啮合同向双螺杆挤出机中组合螺杆性能的数值研究（Ⅱ）混合特性分析

采用有限元软件POLYFLOW,对组合式啮合同向双螺杆挤出机ZSK60中不同构型的组合螺杆进行了混合分析。通过计算螺杆转过不同角度时的拟稳态流场,采用粒子示踪分析(PTA)方法,对组合螺杆中聚合物熔体的动态混合过程进行了可视化模拟;在此基础上通过对大量粒子运动轨迹的统计处理,分别采用停留时间分布、分布混合指数、分离尺度等累积混合指数表征了组合螺杆的轴向混合性能、分布混合性能以及分散混合性能。此外还研究了不同工艺条件下组合螺杆的混合特性。并将部分数值模拟结果与前人实验研究进行了对比。     

三螺杆挤出机与双螺杆挤出机混合性能的比较

利用聚合物流体分析软件Polyflow,对倒三角形排列的三螺杆挤出机和等规格的双螺杆挤出机的混合性能进行了深入分析。通过计算不同角度的拟稳态流场,采用示踪粒子法对聚合物熔体在流场中的动态混合情况进行三维等温数值模拟,在此基础上对粒子轨迹进行统计后处理,并分别采用混合指数、面积伸展率和停留时间分布表征流场的分散混合能力、分布混合能力和轴向混合能力,进而比较两种挤出机的混合性能。另外,在实验条件与模拟条件相同的情况下,进行了实验验证。模拟结果表明,三螺杆挤出机各方面的混合性能均优于双螺杆挤出机。实验结果表明,实验数据与模拟结果基本一致。     

微型锥形双螺杆挤出机的循环混合特性

利用基于三维有限元的计算流体力学(CFD)方法数值模拟了微型锥形双螺杆挤出机(MCTSE)中聚丙烯熔体的循环挤出混合过程,得到流场中物料的剪切应力和速度等分布场量。通过计算放置流场中的示踪粒子的运动轨迹,对粒子运动路径上的剪切应力、混合指数、拉伸长度、分离尺度以及混合效率等进行统计分析,定量表征了MCTSE循环挤出过程的分散和分布混合特性,并进一步考察了加工条件和螺杆构型对混合性能的影响规律。结果表明,聚丙烯熔体循环挤出混合由拉伸流和剪切流共同作用,MCTSE具有较好的混合效果;增大螺杆转速或减小螺距均有利于提高MCTSE的分散混合和分布混合性能,但不利于提高MCTSE的混合效率;分析表征混合性能的不同参数可知,相对于改变MCTSE的螺杆构型,选取合适的加工条件更为重要。     

双螺杆挤出过程数值模拟研究进展

在聚合物的双螺杆挤出过程的研究中,采用数值模拟的方法可以克服传统实验方法的局限,可为挤出机的设计加工提供参考。回顾了近年来国内外对双螺杆挤出过程数值模拟的研究成果,介绍了一维数学模型和三维数学模型对挤出过程进行数学描述的优缺点,从双螺杆挤出机内部的流场特性、瞬态混合性能、停留时间分布以及反应挤出等方面综述了相关研究进展,并对双螺杆挤出过程数值模拟的今后发展方向进行了展望。     

Sc-CO_2辅助聚合物挤出中螺杆结构对熔体压力的影响

采用Polyflow软件对双螺杆挤出机内不同螺杆元件所形成流道中的熔体流动进行了模拟,分析了不同螺杆元件的建压能力。结合超临界二氧化碳(Sc-CO2)辅助挤出的螺杆组合原则,对不同螺杆元件组合的螺杆结构进行了挤出实验;并通过对熔体压力的模拟值与实际测量值的比较,分析了不同螺杆结构对熔体压力的影响;另外还针对不同材料的挤出加工确定了相应的螺杆结构。     

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。     

螺杆组合对三螺杆挤出机混合性能的影响

使用聚合物流体分析软件Polyflow对倒三角三螺杆挤出机的5种螺杆组合进行了三维等温数值模拟。使用Fieldview软件统计结果。通过构建不同螺杆组合的等温稳态流场,并采用混合指数、回流量和平均停留时间评价分散、分布和轴向混合性能。辅以压力分布,剪切速率和拉伸速率等评价指标,为螺杆组合优化提供依据。最终达到根据物料所需的加工条件选择螺杆元件的组合方式,获得所期望产品的目的。     

