SEM对挤出制品微观结构的混合效果进行对比

单螺杆挤出机具有结构简单、成本较低、容易操作与设计等优点，因此在聚 合物成型加工中得到了广泛的应用。单螺杆混合性能的提高是我们目前关注的主 要问题。混沌螺杆是在传统螺杆基础上稍作改变而成，是一种可有效提高挤出过 程中物料混合性能的单螺杆。混沌混合可以打破常规的稳态壳层流动，实质是由 于空间周期性副螺棱的作用使物料沿螺槽流动时出现反复的拉伸与折叠，它被视 作层流条件下提高混合效果的最好方式。国外有许多将混沌理论引入到聚合物成 型加工的相关研究报道，国内这方面的研究成果甚少，因此本课题研究利用混沌 场来改善聚合物在单螺杆挤出过程中的混合效果具有重要意义。 本文尝试在螺杆螺槽内插入间断结构的副螺棱，引入周期性的扰动，实现单 螺杆挤出过程中诱发混沌来提高螺杆的混合效果。通过建立简化的混沌新型单螺 杆展开螺槽模型与三维实体模型，借助流体动力学ployflow仿真软件，采用网 格叠加技术，对符合Carreau定律的聚合物熔体在插有周期性间断结构副螺棱的 新型单螺杆及普通单螺杆螺槽内的流动混合情况分别进行数值模拟，对螺槽内混 合过程动力学结果进行对比分析。从统计学的角度结合粒子示踪技术以停留时间 分布、分离尺度、混合效率及累计混合指数为指标来表征螺杆的混合性能，得到 副螺棱的尺寸结构参数对混合效果的影响。 数值模拟结果表明示踪粒子在螺槽内的动态混合分布可直观揭示副螺棱的 扰动作用可触发混沌混合，提高混合的效果。相比于普通单螺杆，新型单螺杆可 以使物料分流次数增加，降低熔体分离尺度，得到良好的分布混合效果；同时它 还可以加大螺槽流道内熔体的剪切速率，提高混合指数，加宽停留时间分布概率 密度曲线，获得物料粒子更好的分散混合效果。 结合数值模拟结果，本文还开展了 CaCO3/LLDPE填充体系及HDPE/PC填 充体系的挤出实验研究，通过SEM对挤出制品微观结构的混合效果进行对比， 发现与数值模拟吻合的结果。 单螺杆挤出机；混沌混合；粒子示踪；数值模拟；混合机理 挤出成型是指聚合物材料受到挤出机机筒的加热，在螺杆旋转条件下通过螺 杆表面与机筒内壁摩擦作用，物料由粉状或粒状不断地向前压实推送并逐渐熔融 塑化为粘流态，由于螺杆的剪切和压缩作用，塑化后的聚合物熔体连续通过挤出 机的分流板和一定形状的口模，成为高温连续体，最后冷却定型为玻璃态，得到 所需的成品或半成品的成型加工方法挤出成型是聚合物材料（特别是塑料） 成型加工的最重要方法之一，大部分热塑性塑料都能通过挤出加工而成型⑵。与 其他成型方法相比，挤出机及其成型方法有着生产过程连续、应用范围广、生产 操作简单、维护容易，生产效率高，设备成本低等优点GW。据统计，在塑料制 品工业中，采用挤出成型生产的制品总量约占国内所有塑料制品总量的1/3以上, 在世界上各主要发达国家更是占到整个塑料制品产量的一半以上。因此，也可以 说一个国家的挤出成型技术水平在某种程度上反映了该国塑料工业产品的先进 程度州。 1879年，M.Gray发明了世界上第一台螺杆挤出机⑺。现在螺杆挤出机已经 成为了挤出成型加工中最普遍的设备，而且以单螺杆挤出机的应用最为广泛。单 螺杆挤出机由于具有结构简单、加工制造及维护成本低、操作方便、生产效率高、 适应性强、性价比高、投资见效快等特点而保持着极其重要的地位⑻。