超臨界CO2塑化雙基藥擠出計量段流動狀態(tài)的數(shù)值模擬

顧 晗，應三九，胡啟鵬，張 合

（南京理工大學化學與化工學院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

在發(fā)射藥制造領(lǐng)域，隨著成型加工技術(shù)的不斷迭代更新，螺桿擠出工藝愈發(fā)受到關(guān)注。這是因為與傳統(tǒng)間歇式工藝相比，螺桿擠出憑借其連續(xù)化的工藝特點，具備了生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢。同時，經(jīng)螺桿擠出成型的發(fā)射藥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)致密，能保證使用過程中機械性能和燃燒性能的穩(wěn)定。然而，隨著發(fā)射藥連續(xù)化制造工藝的持續(xù)發(fā)展，螺桿擠出工藝逐漸暴露出了產(chǎn)品質(zhì)量和加工安全性方面的一些問題［1-2］。硝化纖維素（Nitrocellulose，簡稱NC）是發(fā)射藥的主要組分，在單基藥中質(zhì)量占比最高超過95%，雙基藥中也可達到62%以上［3］。NC 是一種柔順性較差的高分子，在擠出成型過程中會表現(xiàn)出高黏度的特征，發(fā)射藥又具備易燃易爆的特性，使得擠出加工的安全性惡化。為改善發(fā)射藥流動性、提高擠出加工安全性，往往會將大量有機溶劑與發(fā)射藥混合來獲取良好的塑化性能，但是有機溶劑的大量添加不僅對人體和環(huán)境不利，且在驅(qū)溶過程中易引起發(fā)射藥尺寸過分收縮，從而導致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題［4］。此外，未除盡的殘留溶劑也會使發(fā)射藥的燃燒性能和貯存性能發(fā)生變化。因此，迫切需要找到一種合適的溶劑以改善發(fā)射藥在螺桿擠出成型加工過程中的流動性，且能夠避免上述驅(qū)溶過程帶來的產(chǎn)品缺陷，從而替代現(xiàn)有工藝中使用的有機溶劑。

超臨界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide，簡稱SC-CO2）無毒無害，特殊的物理特性使其具備優(yōu)良的擴散流動性，也擁有較強的溶劑化能力，因此被當作增塑劑廣泛應用于高分子加工中。在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等高黏度塑料的相關(guān)研究中，SC-CO2的添加使得熔點和熔體黏度都顯著降低［5-6］。Tang等［7］在制備多孔硅橡膠的過程中注入SC-CO2用來調(diào)控流變性能，由此設(shè)計出了不同孔結(jié)構(gòu)的硅橡膠泡沫。在生物高分子領(lǐng)域，Arora［8］等發(fā)現(xiàn)乳蛋白濃縮物及其與蔗糖的共混物經(jīng)SC-CO2增塑后，流變行為得到了明顯的改善。此外，當SC-CO2在螺桿剪切作用下快速溶入聚合物中實現(xiàn)增塑后，可以通過改變溫度和壓力參數(shù)來調(diào)節(jié)SC-CO2的溶劑特性，使其從產(chǎn)品中被迅速驅(qū)除，這一特點解決了因驅(qū)溶過程帶來的產(chǎn)品尺寸收縮問題［9］。因此，將SC-CO2引入到發(fā)射藥的螺桿擠出工藝中是非常有前景的，SC-CO2是一種理想的替代溶劑，并且在發(fā)射藥代料擠出成型的相關(guān)研究中得到了證實［10-11］。

