啮合同向双螺杆3种构型的模拟分析和实验研究

通过数值模拟方法对3种含捏合盘元件螺杆构型的剪切速率、停留时间和回流量等指标进行了分析,通过实验对3种螺杆构型的混合性能进行了对比。结果表明,90°捏合盘元件与反向捏合盘元件组合可以达到较好的分布混合效果,45°捏合盘元件与反向捏合盘元件的组合可以达到较好的分散混合能力,捏合段加入反向螺纹元件并不能提高分布混合能力,但可以延长停留时间。     

同向双螺杆熔融段螺杆组合对共混物相态变化的影响

研究了双螺杆熔融段不同螺杆组合对模型聚合物共混体系HDPE/PS相态变化的影响。发现错列角为正向30°及正向60°的捏合块具有较好的输送能力,但不利于物料的熔融和混合;90°错列角捏合块对共混物具有很好的熔融和混合效果,其混合性能甚至优于反向30°捏合块,接近反向60°捏合块;及向螺纹元件对共混物相态变化影响显著。     

不同螺杆构型混合性能与接枝反应接枝率关系的研究

研究了不同螺杆构型的混合性能以及低密度聚乙烯熔融接枝马来酸酐的过程，探讨了不同螺杆构型的混合性能与接枝反应接枝率的关系。用酸碱滴定法对样品的接枝率进行了测定，并对物料在挤出机内的停留时间分布以及不同螺杆构型下两相聚合物的混合效果进行了研究。结果表明，螺杆元件的混合性能对接枝反应挤出过程有较大的影响，采用具有优异混合性能的捏合块元件时反应具有较高的接枝率，采用具有高拉伸性能的S形元件和具有高回混性能的非啮合多过程元件均能迅速提高接枝率。     

不同螺杆构型的聚合物塑化过程混合特性分析

螺杆混合性能是影响聚合物塑化质量和均匀性的重要因素之一。采用扭转元件、销钉元件、Maddock元件及常规螺纹元件,应用计算流体力学软件Polyflow对5种螺杆构型的混合特性进行了数值仿真分析,结合停留时间分布、剪切速率分布、拉伸速率分布、混合指数和非弹性应力张量的第一特征值等参数比较全面地对其混合能力进行了比较。结果表明,5种螺杆构型流道内物料均以剪切流动为主,Maddock元件的剪切作用最明显,具有分流功能的结构可以在一定程度上强化对物料的拉伸作用;2种扭转元件对于物料的混合效果相对较好,其次是销钉元件和Maddock元件,最差的是常规螺纹元件。     

螺杆组合对同向双螺杆挤出机能耗影响的研究

利用不同螺杆组合的双螺杆挤出机制备了超细碳酸钙填充聚丙烯试样,通过测量挤出机的功率来计算其能耗,并测试了试样的拉伸性能,研究了45°捏合盘厚度、塑化段捏合盘错列角、转子类螺纹元件位置及多组捏合盘连续排列形式对挤出机能耗和试样拉伸性能的影响。结果表明,45°捏合盘厚度为30 mm或45 mm、塑化段捏合盘错列角为30°或45°、转子类元件放在塑化混合段之后,均可在保持试样较高拉伸强度的条件下有效地降低挤出机能耗。多组捏合盘连续排列方式下的挤出机能耗并未大幅增加,可适用于需要高剪切物料的挤出生产。     

三螺杆挤出机啮合块混合特性的数值模拟

利用流场分析软件Polyflow对啮合块在不同参数下的等温稳态流场进行数值模拟。同时引入加权平均剪切应力,加权平均剪切、拉伸速率和回流系数等不同的评价指标以表征倒三角形三螺杆挤出机的混合性能。深入分析不同因素对啮合块混合特性的影响。结果表明:啮合块具有优异的分布和分散混合性能。啮合盘厚度增加导致流场中拉伸作用增强。增大错列角会使正向啮合块的剪切降低,拉伸增强,反向啮合块的趋势则与之相反;为啮合块的设计提供了依据。     

