螺桿構(gòu)型對(duì)PLA/PTW共混物性能影響的研究

馬秀清，勞志超，李明謙，韓順濤，胡 楠*

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京100074）

0 前言

PLA 是一種通過可再生植物資源制備出來的脂肪族熱塑性聚酯材料［1］，具有良好的生物相容性［2］、生物可降解性［3］和加工性能［4］，但是存在脆性大［5］、抗沖擊性能差［6］和斷裂伸長率低［7］等缺陷，限制了其更廣泛的應(yīng)用［8］，尤其在汽車［9］、醫(yī)藥［10］、食品［11］和農(nóng)業(yè)［12］等領(lǐng)域，常需通過改性來提高其性能［13-15］。PTW 是一種帶有環(huán)氧基團(tuán)和羰基的低結(jié)晶度共聚物，可與羧基、羥基和氨基等基團(tuán)反應(yīng)［16］，具有優(yōu)異的反應(yīng)性和韌性，常作為聚合物的增容劑和沖擊性能改性劑［17］。PTW 中的環(huán)氧基團(tuán)能夠與PLA 中的末端羧基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與PLA 具有良好的相容性［18］。顏祥禹等［19］研究了PTW添加量對(duì)PLA/PTW共混物性能的影響，結(jié)果表明，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨PTW 添加量的增加而增加，當(dāng)PTW 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)，相比于純PLA，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高了13.9 倍，達(dá)到了48.8 kJ/m2?？梢钥闯?，利用PTW 對(duì)PLA 進(jìn)行共混改性，能夠有效提升PLA/PTW共混物的韌性。

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的螺桿構(gòu)型是影響共混改性體系性能的關(guān)鍵因素之一，其中混合段螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料性能的影響較大［20］。劉敏［21］研究了混合段螺桿構(gòu)型對(duì)聚乳酸/熱塑性聚氨酯/二氧化硅（PLA/TPU/SiO2）復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，相比于混合元件-常規(guī)螺紋元件-剪切元件（SME-SE-KB）布置方式，KB-SE-SME 布置方式下復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高了6 kJ/m2，這是因?yàn)镵B 元件能減小TPU 的粒徑尺寸，使其在PLA 中分布更均勻。陳文靜［22］研究了混合段螺桿構(gòu)型對(duì)聚丙烯腈/二甲基亞砜（PAN/DMSO）共混溶液混合效果的影響。結(jié)果表明，剪切元件-常規(guī)螺紋元件-拉伸元件（KB-SE-S）布置方式下PAN/DMSO 共混溶液的混合效果更好，綜合混合系數(shù)比拉伸元件-常規(guī)螺紋元件-剪切元件（S-SE-KB）布置方式下提高了16 %，這是因?yàn)镵B 元件能夠有效促進(jìn)DMSO 在PAN 基體中分散和分布。高可正等［23］研究了混合段螺桿構(gòu)型中KB元件和SE元件集中布置和交錯(cuò)布置對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）纖維母?；旌闲Ч挠绊?。結(jié)果表明，交錯(cuò)布置方式對(duì)纖維母粒的剪切破碎能力更強(qiáng)，纖維母粒粒徑尺寸最小，相比于集中布置方式時(shí)，纖維母粒的平均粒徑尺寸減小了31.7 %，且粒徑分布更均勻。本文基于PLA 和PTW的物料特性，設(shè)計(jì)混合段螺桿構(gòu)型，并通過數(shù)值模擬的方法研究不同螺桿構(gòu)型對(duì)PLA/PTW 共混體系混合效果的影響，最后利用實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。

1 模擬部分

1.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)物料特性和實(shí)際擠出工藝，做出如下假設(shè)：（1）熔體完全充滿流道，且不可壓縮，不計(jì)其密度變化；（2）流場(chǎng)雷諾數(shù)較小，即為層流流動(dòng)；（3）機(jī)筒內(nèi)壁面無滑移，且重力和慣性力忽略不計(jì)；（4）流道內(nèi)為等溫、穩(wěn)定流場(chǎng)，即只考慮連續(xù)性方程和動(dòng)量方程；同時(shí)，經(jīng)測(cè)試PLA/PTW 共混體系遵循非牛頓流體特性，故選擇冪律模型［24］，本構(gòu)方程如式（1）所示：

