四螺杆挤出机中聚合物流动特性的计算机模拟

利用计算流体力学法(CFD),对聚合物熔体在四螺杆挤出机螺纹元件中的流动规律进行了数值模拟.利用计算所得的速度场和压力场,计算了四螺杆挤出特性,并和双螺杆、一字型排列和三角形排列的三螺杆挤出机进行了对比分析.结果表明,四螺杆的四个啮合区具有较大的压力和速度梯度,在中心区有明显的环流现象,延长了物料的停留时间分布,且中心区物料没有滞留现象.由于中心区的存在导致了四螺杆挤出机的建压能力较弱;但四螺杆挤出机在产量、分布性混合和分散性混合等方面好于双螺杆和三螺杆挤出机.     

基于FLUENT软件对三螺杆挤出机 混合特性的模拟与分析

基于FLUENT软件,对聚合物熔体在三螺杆挤出机(TTSE)中的流动规律进行了三维模拟,利用示踪粒子技术分析了聚合物熔体在螺杆内的流动与混合规律,求解得出了聚合物熔体在三螺杆挤出机中的剪切速率分布云图、混合指数云图以及聚合物在流道内的停留时间分布(RTD),并与双螺杆挤出机(TSE)的混合性能进行了对比分析。模拟结果表明,三螺杆挤出机的分散混合能力与分布混合能力都强于双螺杆挤出机,同时,由于中心环流区的存在使得物料在三螺杆挤出机的停留时间更长。因此,三螺杆挤出机在今后的实际生产应用中会有较好的前景。     

啮合同向三螺杆挤出机中心区的复杂混合特性

建立了三角形排列三螺杆挤出机轴截面有限元模型,重点研究了三螺杆挤出机中心区的流动和混合规律。计算了中心区的混合指数、剪切速率和速度,并采用粒子束分布指数研究了中心区分布性混合性能。在此基础上,从微观角度分析了单个粒子在中心区运动过程中瞬时的剪切速率、拉伸率和对数拉伸率等评价参数。结果表明,在三螺杆挤出机轴截面内,中心区物料的流动性较差,但任意时刻都不存在流动"死点"。中心区内运动的微观流体粒子处于不断重复的压缩和拉伸状态,中心区具有较好的混合能力。     

三螺杆挤出机聚合物温度和功耗特性的数值模拟

利用有限元法,采用三维非等温、非牛顿流体模型,对三角形排列三螺杆挤出机内聚合物的温度分布进行了数值模拟。在此基础上,考虑了粘性耗散生热的影响,计算了三角形排列三螺杆挤出机功耗特性,研究了螺杆转速、螺纹头数、压力差和挤出量等参数对三螺杆挤出机挤出功耗和功耗比的影响,并和一字型排列三螺杆挤出机和双螺杆挤出机进行了比较。结果表明,在相同的操作条件下,三角形排列三螺杆挤出机的混合性能和功耗比均好于一字型排列三螺杆挤出机和双螺杆挤出机。     

差速双螺杆非充满输送粘弹流体的可视化EI北大核心CSCD

给出了一种新型同向非对称双螺杆结构,2根螺杆的转速比为2∶1。为探索其物料流动以及混合特性,研制了全程可视化新型实验样机。采用一种常温粘弹性流体羧甲基纤维素钠着色后,观察流体在可视化设备中流动以及混合过程。采用4台摄像机采集挤出过程图片,提取图像关键尺寸后计算得到填充度,建立法向分布尺寸和填充度的关系模型。采用电导率法测定物料在各工况下的停留时间,考察了螺杆转速对物料轴向混合的影响。首次捕捉到新型双螺杆在非充满情况下的流动图像,发现上下啮合区及远离啮合区的非对称现象存在及单头螺槽内料陇的拉伸作用。     

差速双螺杆非充满输送粘弹流体的可视化

给出了一种新型同向非对称双螺杆结构,2根螺杆的转速比为2∶1。为探索其物料流动以及混合特性,研制了全程可视化新型实验样机。采用一种常温粘弹性流体羧甲基纤维素钠着色后,观察流体在可视化设备中流动以及混合过程。采用4台摄像机采集挤出过程图片,提取图像关键尺寸后计算得到填充度,建立法向分布尺寸和填充度的关系模型。采用电导率法测定物料在各工况下的停留时间,考察了螺杆转速对物料轴向混合的影响。首次捕捉到新型双螺杆在非充满情况下的流动图像,发现上下啮合区及远离啮合区的非对称现象存在及单头螺槽内料陇的拉伸作用。     

