间断副螺棱强化螺杆螺槽内混合行为表征

通过在螺杆螺槽内插入周期性间断结构副螺棱,建立新型螺杆计量段螺槽展开简化模型。借助动力学软件Ployflow,对聚合物在新型螺杆及普通螺杆螺槽内的流动情况进行模拟仿真,对比分析其流动混合效果,同时进行低密度聚乙烯(LDPE)/nano-CaCO_3的共混挤出试验验证。结果表明,副螺棱周期性的扰动可触发混沌混合,提高聚合物流体的分散准数,延长粒子在螺槽中的停留时间分布,同时试验挤出物脆断面的微观结构也显示新型螺杆具有更好的混合效果。     

振动参数对动态注射螺杆塑化能力的影响

根据动态成型注射螺杆塑化时的工作特点,采用自行修正的Tanner本构方程,建立了螺杆动态塑化理论模型,并近似地给出动态注射螺杆塑化能力的表达式,研究了振动参数对注射螺杆塑化能力的影响。结果表明:注射螺杆的塑化能力随着螺杆直径、计量段螺槽深度、计量段长度的增加而提高;注射螺杆的塑化能力与螺杆转速成正比,与螺杆的背压成反比;保持其他加工参数不变的情况下,螺杆的塑化能力随着振幅和振动频率的增加而增强。     

间断副螺棱结构对挤出机内混沌混合影响的数值模拟

建立了混沌单螺杆挤出机计量段展开螺槽的物理模型及数学模型,根据流体符合Carreau定律,借助Ployflow软件,采用网格叠加技术,对聚合物熔体在插有间断结构副螺棱螺槽内的流动进行了数值模拟分析,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。结果表明,当副螺棱间断次数多且高度略低于螺槽高时混沌单螺杆混合性能更好。     

机筒沟槽和螺杆螺槽耦合作用下的熔融理论研究

对固体输送段和熔融段机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机,构建了基于反压缩比分离型螺杆和正压缩比沟槽机筒的耦合双槽熔融模型,并通过液压剖分式单螺杆挤出机实验平台对耦合双槽熔融模型进行了验证。结果表明:对于沟槽机筒单螺杆挤出机,利用熔融段沟槽固体塞和螺杆螺槽固体塞在机筒沟槽和螺杆螺槽界面处发生层间剪切产生的大量内摩擦热来实现物料的高效熔融是可行的;实验结果和理论模型相一致;螺杆转速对熔融长度影响不大,而螺杆结构参数则对其影响较大。     

锥形单螺杆挤出机建压能力模型分析

基于固体塞力平衡分析,建立了螺棱圆柱而螺槽渐浅及双锥螺杆的固体输送段压力、固体推进角和功率模型。定量计算或作图分析结果表明,螺槽渐浅锥形螺杆比槽深不变柱螺杆的建压能力要强;建压能力随着锥角的增大而增强,在不同轴向位置锥角对建压能力的影响不同;锥形螺杆固体塞前进角比普通平直螺杆的大,生产率高,固体输送段比功率也会降低。     

间断副螺棱强化单螺杆挤出过程混合性能模拟

建立了带有间断副螺棱的新型单螺杆计量段螺槽展开物理模型及数学模型。借助流体动力学软件Ployflow,采用网格叠加技术,对熔体在新型单螺杆及普通单螺杆挤出机计量段展开螺槽内的流动情况分别进行了数值模拟。运用粒子示踪技术及统计学方法以停留时间分布、分离尺度及累计混合指数为指标来表征螺杆的混合性能。结果表明,相比于普通单螺杆,新型单螺杆不仅可以减小熔体物料分离尺度,提高混合指数,还可以加宽停留时间分布概率密度曲线,获得更好的混合分散效果。     

挤出机螺杆计量段的优化设计

讨论了挤出机螺杆计量段的优化设计问题。应用粘性流体动力学基本方程，分析了聚合物物料在螺槽中的流动。以单位产量能耗最小为优化目标，建立简化的挤出机计量段螺杆优化设计的数学模型，应用约束随机方向法求解。结果表明，螺槽深度、螺纹棱顶宽度、螺纹棱顶与机筒间隙和螺纹升角均位于或接近于献中所建议的最佳取值范围。     