计算流体动力学（CFD）及其软件包在双螺杆挤出中的应用

从数学模型、软件包的应用和数值模拟对象（即整根螺杆、熔体输送段、混合以及反应挤出等）三个方面介绍了计算流体动力学（CFD）及其软件包在双螺杆挤出中的应用,并讨论了双螺杆挤出加工数值模拟中尚特解决的问题。     

铝粉高填充材料混合流场数值模拟及实验研究

应用Polyflow软件模拟计算了4种总长度为440 mm的螺杆熔体混合段内铝粉高填充复合材料的三维混合流场。通过对各个螺杆组合流道的剪切速率、剪切应力、轴向速度分布等指标进行分析,研究了这4种螺杆组合的流场分布规律和混合性能;分别对每个螺杆组合上的不同元件的混合特性进行直观的对比。数值模拟与实验分析结果表明,带有反向螺纹元件和捏合块的螺杆对填充材料中的超细铝粉具有更优的综合混合能力。     

混合元件对玻璃纤维增强聚丙烯中玻璃纤维长度的影响

对啮合同向双螺杆挤出机90 °捏合块、六棱柱、变间隙转子3种混合元件流道流场进行了数值模拟,分析3种元件的混合性能。实验研究了使用3种不同元件的螺杆组合对玻璃纤维增强聚丙烯（GFRPP）复合材料中玻璃纤维长度的影响。结果表明,啮合同向双螺杆挤出机中聚合物熔体产生的剪切对玻璃纤维长度影响明显,混合元件的剪切越强,制品中玻璃纤维的平均长度就越短,制品的拉伸强度和冲击强度越低。     

回流对不相容体系共混物分布混合效果的影响

对啮合同向双螺杆挤出机熔体输送段6种不同螺杆构型所形成的流场进行了数值模拟,并进行了实验研究。结果表明,增大回流系数能增强共混物的分布混合效果,并且回流系数越大,分布混合效果越好。     

同向双螺杆挤出过程不同螺杆构型的混合性能分析

利用POLYFLOW有限元分析软件列同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的流道进行了三维等温非牛顿流场模拟，通过计算结果后处理，分析了全正向螺纹流道、全正向捏合盘流道、全反向捏合盘流道等6种不同螺杆构型的分布混合性能和分散混合性能。     

双螺杆挤出机磨损程度对PP/GF共混过程流场的影响

本文采用数值模拟方法分析了同向双螺杆挤出机磨损程度对PP/GF共混物制备过程中混炼流场的影响。通过流变测试得到PP物料黏度与剪切速率的关系;对双螺杆挤出机混炼区域的螺纹元件建立三维模型,运用Polyflow软件对熔体在该区域的混炼流场进行分析,对比螺纹元件磨损前后的混炼流场的压力、速度、剪切速率和混合指数的分布。结果表明:随着双螺杆挤出机磨损程度的增大挤出机对聚合物熔体的剪切和拉伸作用减弱,其分散和分布混合能力也会随之降低。     

聚丙烯/无机纳米粒子在双螺杆挤出机内的分散混合效果数值模拟

采用三维有限元数值模拟方法,研究了聚丙烯(PP)/无机纳米粒子在双螺杆挤出机的三种螺杆组合元件流道内的分散混合效果。通过对比分析三种螺杆组合下无机纳米粒子的剪切应力和剪切速率、停留时间分布及粒径分布等结果,发现含错列角45°捏合块的螺杆组合对其流场中大部分粒子的剪切作用最强,含错列角60°捏合块的螺杆组合次之,含错列角90°捏合块的螺杆组合最弱。与另两种螺杆组合相比,含错列角45°捏合块的螺杆组合流场中,无机纳米粒子团聚体的数量最少,剥离出的碎片数量最多,即在含错列角45°捏合块的螺杆组合条件下无机纳米粒子在PP熔体中的分散效果最好。     

