單螺桿擠出機(jī)物料停留時(shí)間分布的在線檢測(cè)

　，，，先明，

(浙江理工大學(xué)紡織纖維材料與加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

0　引　言

采用螺桿擠出機(jī)進(jìn)行機(jī)械共混是一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法，隨著改性共混材料的迅速發(fā)展和種類的不斷增加，混合設(shè)備開(kāi)發(fā)及其性能研究受到重視[1]。單螺桿擠出機(jī)被認(rèn)為混合性能有限，在混合方面的應(yīng)用往往被忽略，但屏障型螺桿和銷釘型螺桿等新型螺桿的出現(xiàn)使單螺桿的熔融混合能力進(jìn)一步增加，甚至達(dá)到了雙螺桿的混合效果。單螺桿擠出機(jī)價(jià)格低，堅(jiān)固耐用，損壞部件易于更換，容易操作，可得到高背壓，并且混合和成型可一次完成[2]。目前國(guó)外已有用單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行混合的相關(guān)報(bào)道，但國(guó)內(nèi)還比較少。因此，有必要對(duì)單螺桿擠出機(jī)的混合性能進(jìn)行研究。

停留時(shí)間分布在螺桿擠出加工過(guò)程中是一個(gè)重要的參數(shù)，常常用來(lái)衡量螺桿擠出機(jī)的加工性能。停留時(shí)間分布的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：擠出機(jī)加工過(guò)程的控制[3]、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究[4]、表征螺桿擠出機(jī)的宏觀混合，即軸向混合[5]和擠出機(jī)的放大和縮小。停留時(shí)間分布在線檢測(cè)方法有放射性法[6]、紫外熒光法[7]和超聲波法[8]等方法，本文選擇熒光在線檢測(cè)法。本課

題組已對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的停留時(shí)間分布進(jìn)行研究，張先明等[9-11]對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的局部停留時(shí)間分布進(jìn)行在線檢測(cè)研究，考察喂料量和螺桿轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的局部RTD和全局RTD的影響；同時(shí)對(duì)雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)混合性能的數(shù)值模擬，分析螺桿構(gòu)型和加工參數(shù)對(duì)分布混合的影響[12-13]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)單螺桿擠出機(jī)的停留時(shí)間分布進(jìn)行研究。

本文基于轉(zhuǎn)矩流變儀的單螺桿擠出平臺(tái)，自行設(shè)計(jì)一套熒光在線檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)聚苯乙烯(PS)在單螺桿擠出加工過(guò)程的停留時(shí)間分布，在優(yōu)先選擇EN為示蹤劑的基礎(chǔ)上，考察示蹤劑的用量和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)PS停留時(shí)間分布和單螺桿擠出機(jī)軸向混合能力的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

聚苯乙烯(PS)：158 k，揚(yáng)子巴斯夫有限公司；9-蒽醇(9-AM)：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；蒽(EN)：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；9-AM和EN的分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

1.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

RM-200C型轉(zhuǎn)矩流變儀單螺桿擠出平臺(tái)。其中螺桿直徑為20 mm，長(zhǎng)徑比為25，最高溫度為350 ℃，最高轉(zhuǎn)速為150 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為160 Nm。單螺桿共4個(gè)加熱區(qū)域，從喂料口到口模溫度分別設(shè)定為205、215、215 ℃和215 ℃。

RM-200C型轉(zhuǎn)矩流變儀混煉平臺(tái)。其中設(shè)定最高溫度為350 ℃，加熱總功率為1700 W，加熱區(qū)分為三區(qū)，最大容量為 60 mL，最大扭矩為150 Nm。

F-46001型熒光分光光度計(jì)(光源波長(zhǎng)為360 nm)。其中設(shè)定測(cè)量波長(zhǎng)范圍為200～900 nm，分辨率為1.0 nm，光譜寬度包括EX(1.0～10.0 nm可調(diào))和EM(1.0～20.0 nm可調(diào))。