微型锥形双螺杆挤出机混合性能的数值模拟

微型锥形双螺杆挤出机(MCTSE)越来越多地应用于新型聚合物纳米复合材料的制备,但对其共混过程的理论研究相对较少。文中首先数值模拟MCTSE挤出聚丙烯(PP)熔体的过程,考察了加工参数和螺杆构型对MCTSE输送能力和沿着轴向平均压力分布的影响。研究表明,螺杆转速和螺距的增加均有利于提高熔体输送能力,沿着螺杆挤出方向,平均压力是先增加后减小。由求解得到速度场的时间积分获得粒子从入口到出口的运动轨迹,统计结果表明,MCTSE的螺杆结构有利于改变剪切或拉伸流动形态,螺杆转速更有利于调控停留时间分布(RTD)。文中采用的数值模拟方法可以点对点分析MCTSE内高聚物熔体沿着轴向流动的分散、分布和轴向混合特征。     

啮合异向双螺杆挤出机仿真研究

采用 Solidworks 三维建模软件建立了啮合异向双螺杆螺纹元件与啮 合同向双螺杆螺纹元件的物理模型。运用 Polyflow 软件对聚乳酸流体进行三 维流体仿真,从聚乳酸流体的剪切速率、黏度、压力和速度等 4 个方面,对 比研究啮合异向双螺杆挤出机螺纹元件与啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件对 聚乳酸流体的加工效果。研究结果表明,聚乳酸流体在啮合同向双螺杆挤出 机螺纹元件中,受到的剪切速率大、轴向运动速度慢而获得了较好的混合效 果;聚乳酸流体在啮合异向双螺杆挤出机螺纹元件中,轴向流动速度较快, 挤出效果好。     

双螺杆强制润滑挤出UHMWPE板材的研究

通过引入强制润滑成型原理．研制了UHMWPE强制润滑挤出成型装置，采用同向旋转双螺杆挤出机实施了对UHMWPE板材的连续挤出成型实验研究，对螺杆组合方式进行了优化对比，确定了合理的螺杆组合构型，并对挤出实验中出现的异常现象进行了剖析。研究工作表明，采用对机头流道的强制润滑、合理的螺杆组合、正确的工艺条件和机头流动压力的调整，可以成功实现对UHMWPE体系的连续高效挤出成型。     

PVC管材挤出机用双排气式机筒和螺杆的设计研究

38D系列的平行双螺杆挤出机是专门为PVC管材挤出而设计的。该系列在投入使用后发现一个常见的问题,当即将用于挤出的物料没有烘干处理或者物料没有得到均匀搅拌时,挤出的制品表面有气泡、表面不光滑。因为机筒只有一个真空排气口,当真空泵功率增加到4.0kW后也不能100%解决这个问题。于是笔者分析了多个客户的物料配方后,决定对38D系列的机筒和螺杆进行新的设计,机筒增加到2个排气口,螺杆设计成10个区段。一经推出,解决了很多问题,赢得了市场的青睐。该文针对该公司设计开发的双排气式机筒螺杆结构进行介绍,分析其性能优势与市场前景。     

Effect of screw rotating speed on polymer melt temperature profiles in twin screw extruder

The effect of screw rotating speed on two-dimensional temperature profiles of flowing polypropylene melt was investigated in the barrel of a counter-rotating twin screw extruder using a designed experimental apparatus and a thermocouple temperature sensing device, the experimental apparatus being connected to a high speed data logger and a computer. The flow patterns of the polymer melt in the barrel of the extruder were also revealed. The changes in melt temperature profiles with extruding time were discussed in terms of flow patterns of the polymer melt during the flow, the increase in melt temperature being closely associated with total flow length of the melt, and shear heating and heat conduction effects.     