不同结构单螺杆屏障混炼元件混合特性研究

运用有限元分析软件Polyflow对不同结构和不同螺杆转速下的修正Maddock混炼元件流场进行三维非等温数值模拟,得到了流场的压力、速度、温度和剪切速率的分布;利用粒子示踪法(PTA)对不同结构和不同螺杆转速的修正Maddock混炼元件流场内聚合物熔体所经历的混合过程进行模拟,并对结果进行了统计学分析;通过比较平均解聚功等参数对不同结构和不同螺杆转速下修正Maddock混炼元件的分散混合效果进行分析研究,并借助实验进行验证。结果表明,等腰反向型修正Maddock混炼元件对聚合物熔体的剪切作用和分散混合性能最好;适当提高螺杆转速可以有效地促进物料的分散混合。     

啮合同向双螺杆挤出机组合流道的熔体充满长度预测与实验研究

使用Polyflow软件对φ34 mm啮合同向双螺杆实验挤出机中由螺纹元件和捏合盘元件组成的组合流道进行模拟,得到不同螺杆相位角下三维流场的压力分布;分析了设置在组合流道内的观测点压力随相位角变化规律,对两种流量下组合流道在挤出过程中的熔体充满长度进行了预测,并对分析结果进行了验证实验。结果表明,通过流场模拟的方法可以预测组合流道在挤出过程中的熔体充满长度,其误差小于10 %。而在预测的充满长度区域,实测的观测点压力波动在预测的压力波动范围内。     

聚乙烯护套料的双螺杆造粒工艺研究

从分散相分裂模型解释了双螺杆挤出机制备聚乙烯护套料时熔融段和混合段的螺杆设计原则,研究了螺杆组合、螺杆转速、喂料量对聚乙烯护套料的性能影响;用哈克转矩流变仪模拟线缆挤出,评估工艺参数的变化对成缆外观的影响。研究发现:双螺杆挤出机生产聚乙烯护套料时,螺杆的熔融段应该以强剪切为主,如45°厚剪切块和90°剪切块,配合反向输送块进行组合设计;混合段以分散、分布组合为主,如45°的薄、厚剪切块组合设计。当螺杆转速不变,喂料量增加时,熔体流动速率、熔体流动速率比、力学性能均呈下降趋势;聚乙烯护套料属于挤出类产品,为了确保挤出过程的稳定性,应该减少生产工艺的变更。不同分子链长度的黏弹性不一样,短链分子链集中在口模壁一侧,长链分子链集中在中间层。当其离开口模后,表层的短链分子链回弹大,中间层的长链分子回弹小,从而引起竹节缺陷。     

多物理场耦合叶片塑化单元聚合物混合性能研究

阐述了聚合物叶片注塑成型机的结构组成和工作原理,通过叶片塑化单元转子模型及本构方程的表征,分析了该单元聚合物熔体拉伸流动特性和混合性能。结果表明,叶片塑化单元的流场为拉伸与剪切复合流场,混合指数值高达0.945,叶片两边的强拉伸流场区域黏度值较低,具有较强的拉伸作用,可以提高聚合物的塑化混合性能和熔体流动性;叶片单元的混合指数多分布在0.5~0.6之间,而螺杆元件的混合指数多分布在0.4~0.5之间,螺杆元件在产生拉伸流场方面远低于叶片单元;动态时叶片塑化单元的拉伸速率比稳态时的大,随着振动强度的增加,该单元拉伸速率和平均拉伸混合效率提高,但是动态时的振动强度不宜过大。因此,采用叶片塑化单元及多物理场耦合开发的叶片注塑成型机优于传统注塑成型机。     

LDPE熔体在双螺杆挤出机中流动的有限元分析

利用大型有限元分析软件包ANSYS分析了低密度聚乙烯(LDPE)在双螺杆挤出机三头常规螺纹元件中的流动情况,讨论了整个流道的速度分布、压力分布、粘度分布及螺杆挤出特性曲线。计算结果表明：LDPE熔体在双螺杆挤出机中得到了充分的混合。     

双螺杆挤出中聚合物熔体混合状态的统计学分析

利用POLYFLOW对啮合同向和异向双螺杆挤出机中的三维等温流场进行了数值模拟，在获得大量粒子轨迹的基础上，运用统计学指标-分配尺度和分散指数对聚合物熔体在两种挤出机中的混合状态进行了定量描述。