螺杆构型对PLA/PTW共混物性能影响的研究

选用剪切元件（KB元件）、拉伸元件（S元件）、常规螺纹元件（SE元件）和混合元件（SME元件）设计了4种啮合同向双螺杆挤出机混合段螺杆构型，模拟研究了螺杆构型对聚乳酸/乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物（PLA/PTW）共混体系混合效果的影响，分别通过出入口压差、加权平均剪切应力、累积最大剪切应力、回流系数和累积停留时间表征了螺杆构型的正向输送能力、分散混合能力和分布混合能力，并采用实验方法研究了复合材料的力学性能。结果表明，KB元件和SME元件分散布置时具有较强的分散混合和分布混合能力，PLA/PTW共混体系的混合效果更好，且能在PLA/PTW共混物拉伸强度基本不变的情况下进一步提高其冲击强度，同时，模拟结果和实验结果吻合，表明模拟可为混合段螺杆构型的优化提供指导。     

新型捏合盘元件不同螺杆构型混合性能的数值模拟

采用POLYFLOW模拟软件分析了啮合同向双螺杆挤出机中新型捏合盘元件下物料的流动模式。考察了新型捏合盘元件的斜棱旋向、捏合块组合的错列角对物料在流道中的剪切速率、出入口压差以及回流量的影响。数值模拟分析结果表明:4种新型捏合块构型的输送特性和混合性能均有所不同。在正向输送能力方面,右旋正向捏合块更佳,在分布、分散混合性能方面,左旋反向捏合块更佳,并且捏合块的正反向比单片捏合块的螺旋方向在输送能力、混合性能上影响更大。     

啮合同向双螺杆挤出机中组合螺杆性能的数值研究（Ⅰ）瞬态流场分析

采用聚合物流动分析软件POLYFLOW,数值模拟了聚合物熔体在组合式啮合同向双螺杆挤出机ZSK60的组合螺杆中的三维等温流动。在计算所得速度场和压力场的基础上,全面分析并讨论了由不同厚度和不同错列角的捏合块元件组成的组合螺杆的流场分布规律;研究了组合螺杆的输送性能和挤出稳定性;并分别采用平均剪切速率、平均特征剪切应力以及平均拉伸流动指数等瞬态混合指数表征了组合螺杆的瞬态混合特性。此外还考察了两种不同流变性质的聚合物熔体在组合螺杆中的瞬态流场分布规律。所得结论可为双螺杆挤出的数值模拟研究提供一定的方法指导,并为其工程实践提供一定的理论指导。     

同向双螺杆挤出机变头变径变深螺杆组合及其应用

主要讨论啮合型同向双螺杆挤出机螺杆组合中变头变径变深组合理论及其应用实例。首先讨论了啮合型同向双螺杆挤出机各种螺杆元件的基本特性－－挤出特性、混合特性和扭矩菌耗特性对螺槽深度和螺纹头数的依赖性。正向螺纹元件、反向螺纹元件、捏合块元件的上述特性定量或定性分析有助于螺杆组合的理论分析,结合挤出过程各阶段对螺杆组合基本要求提出了变头变径变深螺杆组合原则。最后讨论了该螺杆组合在聚合物加工中的应用实例。     

PE-HD/炭黑在捏合块元件内分散混合的数值模拟研究

使用Polyflow软件,计算了3种捏合块元件内高密度聚乙烯（PE-HD）熔体的三维拟稳态流场。引入炭黑在聚合物熔体中的分散数学模型,计算了不同捏合块中炭黑聚集体的粒径分布,比较了3种捏合块流道内炭黑在PE-HD中的分散混合效果。数值结果表明,捏合盘厚度大的捏合块,剪切拉伸作用较强,分散混合能力较强。     

螺杆结构对轮胎胶粉超声波脱硫工艺及性能的影响

采用负载超声波发生装置的同向旋转双螺杆挤出机对40目废旧轮胎胶粉（GTR）进行超声波脱硫,考察了两种不同结构螺杆对脱硫过程中的口型压力和功率消耗、脱硫GTR（DGTR）的外观形貌、流变性能、硫化特性及DGTR硫化胶力学性能的影响。结果表明,在13 μm超声波振幅和含较多捏合块部件螺杆的作用下得到的DGTR的凝胶含量、黏度及储能模量较低,说明含捏合元件的螺杆剪切作用更强,能使GTR获得更高程度的脱硫。该条件下所制得的DGTR硫化胶的拉伸强度和100%定伸应力较低,扯断伸长率较高。     

啮合同向双螺杆挤出过程组合流道(捏合块 螺纹元件)三维流场分析

利用ANSYS有限元分析软件对啮合同向双螺杆挤出机由捏合盘和螺纹元件组合而成的流道进行了三维等温非牛顿模拟分析 ,得到了组合流道的速度场和压力场。并对螺纹元件流道、捏合块流道及组合流道的流量、回流量、拉伸速率、剪切速率及剪切应力进行了比较。     