發(fā)射藥螺桿擠出工藝除了需要克服物料的高黏度外，螺桿擠出設(shè)備的設(shè)計、更新及優(yōu)化需要耗費大量的人力、物力和財力，新設(shè)備的調(diào)試過程中更是充滿了安全隱患，成為發(fā)射藥螺桿擠出工藝發(fā)展的一大障礙。Polyflow 是一款專門用于模擬聚合物擠出加工過程流動狀態(tài)的計算機輔助軟件，在其幫助下可以大大縮短設(shè)計周期、優(yōu)化加工參數(shù)［12］。最重要的是可以了解發(fā)射藥在不同工藝條件下的流動狀態(tài)，獲取不同時刻下黏度、壓力等重要參數(shù)，從而提前預測加工過程中可能發(fā)生的危險。近年來，Polyflow 在含能材料領(lǐng)域應用的相關(guān)報道較多，如胡綿偉［13］利用仿真軟件模擬了推進劑在單螺桿擠出工藝中穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況，很好地還原了單螺桿擠出推進劑的過程，李敏［14］開展了推進劑在螺桿均化段和成型模具段流動狀態(tài)的模擬研究，獲悉了各場量沿擠出方向的變化情況，兩人都借助Polyflow 了解了擠出機內(nèi)推進劑的流動情況，獲取了相關(guān)的重要參數(shù)。羅玲玲［15］則是借助Polyflow 分析對比了四種不同導程、兩種不同布置形式的非嚙合雙螺桿流道中含能材料的混合過程，篩選出了合適的螺紋元件，為新設(shè)備的設(shè)計節(jié)省了大量時間。阮建［16］通過Polyflow 分析了固含量為40% 的發(fā)射藥代料在SC-CO2輔助擠出過程中的流變行為和分散混合性能，對SC-CO2混合體系在含能材料擠出加工過程中的狀態(tài)做了詳細研究。雖然近年來有不少關(guān)于含能材料螺桿擠出工藝的數(shù)值模擬研究文獻，但尚未有報道利用Polyflow 對SC-CO2輔助雙基藥塑化擠出成型過程中物料的流動狀態(tài)進行模擬研究。

本研究采用在線流變表征系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，利用Polyflow 對雙基藥在擠出計量段的流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬，展示擠出過程中發(fā)射藥物料在擠出機內(nèi)的壓力分布、速度分布、剪切速率分布和剪切黏度分布，并通過改變工藝參數(shù)了解發(fā)射藥物料在機筒內(nèi)所受壓力和剪切黏度的變化，為發(fā)射藥的安全擠出成型提供重要的參考價值。

1 實驗部分

1.1 擠出設(shè)備

圖1 擠出成型設(shè)備示意圖1—電機，2—喂料斗，3—單向注入閥，4—機筒，5—計量泵，6—螺桿，7—水浴模溫機，8—CO2氣瓶，9—口模，10—脫揮調(diào)控模塊，11—冷卻箱，12—增壓泵Fig.1 Schematic diagram of SC-CO2 plasticization extrusion device1—motor，2—hopper，3—high-pressure anti-backflow valve，4—barrel，5—syringe metering pump，6—screw，7—cooling circulation unit，8—CO2 cylinder，9—die，10—devolatilization control module，11—cooler housing，12—booster pump

SC-CO2輔助發(fā)射藥塑化擠出成型設(shè)備如圖1 所示，由超臨界流體注入系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)和二氧化碳脫揮系統(tǒng)共同構(gòu)成。超臨界流體注入系統(tǒng)包括氣源、低溫恒溫槽、柱塞式高壓氣體計量泵以及單向注入閥，該系統(tǒng)負責將CO2流體連續(xù)、精確、穩(wěn)定地注入到螺桿擠出機內(nèi)；物料輸送系統(tǒng)包含水浴模溫機、自動喂料器和單螺桿擠出機，這些設(shè)備可以完成發(fā)射藥物料的平穩(wěn)輸送，以及與SC-CO2的均勻混合；二氧化碳脫揮系統(tǒng)由氣源、氣體增壓泵、冷卻箱以及脫揮調(diào)控模塊組成，主要功能是脫除物料內(nèi)的CO2。在加工過程中，雙基藥物料從加料口處被投進自動喂料器內(nèi)，在喂料器錐形螺桿向下的推擠作用下由喂料口進入擠出機機筒內(nèi)。待機筒內(nèi)充滿發(fā)射藥物料后，CO2流體以一定的流量和壓力注入到機筒內(nèi)，經(jīng)擠出機螺桿的剪切作用，SC-CO2被發(fā)射藥物料迅速吸收，形成雙基藥/SC-CO2均相體系，這個過程中能夠有效提高物料的流動性。隨后該體系經(jīng)脫揮裝置脫除CO2，避免擠出產(chǎn)品發(fā)泡影響質(zhì)量。該套設(shè)備能夠連續(xù)、實時、準確地完成CO2的注入和脫除，可以通過調(diào)節(jié)加工工藝條件實現(xiàn)對SC-CO2輔助發(fā)射藥塑化擠出成型產(chǎn)品性能的控制。

基于SC-CO2輔助高分子材料擠出成型工藝特點，自主設(shè)計出了如圖2 所示包含五個功能段的螺桿。按照物料輸送方向，從左至右依次為喂料段、注入段、混合段、脫揮段和計量段。五個功能段分別承擔發(fā)射藥建壓輸送、CO2注入、CO2和發(fā)射藥混合、CO2脫除、發(fā)射藥定容輸送成型的作用。