式中m——熔體稠度，Pa?sn，取值為1 913.3 Pa?sn

n——冪律指數(shù)，取值為0.708

η——黏度，Pa·s

γ?——剪切速率，s-1

1.2 螺桿構(gòu)型

為了PLA 和PTW 更好地混合，混合段螺桿構(gòu)型應(yīng)同時(shí)具備分散混合和分布混合能力，因此，選用SE元件、KB 元件、SME 元件和S 元件設(shè)計(jì)了4 種長度均為150 mm的混合段螺桿構(gòu)型，如表1所示。

1.3 有限元模型

在模擬計(jì)算過程中，網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)影響最終計(jì)算結(jié)果，故選用的有限元模型網(wǎng)格劃分方法，如表2所示。

表2 網(wǎng)格劃分方法Tab.2 Grid division strategy

1.4 邊界條件

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的工藝條件設(shè)定邊界條件為：（1）入口邊界設(shè)定體積流率為2.294×10-6m3/s；（2）出口邊界設(shè)定壓力邊界為5 MPa；（3）左、右螺桿表面設(shè)定速度邊界條件，即主機(jī)轉(zhuǎn)速40 r/min；（4）機(jī)筒內(nèi)壁面無滑移，即速度為零。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

PLA，4032D，美國Nature Works公司；PTW，Elvaloy，美國DuPont公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

干燥箱，101-1BS，浙江力辰科儀公司；

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)，LSM30/34，德國Leistritz公司；

錐形雙螺桿擠出機(jī)，SHINO，張家港市聯(lián)江機(jī)械有限公司；

電子天平，BP-323A+，上海奔普儀器科技有限公司；

熔融沉積3D 打印機(jī)，JGAUR-RA，珠海連盛電子科技有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)，INSTRON3365，美國INSTRON公司；

塑料沖擊試驗(yàn)機(jī)，PTM1100-B，深圳三思縱橫公司。

2.3 樣品制備

熔融造粒：首先將PLA 和PTW 分別進(jìn)行干燥處理；再將PLA 和PTW 預(yù)混（質(zhì)量比為100/10）后經(jīng)喂料裝置加入到雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出并造粒，其中，喂料螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min，主機(jī)轉(zhuǎn)速為40 r/min，螺桿構(gòu)型（圖中螺桿置換段為混合段）和各段溫度分別如表3和圖1所示；

圖1 螺桿構(gòu)型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the screw configuration

表3 機(jī)筒各段溫度設(shè)定值Tab.3 Temperature setting value of each section of the barrel

絲材制備：將PLA/PTW 復(fù)合顆粒在70 ℃下干燥12 h 后加入到錐形雙螺桿擠出機(jī)制備絲材，機(jī)筒各段和機(jī)頭溫度依次為170、180、170、160、160 ℃，喂料螺桿轉(zhuǎn)速為45 r/min，主機(jī)轉(zhuǎn)速為25 r/min，風(fēng)冷牽引機(jī)轉(zhuǎn)速為42 r/min；

試樣打?。簩⒔z材加入到3D 打印機(jī)中制備試樣，3D打印機(jī)參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 3D打印機(jī)工藝參數(shù)Tab.4 3D printer process parameter

2.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸強(qiáng)度測(cè)試：根據(jù)GB/T 1040.1—2018 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，試樣長度為150 mm，有效區(qū)域截面為10 mm×4 mm，拉伸速率為50 mm/min；

沖擊強(qiáng)度測(cè)試：根據(jù)GB/T1843—2008 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，采用GB/T1843/U 型，長度為80 mm，截面為10 mm×4 mm的無缺口試樣，擺錘勢(shì)能為4 J。

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力場(chǎng)

圖2 展示了PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下的壓力分布云圖，從圖中可以看出，4 種螺桿構(gòu)型的高壓均位于螺棱頂部與機(jī)筒間隙處，螺槽處壓力均較小。