3‐D non‐isothermal flow field analysis and mixing performance evaluation of kneading blocks in a co‐rotating twin srew extruder

We have developed a three‐dimensional non‐Newtonian and non‐isothermal flow analysis of the twin screw extruder (TSE) using the finite element method. This code can simulate the fully filled parts of several kinds of screw elements, such as full flight screws, kneading blocks, rotors and their combinations. A marker particle tracking analysis has also been developed to evaluate the mixing performance of the screw elements. In this paper, simulations for the kneading blocks in a co‐rotating TSE were carried out. The screw configurations are combinations of 2‐lobe kneading blocks with several stagger angles and disk widths. The effects of screw configurations on pressure and temperature distributions are examined. We also evaluate the dispersive and distributive mixing via stress magnitude and area stretch obtained by marker particle tracking analysis. Additionally, we discuss the desirable stagger, disk width and their combinations that promote the mixing performance.     

Melting model for modular self wiping co-rotating twin screw extruders

A model for the melting process in a self wiping co-rotating twin screw extruder is described. Self-wiping co-rotating twin screw extruders are modular and starve fed. This leads to melting mechanisms that are different from single screw extruders. The melting process in the modular screw configurations generally occurs in specialized sections such as kneading disk blocks. The model, based on our previous experimental observations, considers the formation of two stratified layers of melt in contact with the hot barrel and solid pellets in contact with the relatively colder screw. In the kneading disk blocks, a part of the solid bed is blocked because of the relative stagger between successive disks. The model predicts both the location of melting and melting lengths in a screw configuration. Calculations for individual screw elements and kneading disc elements are presented first. Melting in a modular configuration of these elements is then considered. The effect of operating variables such as mass flow rate and screw speed on melting is then studied. The model is put in a dimensionless form and the effect of various dimensionless groups is discussed. We make a comparison to the experiment and agreement is good.     

双螺杆捏合机理及其捏合段设计

定性分析了捏合段的混合及输送机理，讨论了捏合块错列角、螺棱间隙、捏合块头数、螺杆转速等因素对混合质量及输送能力的影响，并由此提出了一些捏合段设计时应注意的问题。     

Effects of screw configurations on the grafting of maleic anhydride grafted low-density polyethylene in reactive extrusion

The effects of screw configurations, that is, the staggering angles and disc widths of the kneading blocks, on grafting reactive extrusion for maleic anhydride grafted low-density polyethylene were investigated in a corotating twin-screw extruder. Samples were collected from three positions along the screw and the die exit. The grafting degree (GD) of the specimens was evaluated by titration. It was found that the kneading block configurations had a significant influence on the grafting reactive extrusion. In addition, another three groups of extrusion experiments were performed to explore the intrinsic relationship between the GD, the degree of fill in the screw channel, the residence time distribution (RTD), and the mixing intensity in various screw configurations. The experimental results indicated that the location of the melting endpoint significantly affected the position at which the reaction began; the degree of fill, RTD, and mixing performance of the screw played important roles in the grafting reaction. The reverse kneading blocks with a narrow disc width, which had a high degree of fill and good mixing capacity, enhanced the increase in GD along the screw during the reactive extrusion. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2008     

啮合同向双螺杆挤出过程聚合物粒料熔融机理研究(三)——反向捏合块组合中熔融机理研究

以装有玻璃视窗的可视化双螺杆挤出机为手段，在不同操作条件下对高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）粒料在不同错列角、不同轴向长度的反向捏合块的熔融过程进行了实验研究。以实验为基础，讨论了加料量、螺杆转速以及反向捏合块厚度与错列角对聚合物颗粒熔融过程的影响。研究表明，反向捏合块的阻力大小对聚合物的熔融过程十分重要，捏合块中物料的充满度与物料的停留时间是聚合物颗粒熔融的决定因素。     

同向双螺杆挤出机的停留时间分布及填充度

引 言 双螺杆挤出机在高分子材料加工中已被广泛地应用于聚合物共混改性、反应挤出及高分子可控降解等各个方面[1].但先前对挤出过程研究较少,一般仅停留在"黑箱"型经验操作的层面,主要以定性的机械设计为主.