SC-CO2輔助雙基藥塑化擠出成型過程中，發(fā)射藥物料經(jīng)混煉、塑化、脫揮后進入螺桿的計量功能段，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量符合要求，通常需要讓發(fā)射藥進入成型模具前具備一定的壓力。此外，脫揮工藝使得大量CO2脫除，輸送至計量段的物料的塑性被大幅削弱，致使機筒內(nèi)的壓力進一步升高，該段是整個擠出成型過程中壓力最高的位置。因此，本研究針對計量段內(nèi)雙基藥物料流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬，了解雙基藥在該段內(nèi)剪切黏度和所受壓力的變化與分布，對后續(xù)SC-CO2輔助雙基藥塑化擠出成型的安全生產(chǎn)是至關(guān)重要的。

1.2 數(shù)值模擬

參考圖2 所示計量段螺桿結(jié)構(gòu)，選取笛卡爾坐標系，以z軸正方向為物料在機筒內(nèi)的流動方向，坐標軸原點為螺桿起始端面的中心點，構(gòu)建如圖3 所示的流體和螺桿模型。利用Solidworks 建立如圖3a 所示的流體幾何模型，長度214 mm，內(nèi)徑18.5 mm，外徑30.5 mm（螺桿與機筒之間的間隙為0.25 mm）。利用Solidworks 建立如圖3b 所示的螺桿幾何模型，該段螺桿為等距變深單頭螺桿，長度210 mm，外徑30 mm，小徑18.5 mm，大徑25 mm，導程30 mm，螺棱3.5 mm。使用Mesh 對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，流體域采用六面體網(wǎng)格劃分，螺桿與機筒間的間隙邊界層為3 層，網(wǎng)格數(shù)量為65400 個。螺桿部分采用四面體結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格的劃分，共97164 個網(wǎng)格。通過Skewness 方法對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，其平均值遠低于1，說明網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖2 螺桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of screw structure

依據(jù)本課題組前期對雙基藥流變性能的研究［17］，認為冪律模型是描述其剪切黏度和剪切速率之間關(guān)系較為理想的方程，因此在數(shù)值模擬中將冪律模型作為本構(gòu)方程，并在流體入口處和出口處分別設(shè)置一定的體積流量和壓力數(shù)值作為邊界條件。此外，為簡化數(shù)值模擬計算，對SC-CO2輔助擠出成型過程中的物料做出如下假設(shè)［18-19］：（1）為等溫非牛頓流體，流動過程為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)層流；（2）在流道壁面上無滑移；（3）具有較高的粘性，可以忽略慣性力和重力對流體流動的影響；（4）充滿流道，且為完全發(fā)展的流動。

1.3 物料參數(shù)

本研究選擇雙基藥、醇酮溶劑與SC-CO2的混合物進行計算模擬，其中雙基藥的組分包括硝化棉、硝化甘油、TEGN、二氧化鈦和中定劑。首先雙基藥和醇酮溶劑會按一定溶劑比（醇酮溶劑質(zhì)量與雙基藥質(zhì)量之比）進行預混后投入螺桿擠出機內(nèi)與SC-CO2混合。不同工藝條件下物料的相關(guān)流變參數(shù)由在線流變表征系統(tǒng)測得，如表1 中所示。

表1 不同工藝條件下物料的流變參數(shù)Table 1 Rheological parameters of materials under different process conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 不同流場參數(shù)的分布情況

圖4 剪切速率在流體外壁面的分布情況Fig.4 Distribution of local shear rate on the outer wall of the fluid

圖4 所示是不同螺桿轉(zhuǎn)速下流體外壁面剪切速率的分布情況，設(shè)置工藝溫度為51 ℃，注氣流率為0.5 mL·min-1，溶劑比為0.31。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，高剪切速率集中在螺紋處，這是因為物料在輸送至口模的過程中，通過螺棱與機筒內(nèi)壁的間隙時所受的剪切作用是最強的。隨著螺槽深度的減小，螺紋處的剪切速率隨之增大，并且當螺桿轉(zhuǎn)速由5 r·min-1提升至13 r·min-1時，最 大 局 部 剪 切 速 率 也 從30.02 s-1升 高到78.05 s-1。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是螺桿幾何構(gòu)型變化導致的容積減小，以及螺桿轉(zhuǎn)動加快都會使物料在機筒內(nèi)的流動加速，促使切應力增大，從而導致剪切速率的升高。