RH-7型毛細(xì)管流變儀。設(shè)定溫度范圍為5～500 ℃，最大載荷為100 kN。

2　停留時(shí)間分布在線檢測(cè)

2.1　在線檢測(cè)原理

熒光在線檢測(cè)裝置有四個(gè)部分：?jiǎn)尾ㄩL(zhǎng)光源、光纖探頭、信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。光源發(fā)射出一束光通過(guò)光纖探頭打在聚合物熔體上，聚合物熔體內(nèi)的熒光物質(zhì)受到光的照射激發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，然后通過(guò)濾波片得到特定波長(zhǎng)的光，再通過(guò)光纖傳到信號(hào)處理器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由計(jì)算機(jī)上的信號(hào)處理軟件對(duì)其采集與處理。

圖2　熒光在線檢測(cè)原理

2.2　停留時(shí)間分布的計(jì)算

由于物料從單螺桿擠出機(jī)擠出的過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的隨機(jī)的過(guò)程，因此可以運(yùn)用概率分布的概念來(lái)定量描述物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布。描述停留時(shí)間的概率分布函數(shù)有停留時(shí)間分布密度函數(shù)和累積停留時(shí)間分布函數(shù)。停留時(shí)間分布密度函數(shù)也稱作E函數(shù)，通常用E(t)表示：

(1)

累積停留時(shí)間分布函數(shù)也稱作F函數(shù)，通常用F(t)表示：

(2)

其中:c(t)是在單螺桿擠出機(jī)口示蹤劑的電壓信號(hào)強(qiáng)度；示蹤劑從喂料口加入時(shí)t=0。

2.3　示蹤劑的制備

先將質(zhì)量比為100︰1的PS和示蹤劑通過(guò)轉(zhuǎn)矩流變儀的混煉平臺(tái)混合均勻，混煉條件：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速45 r/min，混煉溫度215 ℃，混煉時(shí)間8 min。然后通過(guò)毛細(xì)管流變儀的2 mm口模擠出成條狀，再在造粒機(jī)上造粒，得到和PS顆粒大小相當(dāng)?shù)牧Ｗ印?/p>

2.4　最大激發(fā)波長(zhǎng)的確定

使用F-46001型熒光分光光度計(jì)測(cè)定示蹤劑的最大激發(fā)波長(zhǎng)。光度計(jì)光源發(fā)出360 nm波長(zhǎng)的光，分別打在示蹤劑EN和9-AM的固體粉末上，得到EN和9-AM的激發(fā)波長(zhǎng)譜圖，如圖3所示。由圖3可知，EN和9-AM最大激發(fā)波長(zhǎng)分別為421 nm和418 nm，因此選用的濾波片分別允許421 nm和418 nm通過(guò)，而將其它波長(zhǎng)的波過(guò)濾，提高設(shè)備測(cè)試準(zhǔn)確度。

圖3　EN和9-AM的激發(fā)波長(zhǎng)譜圖

2.5　激發(fā)波長(zhǎng)強(qiáng)度與示蹤劑濃度的關(guān)系

通過(guò)熒光在線檢測(cè)得到的停留時(shí)間分布譜圖的本質(zhì)是反應(yīng)示蹤劑在不同擠出時(shí)間下的示蹤劑濃度分布，因此首先要確定示蹤劑濃度與光信號(hào)之間的關(guān)系，進(jìn)而確定停留時(shí)間分布。將EN和9-AM分別溶于甲苯中，配制一系列的濃度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用F-46001熒光分光光度計(jì)測(cè)定激發(fā)波長(zhǎng)的強(qiáng)度，得到最大激發(fā)波長(zhǎng)強(qiáng)度和示蹤劑濃度c的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4所示。由圖4可知：EN和9-AM最大激發(fā)波長(zhǎng)強(qiáng)度都隨著溶液濃度c的增加而增加，且最大激發(fā)波長(zhǎng)的強(qiáng)度與示蹤劑濃度c成線性關(guān)系，線性擬合方程式分別如式(3)和式(4)所示：

y1=2.79×108c+279.25

(3)

y2=2.31×108c-189.37

(4)

