ABS／C／Al2O3復合材料的熱導率Fig．9 Thermal conductivity of ABS／C／Al2O3composites

由圖9可以看出，通過Al2O3與C復配可以較為顯著的提高復合材料的熱導率。當Al2O3含量為65%，C含量為5%時，復合材料的熱導率達到2．058W／（m·K），相比ABS／Al2O3復合材料提高了55．7%。ABS／C／Al2O3復合材料的SEM照片如圖10所示，通過替換部分Al2O3為C，將C作為連接Al2O3的橋梁，由此在聚合物基體中形成更多的導熱通路，以此改善復合材料的導熱性能。

ABS／C／Al2O3復合材料的力學性能如圖11所示。由圖中可見，通過替換部分的Al2O3為C，復合材料的力學性能得到了改善。相比ABS／Al2O3復合材料，ABS／C／Al2O3復合材料的拉伸及彎曲強度均有所提升，而斷裂伸長率降低。當替換0．5%Al2O3時，復合材料的拉伸強度達15．24MPa，相比ABS／Al2O3復合材料提升了39．4%，彎曲強度達28．06MPa，相比提高了25．94%。

圖10 不同C含量時ABS／C／Al2O3復合材料的SEM照片F(xiàn)ig．10 SEM of ABS／C／Al2O3composites with different content of C

圖11 ABS／C／Al2O3復合材料的力學性能Fig．11 Mechanical properties of ABS／C／Al2O3composites

4 結論

（1）混沌轉子相對于標準轉子具有更好的分散分布混合能力，而且，隨著轉子轉速的提高，轉子的分散分布混合能力越好；采用混沌轉子制備的ABS／Al2O3相較于標準轉子具有更好的導熱及力學性能；

（2）當轉速為500r／min時，ABS／Al2O3復合材料熱導率達1．3W／（m·K），而當轉子轉速高于500r／min時，實驗結果與模擬結果出現(xiàn)偏差，可以通過填充不同粒徑的納米Al2O3對復合材料的導熱及力學性能進行改善；

（3）通過C與Al2O3復配對復合材料的性能進行進一步改善，當C含量為0．5%，復合材料的力學性能最佳，且熱導率達2．1W／（m·K）。

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?？松梨谂c贏泰達成戰(zhàn)略合作 攜手助推中國塑料加工行業(yè)轉型升級

在第31屆中國國際塑料橡膠工業(yè)展覽會期間，埃克森美孚（中國）投資有限公司與恩格爾注塑機械（常州）限公司共同簽署戰(zhàn)略協(xié)議，埃克森美孚將與恩格爾旗下贏泰品牌正式結為戰(zhàn)略合作伙伴。恩格爾注塑機械（常州有限公司銷售及售后服務總裁馮驍先生和埃克森美孚（中國）投資有限公司副總經(jīng)理黃衛(wèi)防先生蒞臨簽約儀式場，就雙方未來的合作進行了深入交流。共同簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。恩格爾注塑機械（常州）有限公司作為恩格爾團全資子公司，出產(chǎn)的贏泰品牌是服務于中國及海外新興市場的新創(chuàng)品牌，專注于為大批量生產(chǎn)標準產(chǎn)品的廠提供高品質(zhì)、可靠耐用的注塑機。根據(jù)協(xié)議，?？松梨趯y手贏泰，為塑機終端用戶提供全面的潤滑解決方案助力高產(chǎn)量塑料加工廠商實現(xiàn)降本增效，節(jié)能減排，同時進一步提升加工穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，雙方將在品合作、市場開發(fā)和市場資源支持、潤滑油技術交流、潤滑油產(chǎn)品供應和服務等方面共同建立長期穩(wěn)定、優(yōu)勢互補戰(zhàn)略合作伙伴關系。

在此背景下，定位于標準化商業(yè)應用，并具有高性價比的贏泰注塑機，將幫助塑料加工企業(yè)在產(chǎn)業(yè)轉型中取先機，轉向更高質(zhì)量的注塑生產(chǎn)。而作為潤滑油行業(yè)的領先者，埃克森美孚則始終致力于提供高性能的潤滑產(chǎn)及創(chuàng)新升級的技術服務，幫助塑料加工設備高效穩(wěn)定運行。旗下美孚DTE 10超凡TM系列液壓油，具有卓越的清性能和耐用性，能夠幫助延長設備的使用壽命；出色的剪切穩(wěn)定性和高粘度指數(shù)有助于提升液壓系統(tǒng)效率，降低備的能源消耗，為終端用戶節(jié)省運行成本，有效提升企業(yè)生產(chǎn)力，幫助企業(yè)從競爭日益激烈的市場中脫穎而出。泰的銷售及售后服務總裁馮驍先生在簽約儀式上表示：“依托于恩格爾的集團優(yōu)勢，贏泰堅持以高品質(zhì)的產(chǎn)品和信賴的服務為宗旨，不遺余力地打造高效穩(wěn)定的注塑設備和嚴謹務實的服務理念。此次與?？松梨诮Y為戰(zhàn)略作伙伴，希望雙方能夠攜手共進，互惠互利，助推中國塑料加工行業(yè)的轉型發(fā)展?！薄霸凇I(yè)4．0’和‘中國制025’的大背景下，如何滿足用戶對于高品質(zhì)塑料制品的需求是對塑料加工企業(yè)的嚴峻挑戰(zhàn)?！卑？松梨冢ㄖ袊顿Y有限公司副總經(jīng)理黃衛(wèi)防先生說道，“擁有超過150年的潤滑管理經(jīng)驗，埃克森美孚不僅為合作伙伴提供全的潤滑產(chǎn)品和專業(yè)的服務，更能充分認識到合作伙伴所面臨的各種需求和挑戰(zhàn)。此次?？松梨谂c贏泰簽署戰(zhàn)合作協(xié)議，雙方將強強聯(lián)手，共同幫助塑料加工企業(yè)降本增效，不斷提升自身生產(chǎn)力，讓終端用戶生意更順心。”

有）現(xiàn)集商，牌的 得品 潔設贏可合造2）面略

Mixing Characteristics of a Chaos Rotor and Its Application for Preparation of Thermally Conductive ABS／Al2O3Composites

JIN Jianli，MA Yulu，XIE Linsheng＊，CHEN Tao，LIAO Yangwei
（Engineering Center of Efficient Green Process Equipment and Energy Conservation of Ministry of Education，East China University，Shanghai 200237，China）

Models for chaos rotors and standard rotors are established by a Polyflow software．Effects of rotor configuration and rotor speed on dispersive and distributive mixing capabilities were investigated through mixing index，cumulative deagglomerating energy and Lyapunov index of flow fields．ABS／Al2O3composites were also prepared to study effects of particle size，rotor structure and mixing process on their thermal conduction．The results indicated that a better dispersion could be achieved by using the chaotic rotors and increasing rotating speed．Composites containing 70wt%of Al2O3achieved the maximum thermal conductivity and mechanical properties when the chaotic rotor was used at a rotating speed of 500r／min，and the thermal conductivity reached 1．3W／（m·K）．In addition，the addition of graphite fiber could improve thermal conductivity of the composites，and the thermal conductivity reaches 2．1W／（m·K）when 65wt%of Al2O3and 5wt%of graphite fiber were incorporated．

chaos rotor；spherical alumina；thermal conductivity；mechanical property；rotor configuration

TQ320．66＋3

B

1001－9278（2017）07－0075－07

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．013

2017－01－23

國家自然科學基金（51273065）

＊聯(lián)系人，clxw＠ecust．edu．cn