圖5所示為工藝溫度39 ℃，注氣流率為0.5 mL·min-1，溶劑比為0.31，螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時流體外壁面和z=100 mm 處xy截面壓力的分布情況。圖5a 展示了流體外壁面壓力分布的數(shù)值模擬結(jié)果，從圖5a 中可以發(fā)現(xiàn)螺桿以一個導程為一個單元，沿著物料輸送方向，壓力是每個單元逐級升高的，并在螺桿尾端即與成型模具連接處壓力達到最大值，這與螺槽深度逐漸減小的螺桿結(jié)構(gòu)有關(guān)。而在一個單獨導程內(nèi)，沿物料輸送方向壓力是略有下降的。圖5b 展示了z=100 mm 處xy截面壓力分布的數(shù)值模擬結(jié)果，總體上可以觀察到壓力是呈現(xiàn)近似環(huán)狀分布的，由機筒內(nèi)壁面向螺桿表面逐漸減小。該環(huán)狀分布由外向內(nèi)約四分之三區(qū)域皆為高壓力集中區(qū)域，在接近螺桿表面約四分之一的環(huán)狀區(qū)域壓力迅速遞減，呈現(xiàn)出大壓力梯度區(qū)域。因此在實際生產(chǎn)中，將壓力傳感器安裝于機筒與成型模具連接處，并使感應側(cè)與機筒內(nèi)壁齊平，是可以有效監(jiān)測該段機筒內(nèi)最大壓力的。

圖5 流體所受的壓力分布情況Fig.5 Distribution of pressure on the fluid

圖6展示了工藝溫度51 ℃，注氣流率為0.3 mL·min-1，溶劑比為0.31，螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時xy截面剪切黏度和流體速度的分布情況。圖6a和圖6b分別是z=80 mm和z=180 mm 處的xy截面剪切黏度分布情況，圖6a和圖6b 中的黑色部分為螺桿截面。不難發(fā)現(xiàn)圖6中越貼近機筒內(nèi)壁和螺桿表面區(qū)域的剪切黏度越小，隨著逐漸遠離機筒內(nèi)壁和螺桿表面物料的剪切黏度迅速增大，最終會形成以螺桿中心點為圓心的環(huán)帶狀高黏度區(qū)域。因為本研究中所有算例均采用無壁面滑移假設(shè)，所以物料與螺桿表面及機筒內(nèi)壁間存在的摩擦力，會導致越靠近螺桿表面及機筒內(nèi)壁物料的受到的切向作用越大，各層流體間的速度差也越大，導致更大的速度梯度，從而獲得更大的剪切速率，同時剪切黏度隨之增大。圖6c 為z=80 mm處的xy截面流體速度分布情況，最大流動速度出現(xiàn)在該截面螺紋附近，約為15.71 mm·s-1，而緊貼機筒內(nèi)壁處的流體速度最小，隨著遠離機筒內(nèi)壁和螺桿表面流體速度迅速增大，且越靠近螺桿表面及機筒內(nèi)壁區(qū)域的速度梯度越大。

圖6 xy 截面剪切黏度和流體速度的分布情況Fig.6 Distribution of shear viscosity and fluid velocity at xy cross section

2.2 不同工藝條件對剪切黏度的影響

圖7 為不同工藝條件下z=0、x=0 截面處流體的剪切黏度分布情況，從圖7a 中可以觀察到處理后的云圖主要分為兩部分區(qū)域，其中黑色區(qū)域為流體模型與螺桿模型的重合部分，所以剪切黏度數(shù)值為零。剩余區(qū)域為實際流道部分，此區(qū)域貼近機筒內(nèi)壁和螺桿表面處的剪切黏度小，隨著遠離機筒內(nèi)壁和螺桿表面剪切黏度迅速增大。圖7a～7d 剪切黏度分布規(guī)律一致，可見，工藝溫度、溶劑比等工藝條件并不影響剪切黏度分分布情況。

圖8 反映了不同工藝條件對最大剪切黏度和平均剪切黏度的影響，包括不同工藝溫度、不同注氣流率、不同溶劑比和不同螺桿轉(zhuǎn)速。其中，圖8a 展示了注氣流率0.5 mL·min-1，溶劑比0.31，螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時，雙基藥經(jīng)相同工藝脫揮后，處理z=0、x=0 截面處剪切黏度模擬數(shù)據(jù)后得出的不同工藝溫度下的最大剪切黏度和平均剪切黏度。隨著工藝溫度從39 ℃升高至51 ℃，最大剪切黏度和平均剪切黏度分別下降了5.98 kPa·s 和2.05 kPa·s，降 幅 分 別 為22.16% 和25.12%，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象主要歸因于雙基藥內(nèi)部自由體積的增加。伴隨著工藝溫度的提高，NC 分子鏈段的運動加劇，NC 分子鏈的解纏速度開始快于重構(gòu)速度，這導致分子間纏結(jié)程度顯著降低，最終致使發(fā)射藥內(nèi)部自由體積增加，物料的剪切黏度隨之減?。?0］。