圖2 4種螺桿構(gòu)型的壓力云圖Fig.2 Pressure clouds images of the four screw configurations

圖3 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下的出入口壓差，可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，集中布置方式（B2、B4）時(shí)的出入口壓差分別略大于分散布置方式（B1、B3）時(shí)，這是因?yàn)镾E 元件布置在螺桿構(gòu)型的入口處，可以將物料迅速輸送到下游位置，使入口處壓力下降，故表現(xiàn)出較大的出入口壓差；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件（B1、B2）時(shí)的出入口壓差分別比含有S 元件（B3、B4）時(shí)高0.6 MPa 和0.51 MPa，這是因?yàn)殄e(cuò)列角為60 °的KB 元件具有一定的建壓能力，正向輸送能力強(qiáng)，而S元件是由一個(gè)正向元件和一個(gè)反向元件串聯(lián)而成，建壓能力弱，正向輸送能力較差，出入口壓差較??；綜上所述，螺桿構(gòu)型中含有KB元件更利于PLA/PTW 共混體系的正向輸送。

圖3 4種螺桿構(gòu)型的出入口壓力差Fig.3 Pressure difference of inlet and outlet of the four screw configurations

3.2 剪切應(yīng)力場(chǎng)

圖4 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下的剪切應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，4 種螺桿構(gòu)型在螺棱頂部與機(jī)筒間隙部位的剪切應(yīng)力均較大，在螺槽處均較小。

圖4 4種螺桿構(gòu)型的剪切應(yīng)力云圖Fig.4 Shear stress cloud images of the four screw configurations

圖5 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下的加權(quán)平均剪切應(yīng)力，可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，集中布置方式（B2、B4）時(shí)的加權(quán)平均剪切應(yīng)力與分散布置方式（B1、B3）時(shí)基本接近，表明KB 元件或S 元件在螺桿構(gòu)型中的布置方式對(duì)加權(quán)平均剪切應(yīng)力影響較小，對(duì)雙螺桿擠出機(jī)混合段的分散混合能力影響不大；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件（B1、B2）時(shí)的加權(quán)平均剪切應(yīng)力分別比含有S 元件（B3、B4）時(shí)高3 105.07 Pa 和3 091.23 Pa，這是因?yàn)橄啾扔赟 元件與機(jī)筒內(nèi)壁面的間隙，KB 元件與機(jī)筒內(nèi)壁面的間隙更小，物料在間隙處具有更大的速度梯度，故加權(quán)平均剪切應(yīng)力更大；綜上所述，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件可提高構(gòu)型的剪切能力，利于PLA/PTW共混體系的分散混合。

圖5 4種螺桿構(gòu)型的加權(quán)平均剪切應(yīng)力Fig.5 Weighted average shear stress of the four screw configurations

3.3 回流系數(shù)

圖6 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下的回流系數(shù)，可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，集中布置方式（B2、B4）時(shí)的回流系數(shù)分別略大于分散布置方式（B1、B3）時(shí)，這是因?yàn)榧胁贾梅绞降某鋈肟趬翰畲笥诜稚⒉贾梅绞降某鋈肟趬翰?，物料在壓力的作用下沿與擠出方向相反的方向流動(dòng)，回流量增加；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB元件（B1、B2）時(shí)的回流系數(shù)分別比含有S 元件（B3、B4）時(shí)高0.086 和0.085，這是因?yàn)殄e(cuò)列角為60°的KB 元件相鄰捏合盤之間存在較大的軸向通道，物料在此通道處軸向流動(dòng)，形成更多的回流，回流系數(shù)增加。

圖6 4種螺桿構(gòu)型的回流系數(shù)Fig.6 Backflow rate of the four screw configurations

3.4 累積停留時(shí)間

圖7 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下80 %粒子的累積停留時(shí)間（流道入口處設(shè)置3 000示蹤粒子），可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，集中布置方式（B2、B4）時(shí)的累積停留時(shí)間分別比（B1、B3）分散布置時(shí)短2.23 s和4.28 s，這是因?yàn)榧胁贾梅绞骄哂懈蟮某鋈肟趬翰?，正向輸送能力?qiáng)，利于物料正向流動(dòng)，故累積停留時(shí)間較短；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有S元件（B3、B4）時(shí)的累積停留時(shí)間分別比含有KB 元件（B1、B2）時(shí)長4.12 s 和2.07 s，這是因?yàn)槁輻U構(gòu)型中含有S 元件時(shí)的出入口壓差較小，正向輸送能力弱，故累積停留時(shí)間長；綜上所述，螺桿構(gòu)型中含有S 元件時(shí)，混合段具有較強(qiáng)的分布混合能力，利于PLA/PTW 共混體系的分布混合。