其中，c是配置一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，y1為EN的最大激發(fā)波長(zhǎng)的強(qiáng)度，y2為9-AM的最大激發(fā)波長(zhǎng)的強(qiáng)度。

圖4　EN和9-AM最大激發(fā)波長(zhǎng)強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系

2.6　實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程

PS停留時(shí)間分布在線檢測(cè)裝置如圖5所示，設(shè)定單螺桿擠出機(jī)的擠出速度30～60 r/min，示蹤劑的用量0.01～0.03 g。由于單螺桿和雙螺桿擠出機(jī)的喂料形式不同，雙螺桿擠出機(jī)有單獨(dú)的喂料裝置，是在其“饑餓”狀態(tài)下喂料，單螺桿擠出機(jī)是擠出過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后從加料口直接加料，因此單螺桿停留時(shí)間分布檢測(cè)流程也略有不同。測(cè)試流程為：當(dāng)熒光測(cè)試儀的基線趨于平穩(wěn)認(rèn)為擠出過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)，控制料斗中PS粒料量至見(jiàn)到螺桿，然后以脈沖形式由加料口加入示蹤劑，并迅速加入PS粒料；從加入示蹤劑開(kāi)始計(jì)時(shí)(t=0)，啟動(dòng)熒光在線檢測(cè)裝置，在探頭處以1 Hz的頻率采集信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理過(guò)程中，需要扣除未加示蹤劑基線強(qiáng)度。

2.7　示蹤劑的選擇

控制示蹤劑的用量、溫度和螺桿轉(zhuǎn)速45 r/min不變，只改變示蹤劑的種類，按照?qǐng)D5所示的過(guò)程測(cè)量PS的停留時(shí)間分布。圖6(a)是示蹤劑EN和9-AM電壓信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的譜圖，圖6(b)是根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算后得到的PS停留時(shí)間分布譜圖。由圖6(b)可知在控制螺桿轉(zhuǎn)速、溫度和示蹤劑用量不變的情況下，兩種示蹤劑獲得的E(t)和F(t)曲線重合良好，可知兩種示蹤劑都可以表征PS的停留時(shí)間分布?？紤]到電壓信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)烈清晰，選擇EN作為表征PS在單螺桿擠出加工過(guò)程中停留時(shí)間分布的示蹤劑。

圖5　PS停留時(shí)間分布在線檢測(cè)裝置圖

圖6　含示蹤劑EN和9-AM的電壓信號(hào)強(qiáng)度和PS停留時(shí)間分布隨時(shí)間變化譜圖

3　結(jié)果與討論

3.1　重復(fù)性試驗(yàn)

為考察搭建的熒光在線檢測(cè)裝置對(duì)聚合物擠出加工RTD測(cè)量的穩(wěn)定可靠性，在選定EN作為示蹤劑的條件下，進(jìn)行PS擠出的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研究。圖7(a)是三組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)示蹤劑的電壓信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的譜圖，圖7(b)是根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算后得到的PS停留時(shí)間分布譜圖。由圖7(a)和7(b)可知：三組實(shí)驗(yàn)示蹤劑的電壓信號(hào)強(qiáng)度和PS停留時(shí)間分布的E(t)和F(t)曲線譜圖波動(dòng)性很小、重合性良好，表明該熒光在線檢測(cè)裝置在高溫高壓條件下具有良好的重現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

圖7　三次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)EN的電壓信號(hào)強(qiáng)度和PS停留時(shí)間分布隨時(shí)間變化譜圖