圖8b 為工藝溫度51 ℃、溶劑比0.31、螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時，雙基藥經(jīng)相同工藝脫揮后，在不同注氣流率下z=0、x=0 截面處流體的最大剪切黏度和平均剪切黏度。隨著注氣流率從0.1 mL·min-1增加到0.5 mL·min-1，最大剪切黏度和平均剪切黏度分別下降 了4.13 kPa·s，1.09 kPa·s，降 幅 分 別 為16.43%，13.68%。雖然經(jīng)脫揮后大部分的CO2已被去除，但是剩余的CO2仍會對雙基藥的塑性產(chǎn)生很大的影響。注氣流率越大，脫揮后殘留在物料中的CO2越多，SC-CO2的增塑作用會越強，所以剪切黏度越小。

圖8c 為工藝溫度51 ℃、注氣流率0.5 mL·min-1、螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時，雙基藥經(jīng)相同工藝脫揮后，在不同溶劑比下z=0、x=0 截面處流體的最大剪切黏度和平均剪切黏度。圖8c 中隨著溶劑比的增大，剪切黏度明顯減小。溶劑比從0.25 提升至0.34，最大剪切黏度從24.83 kPa·s 降至20.12 kPa·s，平均剪切黏度從7.32 kPa·s 降 至5.84 kPa·s，兩 者 的 降 幅 分 別 為18.97%和20.22%。這是因為物料中的溶劑含量增大，會導致物料內(nèi)部自由體積的擴大，從而促進了分子鏈間的移動，降低了物料的剪切黏度。此外，有機溶劑的存在可作為SC-CO2的共溶劑，更有利于削弱分子鏈間相互作用，這同樣會使剪切黏度減?。?1］。

圖8d 為工藝溫度51 ℃，注入流率0.5 mL·min-1，溶劑比0.31 時，雙基藥經(jīng)相同工藝脫揮后，在不同螺桿轉(zhuǎn)速下z=0、x=0 截面處流體的最大剪切黏度和平均剪切黏度。從圖8d 中可以輕易觀察到螺桿轉(zhuǎn)速對剪切黏度的影響是顯著的，螺桿轉(zhuǎn)速從5 r·min-1加速到13 r·min-1，最 大 剪 切 黏 度 從35.69 kPa·s 減 小 到15.07 kPa·s，減 幅 達 到57.78%，平 均 剪 切 黏 度 從10.39 kPa·s 減 小 到4.38 kPa·s，減 幅 達 到58.01%。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的遞增，物料受到的剪切作用增強，機筒內(nèi)物料流量和剪切速率隨之增大，剪切黏度呈現(xiàn)下降趨勢也符合雙基藥作為假塑性流體的“剪切變稀”特性。綜上所述，模擬實驗中剪切黏度與各工藝條件的變化關(guān)系與之前雙基藥流變實驗結(jié)果一致［17］。

2.3 不同工藝條件對流體壓力的影響

沿z軸正方向創(chuàng)建10 個平面，以z=20 mm 為起點，z=200 mm 為終點，每個面間隔20 mm，如圖9 所示。取各面的平均數(shù)據(jù)值，分析工藝溫度、注氣流率、溶劑比和螺桿轉(zhuǎn)速對流體壓力的影響，如圖10 所示。

圖10 中各圖為不同工藝條件下，包括不同工藝溫度、不同注氣流率、不同溶劑比和不同螺桿轉(zhuǎn)速，沿z軸方向，各取值面處流體壓力的平均值。從圖10a～d四圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著物料不斷向z軸的正方向輸送，不同工藝條件下的流體壓力都是持續(xù)增大的，并在z=200 mm 處達到最大值，這符合螺桿逐級建壓的設(shè)計初衷?？梢灶A見，成型模具連接處將會是該段機筒內(nèi)壓力峰值點。