圖7 4種螺桿構(gòu)型的80 %粒子的累積停留時(shí)間Fig.7 Cumulative residence time of 80 % particles of the four screw configurations

3.5 累積最大剪切應(yīng)力

圖8 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構(gòu)型下80 %粒子的累積最大剪切應(yīng)力（示蹤粒子數(shù)與3.1.4節(jié)相同），可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，分散布置方式（B1、B3）時(shí)的累積最大剪切應(yīng)力分別比集中布置方式（B2、B4）時(shí)高5 400 Pa 和1 994 Pa，這是因?yàn)槲锪显诜稚⒉贾梅绞较碌耐Ａ魰r(shí)間更長，所受的剪切次數(shù)更多，累積最大剪切應(yīng)力也較大；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件（B1、B2）時(shí)的累積最大剪切應(yīng)力分別比含有S 元件（B3、B4）時(shí)高了17 331.41 Pa 和13 926.95 Pa，這是因?yàn)槁輻U構(gòu)型中含有KB 元件的回流系數(shù)更大，物料所受剪切次數(shù)更多，承受的剪切應(yīng)力更大；綜上所述，螺桿構(gòu)型B1 的分散混合能力最好。

圖8 4種螺桿構(gòu)型時(shí)80 %粒子的累積最大剪切應(yīng)力Fig.8 Cumulative maximum shear stress of 80 % particles prepared with four screw configurations，respectively

3.6 混合性能綜合評(píng)價(jià)

為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各螺桿構(gòu)型對(duì)物料分散混合和分布混合效果的影響，定義綜合混合系數(shù)（N1）、分散混合系數(shù)(N2)和分布混合系數(shù)(N3) 3個(gè)無量綱數(shù)分別評(píng)價(jià)其綜合混合能力、分散和分布混合能力，計(jì)算公式如式（2）～（4）所示：

G——回流系數(shù)

CRTD——累積停留時(shí)間，s

CMSS——累積最大剪切應(yīng)力，Pa

Ci——綜合混合系數(shù)權(quán)重系數(shù)

Di——分散混合權(quán)重系數(shù)

Ei——分布混合權(quán)重系數(shù)

α——105，Pa

β——106，Pa

δ——102，s

為滿足PLA/PTW 共混體系改性的要求，混合段構(gòu)型應(yīng)同時(shí)具備分散混合和分布混合能力，故Ci、Di和Ei均取值為1，N1、N2和N3的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 4種螺桿構(gòu)型下PLA/PTW 共混體系的混合系數(shù)Tab.5 Mixing coefficients of PLA/PTW blends under four screw configurations，respectively

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，分散布置方式（B1、B3）時(shí)的綜合混合系數(shù)分別略大于集中布置方式（B2、B4）時(shí)；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件（B1、B2）時(shí)分別比含有S元件（B3、B4）時(shí)的綜合混合系數(shù)稍大；同時(shí)可以看出，螺桿構(gòu)型B1 的綜合混合系數(shù)最大，混合效果最好。

3.7 力學(xué)性能

圖9 為4 種螺桿構(gòu)型下PLA/PTW共混物的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，可以看出當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，分散布置方式（B1、B3）時(shí)復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度分別略高于集中布置方式（B2、B4）時(shí)，這是因?yàn)榉稚⒉贾梅绞降木C合混合能力更好，PTW在PLA中分散和分布更均勻，能夠有效提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件（B1、B2）時(shí)復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度分別比含有S 元件（B3、B4）時(shí)高8.7 kJ/m2和7.44 kJ/m2，這是因?yàn)槲锪显诤蠯B 元件構(gòu)型下受到的剪切應(yīng)力比含有S 元件構(gòu)型下受到的剪切應(yīng)力更大，PTW 的粒徑尺寸更小，避免了應(yīng)力集中，提高了復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度；同時(shí)可以看出，各螺桿構(gòu)型下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度基本保持不變。