同向旋转双螺杆挤出机的压力产生和螺杆设计

为了能够正确地设计螺杆,必须确定出喂料和排气位置、填充区的长度、估计出不同啮合段的挤压和混合效果。对各种啮合螺杆挤出效率进行实验,结果表明,挤出效率比预想的二维非弹性模型的挤出效率要大得多,并且,反螺纹螺杆的啮合段未完全填满,特别是前后螺槽相 后半螺槽段未完全填满。     

聚合物熔体二维非等温脉动流场模型

基于螺杆轴向振动,建立单螺杆挤出机计量段熔体流动模型,推导聚合物熔体二维非等温幂率本构方程,计算螺杆径向熔体温度分布和沿螺槽方向熔体速度,结果表明:在螺杆计量段,熔体沿螺杆径向分布存在一定温度差且为非线性,熔体温差的存在会对熔体流场产生影响。     

新型偏心双螺杆挤出机流域混合特性

基于非对称流场的混沌混合理论,设计了一种新型的偏心双螺杆挤出机。通过对比传统普通螺杆元件与新型偏心螺杆元件,偏心距不仅决定了螺杆的端面形状,也改变了螺槽形状,使同一导程内的2个独立的C型室螺槽形成一个ω型室螺槽。利用Polyflow软件分别对传统双螺杆挤出机与3种不同偏心距螺杆元件的新型双螺杆挤出机进行模拟仿真,分析了压力场、速度场与混合指数分布规律,计算了4种双螺杆挤出机流场的停留时间分布、分离尺度、最大剪切应力等混合表征系数。结果表明,与传统双螺杆挤出机相比,偏心双螺杆挤出机压力分布不均匀,正负压压力值增大,因此,压力差增大,使熔体回流速度增大,混合效果更佳;拉伸流区域增大,混合能力增强;熔体在流体域内的总体停留时间缩短,混合效果更佳;分离尺度数值下降较快,混合效率较高;偏心螺杆元件对流体的剪切应力增大,分散混合能力增强。     

Analysis and experimental evaluation of twin screw extruders

Twin screw extruders can he classified according to their geometrical configuration. The main distinction is made between intermeshing and nonintermeshing extruders. Another distinguishing characteristic is the sense of rotation. The most important characteristics of the various twin screw extruders are examined, with particular emphasis on the effect of screw geometry on the conveying characteristics. A brief review is given of the state of the art in theoretical analysis of twin screw extruders. Experiments with two lab scale, intermeshing twin screw extruders are described, one co- and one counterrotating. Results are presented on power consumption, residence time distribution, and mixing characteristics of the two extruders. The counterrotating extruder exhibits a narrower residence time distribution and better dispersive mixing capability. The corotating extruder showed a better distributive mixing capability. These results can be explained in terms of the conveying and mixing mechanisms in both extruders. The overall extruder performance seems to be dominated by the effect of the intenneshing region. Any realistic, theoretical analysis of twin screw extruders should be centered around the flow behavior and mixing characteristics of the intermeshing region. The corotating extruder appears to be best suited for melt blending operations, while the counterrotating extruder seems to be preferred in operations where solid fillers have to be dispersed in a polymer matrix.     

三螺杆挤出机端面二维流场混沌混合拉格朗日拟序结构分析

三螺杆挤出机是一种新型的聚合物流体加工设备,其独有的中心区呈现出几何结构和受力状态的周期性变化,混合机理非常复杂。区别于传统的线性混合分析,从拉格朗日体系的新视角对三螺杆挤出机混沌混合进行拉格朗日拟序结构分析,利用有限时间Lyapunov指数（FTLE）、拉格朗日拟序结构（LCS）,结合Poincaré截面和粒子可视化技术研究三螺杆挤出机二维流场的流体输运和混沌混合机理,讨论了中心区动态结构特性对FTLE和LCS分布的影响,并与单螺杆挤出机和双螺杆挤出机进行了对比分析。结果表明,LCS将三螺杆挤出机流域划分为近螺杆区、远螺杆区和中心区3个具有不同运动特性的区域,扭结是连接近螺杆区、远螺杆区和中心区物质交换的桥梁。随着混合时间的增加,扭结的弯曲和折叠程度逐渐增大,增强了3个区域的物质交换,强化了三螺杆流场的混沌混合。三螺杆挤出机啮合区附近存在3个双曲固定点,混合能力较好。Poincaré截面中椭圆周期点的出现说明在流域中心有非混沌区存在,因此三螺杆挤出机的中心区混合能力相对较弱。     