3.2　示蹤劑的用量對(duì)PS停留時(shí)間分布的影響

在單螺桿擠出過(guò)程中，出峰起點(diǎn)位置為示蹤劑的最小停留時(shí)間，即示蹤劑最快達(dá)到測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間，它可以表征擠出機(jī)中物料最大速度，因此可以部分表征物料流動(dòng)形態(tài)。峰的寬度表征不同操作條件下對(duì)軸向混合程度影響，峰值越寬說(shuō)明軸向混合程度越好，因此停留時(shí)間分布可以部分表征擠出過(guò)程的物料的流動(dòng)形態(tài)和混合程度[12]。

控制螺桿轉(zhuǎn)速45 r/min、加工溫度不變，依次改變示蹤劑的含量為0.01、0.02 g和0.03 g，按照?qǐng)D5所示的過(guò)程測(cè)量PS的停留時(shí)間分布。圖8(a)是不同示蹤劑的用量的電壓信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的譜圖，圖8(b)是根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算后得到的含有不同示蹤劑含量的PS的停留時(shí)間分布譜圖。由圖8(a)可知示蹤劑的含量越高，電壓信號(hào)強(qiáng)度越大；由圖8(b)可知不同示蹤劑含量的停留時(shí)間分布的E(t)和F(t)曲線譜圖重合良好，最小停留時(shí)間和峰的寬度基本一致，表明選擇的示蹤劑用量均可以用來(lái)對(duì)PS擠出過(guò)程停留時(shí)間分布進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證在線檢測(cè)裝置可靠。

圖8　不同EN含量的電壓信號(hào)強(qiáng)度和PS停留時(shí)間分布隨時(shí)間變化譜圖

3.3　螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)PS停留時(shí)間分布的影響

由圖8(a)可知0.03 g的EN的用量電壓信號(hào)較強(qiáng)且比較清晰，故在研究螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出PS停留時(shí)間分布的影響選用示蹤劑EN的用量為0.03 g?？刂剖聚檮┑暮?、加工溫度不變，依次改變螺桿轉(zhuǎn)速為30、45、60 r/min，按照?qǐng)D5所示的過(guò)程測(cè)量PS的停留時(shí)間分布。圖9(a)是不同螺桿轉(zhuǎn)速條件下示蹤劑電壓信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化譜圖，圖9(b)是根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算后得到的不同螺桿轉(zhuǎn)速條件下PS的停留時(shí)間分布的譜圖。對(duì)單螺桿擠出過(guò)程，RTD分布寬表明其軸向混合較好。螺桿轉(zhuǎn)速越大，螺桿喂料量也越大，同時(shí)停留時(shí)間分布越窄，表明螺桿轉(zhuǎn)速的增加使螺桿的軸向混合程度減小。

圖9　不同螺桿轉(zhuǎn)速下示蹤劑EN的電壓信號(hào)強(qiáng)度和PS停留時(shí)間分布隨時(shí)間變化譜圖

4　結(jié)　論

停留時(shí)間分布是物料在單螺桿擠出加工過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)。本文借助自行搭建的熒光在線檢測(cè)裝置，以PS為測(cè)試樣品，在線檢測(cè)PS在單螺桿擠出加工過(guò)程中的停留時(shí)間分布，主要結(jié)論如下：

a) 基于轉(zhuǎn)矩流變儀的單螺桿擠出平臺(tái)搭建的熒光在線檢測(cè)裝置可以成功應(yīng)用于檢測(cè)PS在單螺桿擠出過(guò)程中的停留時(shí)間分布檢測(cè)，確定示蹤劑EN最佳激發(fā)波長(zhǎng)為421 nm和示蹤劑用量為0.03 g。

b) 確定示蹤劑濃度和熒光信號(hào)成線性關(guān)系，重復(fù)性試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該熒光在線檢測(cè)裝置穩(wěn)定性良好。

c) 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)PS在單螺桿擠出機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間分布有明顯的影響，螺桿轉(zhuǎn)速越快，最小停留時(shí)間越小，停留時(shí)間分布越窄，表明螺桿轉(zhuǎn)速的增加使單螺桿擠出機(jī)的軸向混合程度減小。