圖9 4種螺桿構(gòu)型下PLA/PTW共混物的力學(xué)性能Fig.9 Mechanical properties of PLA/PTW composites under four screw configurations，respectively

3.8 綜合力學(xué)性能評(píng)價(jià)

為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各螺桿構(gòu)型對(duì)PLA/PTW共混物力學(xué)性能的影響，定義綜合力學(xué)性能指數(shù)（N4）評(píng)價(jià)各螺桿構(gòu)型的綜合力學(xué)性能，計(jì)算公式如式（5）所示，計(jì)算結(jié)果如表6所示：

表6 4種螺桿構(gòu)型下PLA/PTW共混物的綜合力學(xué)性能指數(shù)Tab.6 Comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations，respectively

式中I——沖擊強(qiáng)度，kJ/m2

T——拉伸強(qiáng)度，MPa

A——沖擊強(qiáng)度權(quán)重系數(shù)，取值為1

B——拉伸強(qiáng)度權(quán)重系數(shù)，取值為1

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)螺桿構(gòu)型中元件種類相同時(shí)，分散布置方式（B1、B3）時(shí)的綜合力學(xué)性能指數(shù)分別略大于集中布置方式（B2、B4）時(shí)；當(dāng)螺桿構(gòu)型布置方式相同時(shí)，螺桿構(gòu)型中含有KB 元件（B1、B2）時(shí)的綜合力學(xué)性能指數(shù)分別比含有S 元件（B3、B4）時(shí)高25 %和22 %；同時(shí)可以看出，螺桿構(gòu)型B1的綜合力學(xué)性能指數(shù)最大，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度得到了較大的提升，能夠進(jìn)一步提升PLA/PTW共混物的力學(xué)性能。

3.9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比分析

表7 為模擬結(jié)果N1和實(shí)驗(yàn)結(jié)果N4的對(duì)照表，可以看出綜合混合系數(shù)越大，綜合力學(xué)性能指數(shù)越大，其變化趨勢(shì)一致，表明混合能力越強(qiáng)，力學(xué)性能越大。螺桿構(gòu)型B1 的綜合混合系數(shù)和綜合力學(xué)性能指數(shù)均為最大，表明螺桿構(gòu)型B1 對(duì)PLA/PTW 共混體系的混合效果最好，最適合PLA/PTW共混物的加工。

表7 4種螺桿構(gòu)型下PLA/PTW共混物的綜合混合系數(shù)和綜合力學(xué)性能指數(shù)Tab.7 Comprehensive mixing coefficient and comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations，respectively

4 結(jié)論

（1）對(duì)KB 元件、S 元件、SE 元件和SME 元件4 種元件組合的螺桿構(gòu)型下的流場(chǎng)模擬表明，分散布置的螺桿構(gòu)型比集中布置的螺桿構(gòu)型混合能力強(qiáng)，含有KB 元件的螺桿構(gòu)型比含有S 元件的螺桿構(gòu)型混合能力強(qiáng)，其中KB 元件和SME 元件分散布置螺桿構(gòu)型（B1）的混合能力最強(qiáng)，可以使PTW 在PLA 中混合更均勻，能夠提高PTW 在PLA 中的分散和分布混合效果；

（2）對(duì)KB 元件、S 元件、SE 元件和SME 元件4 種元件組合的螺桿構(gòu)型下的實(shí)驗(yàn)研究表明，就制備出的PLA/PTW共混物綜合力學(xué)性能而言，分散布置的螺桿構(gòu)型優(yōu)于集中布置的螺桿構(gòu)型，含有KB元件的螺桿構(gòu)型優(yōu)于含有S 元件的螺桿構(gòu)型，KB 元件和SME 元件分散布置螺桿構(gòu)型（B1）的綜合力學(xué)性能最優(yōu)；

（3）通過對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明二者趨勢(shì)一致，結(jié)果吻合，表明模擬可為PLA/PTW共混物的混合段螺桿構(gòu)型優(yōu)化提供指導(dǎo)。