数值模拟研究螺筒结构对单螺杆挤出机性能的影响

通过数值模拟研究了机筒内壁开螺槽的螺筒结构对单螺杆挤出机性能的影响。采用POLYFLOW软件模拟了硬质聚氯乙烯(PVC-R)熔体在单螺杆螺筒挤出机以及传统单螺杆挤出机中的三维等温流场及混合过程,并对二者的混合挤出性能进行了比较。结果表明:机筒内壁为螺旋沟槽结构的单螺杆螺筒挤出机,其混合性能相对于传统单螺杆挤出机有所提高。     

混炼成型一体机挤出三维流场模拟

建立单螺杆和双锥螺杆物理、数学和有限元模型,对单、双锥两种螺杆挤出机进行流场有限元分析和对比。分析结果表明,双锥螺杆的挤出性能优于单螺杆。     

新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析

在传统的三螺杆挤出机的基础上,设计了一种新型偏心三螺杆挤出机。该三螺杆挤出机中具有螺杆几何结构偏心、螺槽构型呈梯度变化特殊以及较高的面积利用系数等特征。利用有限元法对聚丙烯（PP）熔体在新型偏心三螺杆挤出机中流动和混合规律进行三维数值模拟,给出偏心三螺杆挤出机中压力和速度分布规律,计算了3种偏心螺杆挤出流场的停留时间分布、分布指数、分离尺度、最大剪切应力等混合表征参数。结果表明,螺杆偏心距不仅决定了螺杆端面形状,也改变了螺槽梯度的变化程度。随着螺槽梯度的逐渐减小,挤出机内粒子团聚效应逐渐降低、物料剪切作用逐渐增强。在3种新型偏心三螺杆挤出机中,偏心距e=3 mm的新型偏心螺杆挤出机的混合性能相对较好。     

新型混炼技术应用研究

聚合物改性对混炼设备的性能提出了更高要求。介绍了自主研制的5种新型混炼设备：同向平行双螺杆挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机、往复式销钉螺杆挤出机、新型销钉式冷嗖料橡胶混炼挤出机的性能特点、适用范围、结构机理等。并对几种设备的混炼效果作了重点介绍。     

场协同对PP/PS复合体系传热传质性能的影响

从动量和能量守恒方程出发,提出速度场与温度场的协同耦合作用对聚合物流动与换热具有重要影响,并以此为依据设计了新型扭转螺杆结构和场协同螺杆。以聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)为原料制备PP/PS复合材料体系,通过挤出试验对比研究了常规螺杆与场协同螺杆的传热传质性能。结果表明,相对于常规螺杆,设置有扭转螺杆结构的场协同螺杆的数均粒径更小、粒径分布密度和平均停留时间更大,提高了挤出机的混合能力;场协同螺杆的对流换热系数更大、径向温差更小,提高了挤出机的换热能力。     

介绍一种新颖的纺丝螺杆——犁钉分流混合型螺杆

本文介绍了北京服装学院机电系螺杆课题组,为改进圆销钉螺杆在熔体塑化及混合等方面的不足,经研究精心设计了犁钉分流混合型螺杆。该螺杆可使熔融体达到三维混合,提高了熔体均匀性等优点。     

Chaotic mixing in a free-helix extruder using a new solution to the biharmonic equation

A recently published approach for modeling the cross flow in an extruder channel using a new solution to the biharmonic equation is utilized in a study of chaotic mixing in a free-helix single-screw extruder. This novel extruder was designed and constructed with the screw flight, also referred to as the helix, detached from the screw core. The flight-helix had straight sides that more closely emulated rectangular channel theory than the nominal sloped sides of a conventional single screw channel. Each of the screw elements could be rotated independently to obtain chaotic motion in the screw channel. Using the new extruder, experimental evidence for the increased mixing of a dye, for both a Dirac and droplet input, with a chaotic flow field relative to the traditional residence time distribution is presented. These experimental results are compared using the new biharmonic equation-based model. Comparing the experimental chaotic mixing with theoretical calculations was facilitated by a recently published technique for accurately placing the dye in the extruder channel. Because of the ability to periodically rotate only the flight/helix, the chaotic mixing results are minimally confounded by the existence of Moffatt eddies.     

Review: Single Screw Extruder in Particulate Filler Composite

This review is designed to be a comprehensive source for single screw extruder research in the scope of particulate filled composite. This review includes factors effecting processing of particulate filled composite using a single screw extruder. The mixing requirements for a particulate filled composite analyzed and discussed in terms of single screw extrusion. The factors for achieving effective mixing of this type of composite are also discussed.