但是，普 通单螺杆挤出机由于挤出过程机理与螺杆构型的原因，使得聚合物熔体在单螺杆 挤出机螺槽内流动挤出时，熔体质点界面的再取向作用很弱而导致混合效果有 限，尤其是位于螺槽中部的大部分流体的混合是常规层流混合，质点运动轨迹界 面随时间呈线性拉伸变化，受螺杆剪切力作用小，混合能力较弱，因而不能有效 地完成要求较高的混合任务〔9】o 为了提高普通单螺杆的混合能力，常常是对常规的三段螺杆结构进行改型设 计，通过添加新型设计的混炼元件来增强其混合能力。发展至今，各类新型螺杆 已有200多种，按结构特征和功能分为屏障型螺杆、分流型螺杆、分离型螺杆、 变流道螺杆、沟槽型螺杆、排气型螺杆、剪切型螺杆、强冷输送型螺杆、空心螺 杆、分段螺杆等〔I。】。虽然这些新型混炼元件对单螺杆挤出机混合性能有所改善, 但他们耗能激增的同时，其混合机理主体上仍然属于传统的层流混合范畴，而且 很难再有进一步提高性能的空间。然而，在单螺杆挤出过程中通过对聚合物熔体 流动周期性的折叠拉伸、分流置换和交叠干扰可以打破常规的稳态流场，这是层 流条件下提高混合效率的有效方式。目前，这种方法已成为了聚合物加工研究的 热点问题之一，引起越来越多的研究人员的关注。 单螺杆挤出机发展现状 单螺杆挤出机是高分子材料成型加工应用中最广泛的设备之一，其向着高速 化、高效化、节能化、精密化、智能化、网络化和更加专用化方向发展。目前， 国内外出现的典型单螺杆挤出机主要包括光滑机筒单螺杆挤出机、开槽机筒单 螺杆挤出机、高速单螺杆挤出机、电磁动态塑化单螺杆挤出机、往复式单螺杆销 钉挤出机、嵌入式行星单螺杆挤出机等等〔1七 1 光滑机筒单螺杆挤出机 光滑机筒单螺杆挤出机的结构组成如图1-1所示，它是依靠摩擦拖曳输送机 理实现对固体物料的输送。在物料输送过程中，螺杆旋转时，固体塞可看做是绕 螺杆旋转的“螺母”，其对于螺杆的运动模型被视为“螺母模型”。在“螺母模型”中， 机筒表面对“螺母”摩擦力为动力，螺杆表面的摩擦力为阻力。为防止螺杆旋转时 “螺母”在机筒表面因打滑而停滞向前，必须使机筒表面摩擦力大于螺杆表面摩擦 力，为了提高物料的塑化效果通常可在螺杆计量段加装混炼元件［⑵o 2 开槽机筒单螺杆挤出机 类似于光滑机筒单螺杆挤出机具有的缺陷1难以实现高粘度、低摩擦系数 物料的稳定挤出;2固体输送段建压能力差等，目前己有一些公开的针对提高单 螺杆挤出机固体输送效率的方法与设备。这些方法的共同特点是在加料段机筒衬 套内壁开设轴向直槽、锥槽或螺旋沟槽来增大机筒表面与物料间的摩擦力［1315］0 通过在机筒衬套内壁上开槽将物料输送过程中的动力转化为物料与物料间的摩 擦力，有效的增大了固体塞输送的能力，提高了固体输送效率。图1-2显示了不 同的沟槽截面形状及沟槽类型，图1-3所示为开槽挤出机示意图〔1切。 3 高速单螺杆挤出机 高速单螺杆挤出机如图1-4所示，其螺杆直径通常在6070mm之间，螺杆 长径比30-40比普通挤出机的长径比24-30多出1/3。高速挤出机的计量段要比 普通挤出机长。由于螺杆转速高3001500r/min、计量段长，故物料受到的剪切 应力大，摩擦耗散热也大，物料停留时间长。为了避免熔融物料降解或焦化，计 量段采用水冷来控制机筒温度刀。挤出机的螺杆头部安装有辅助径向轴承，螺 杆尾部安装有止推轴承，采取两端固定的方式〔I】。螺杆尾部直接和电机马达 连接或与减速比为1 1的齿轮箱连接，这样在提高螺杆转速的同时降低了齿轮箱 的能耗 4 电磁动态塑化单螺杆挤出机 华南理工大学瞿金平院士于20世纪90年代最先提出并发明了动态塑化成型 加工新方法，将振动力场引入到高分子材料成型加工的全过程。研制的电磁动态 塑化单螺杆挤出机，具有能耗低、制造成本低、噪音低、混合效果好、加工