圖10a反映了工藝溫度51 ℃、注入流率0.5 mL·min-1、螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時，不同溶劑比下流體壓力沿z軸正方向的變化情況。隨著溶劑比的不斷增大，壓力逐漸減小，但是相鄰溶劑比間壓力的下降幅度明顯是不同的。溶劑比0.25，0.28，0.31，0.34 時，z=200 mm 處的壓力分別為15.161，13.364，12.257，11.649 MPa，相鄰溶劑比間壓力降幅分別為11.85%、8.28%、4.96%。顯然，增大溶劑比帶來的塑化效果在減弱。

圖10 不同工藝條件對壓力的影響Fig.10 Effect of different process conditions on pressure

圖10b 為注氣流率0.5 mL·min-1、溶劑比0.31、螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1，不同工藝溫度時流體壓力沿z軸正方向的變化趨勢。隨著工藝溫度的提升，各取值面處的平均壓力是相對降低的，z=200 mm 處壓力由14.579 MPa 降至12.257 MPa，這是升溫導致物料流動性改變造成的。同時也可以從圖中看出，升高溫度對物料流動性的改善效果也是在逐漸削弱的，工藝溫度由47 ℃升至51 ℃時，壓力僅僅降低了3.15%，遠低于39 ℃升至43 ℃時9.53%的壓力降幅。

圖10c 中所示為工藝溫度51 ℃，溶劑比0.31，螺桿轉(zhuǎn)速9 r·min-1時，不同注氣流率情況下沿z軸正方向的流體壓力。伴隨著注氣流率的增大，脫揮后殘留在計量段的CO2含量增加，流體壓力明顯減小，z=200 mm 處的最大壓力值由15.171 MPa 降至12.257 MPa。圖10d 展示了工藝溫度為51 ℃、注氣流率為0.5 mL·min-1，溶劑比為0.31，不同螺桿轉(zhuǎn)速對流體壓力的影響。5，9，13 r·min-1時計量段內(nèi)的最大壓力分別為9.920 MPa、12.257 MPa、14.363 MPa，轉(zhuǎn)速的提升對壓力的影響是顯著的，從5 r·min-1到13 r·min-1壓力升高近50%，這與轉(zhuǎn)速增大后螺桿對物料的推擠作用加強有關(guān)。

3 結(jié) 論

本研究使用Polyflow 軟件開展了SC-CO2塑化雙基藥擠出過程的模擬研究，分析了擠出成型過程中物料在計量段的流動情況，了解了該段壓力、流體速度、剪切速率和剪切黏度的分布情況，以及不同工藝條件下壓力和剪切黏度的變化趨勢。模擬結(jié)果表明：

（1）流體外壁面的剪切速率隨螺桿轉(zhuǎn)速加快而增大，13 r·min-1時的最大剪切速率為78.05 s-1，且高剪切速率集中在螺紋處，這是由于螺棱與機筒內(nèi)壁間的強切應力造成的。并且隨著螺槽深度的減小，螺紋處的剪切速率也會隨之提升，這是因為螺桿幾何構(gòu)型變化導致的容積減小，使機筒內(nèi)物料流動加速引起的切應力增大導致的。

（2）xy截面處最大流體速度出現(xiàn)在螺紋附近，約為15.71 mm·s-1，而緊貼機筒內(nèi)壁處的流體速度最小，隨著遠離機筒內(nèi)壁和螺桿表面流體速度迅速增大，且越靠近螺桿表面及機筒內(nèi)壁區(qū)域的速度梯度越大。

（3）剪切黏度隨著工藝溫度、注氣流率和溶劑比和螺桿轉(zhuǎn)速的增大而減小，但其分布規(guī)律并未受工藝條件變化影響而顯著改變。xy截面處的剪切黏度會形成以螺桿中心點為圓心的環(huán)帶狀高黏度區(qū)域，越貼近機筒內(nèi)壁和螺桿表面區(qū)域的剪切黏度越小，這是因為物料與螺桿表面及機筒內(nèi)壁間摩擦力，使得越靠近螺桿表面及機筒內(nèi)壁物料的受到的切向作用越大。

（4）機筒計量段內(nèi)的壓力會隨著工藝溫度、注氣流率和溶劑比的增大而減小，卻隨螺桿轉(zhuǎn)速的提升急劇增加，流體外壁面的壓力是逐級升高的，并在機筒與成型模具連接處壓力達到最大值，這與螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，也是符合設(shè)計初衷的，可以保障發(fā)射藥物料在該功能段的定容輸送和成型產(chǎn)品的質(zhì)量。而xy截面處的壓力呈現(xiàn)近似環(huán)狀分布，由機筒內(nèi)壁面向螺桿表面逐漸減小。