轮胎胶应力诱导脱硫及热塑性弹性体的制备

采用提高双螺杆挤出机螺杆转速的高剪切应力诱导方法,研究了螺杆转速、挤出反应温度及螺杆长径比对脱硫轮胎胶共混物凝胶含量、熔体流动速率和溶胶红外吸收光谱的影响。研究了脱硫工艺条件对脱硫轮胎胶/HDPE/EPDM热塑性弹性体力学性能的影响。实验结果表明,挤出机的高剪切应力作用,可诱发轮胎胶粒中交联网络的断链和氧化降解作用,引起脱硫共混物凝胶含量的下降、熔体流动速率的增加和脱硫共混物溶胶分子链中醚键、酯键、过氧酸和磺酸酯基团的明显增加。挤出机螺杆转速越快、挤出反应温度越高或螺杆长径比越大,其所得热塑性弹性体中未脱硫凝胶颗粒尺寸就越小。     

挤出共混中的高剪切应力对HDPE/滑石粉共混材料力学性能的影响

采用在材料熔融挤出共混过程中提高双螺杆挤出机螺杆转速的方法,研究了较高螺杆转速条件下双螺杆挤出机的高剪切应力对HDPE和HDPE/滑石粉材料的熔体流动速率、界面结合状况及力学性能的影响。结果表明:双螺杆挤出机的高剪切应力可促进超细滑石粉颗粒聚集体的分散、引发HDPE分子链的断链反应、引起共混材料界面结合力的加强和拉伸强度及弯曲模量的明显增大;一定量的极性烯类单体的加入有利于所形成的HDPE大分子自由基与极性烯类单体的接枝(嵌段)反应和原位增粘作用,能明显改善HDPE/滑石粉共混材料的力学性能。     

Melt temperature variations in the barrels of an injection moulder and a twin screw extruder

This article investigated temperature variations of a polypropylene melt in the barrels of an injection moulding and a twin screw extruder under an isothermal state. The melt temperature profiles in the barrel of an injection moulding machine were observed to be different from those a twin screw extruder, this being associated with differences in the flows occurring in the barrels of each processing equipment. The major parameters influencing the melt temperature profiles were shear heating and heating conduction effects, residence time, flow length and the flow patterns of the flowing PP melt in the barrel. Received: 4 January 2000 / Reviewed and accepted: 15 February 2000     

双螺杆反应挤出模型的研究

详细研究了双螺杆中反应挤出聚合物的动力学模型、流动模型和传热模型。通过实验得到了双螺杆反应器中聚合物的停留时间分布及平均停留时间。     

In-process rheometry as a PAT tool for hot melt extrusion

Real time measurement of melt rheology has been investigated as a Process Analytical Technology (PAT) to monitor hot melt extrusion of an Active Pharmaceutical Ingredient (API) in a polymer matrix. A developmental API was melt mixed with a commercial copolymer using a heated twin screw extruder at different API loadings and set temperatures. The extruder was equipped with an instrumented rheological slit die which incorporated three pressure transducers flush mounted to the die surface. Pressure drop measurements within the die at a range of extrusion throughputs were used to calculate rheological parameters, such as shear viscosity and exit pressure, related to shear and elastic melt flow properties, respectively. Results showed that the melt exhibited shear thinning behavior whereby viscosity decreased with increasing flow rate. Increase in drug loading and set extrusion temperature resulted in a reduction in melt viscosity. Shear viscosity and exit pressure measurements were found to be sensitive to API loading. These findings suggest that this technique could be used as a simple tool to measure material attributes in-line, to build better overall process understanding for hot melt extrusion.     

轮胎胶应力诱导脱硫及对聚丙烯的增韧作用

在轮胎胶粉的熔融挤出过程中添加线型高分子材料作为溶胀剂和承载流体,并通过提高双螺杆挤出机转速的高剪切应力诱导方法,研究了螺杆转速和挤出反应温度对轮胎胶脱硫共混物凝胶含量、熔体流动速率、溶胶特性黏数及红外光谱(FT-IR)的影响。结果表明,双螺杆挤出机的高剪切应力可诱发轮胎胶颗粒中交联网络的断链反应和氧化降解作用,引起脱硫共混物凝胶含量的明显下降、熔体流动速率的明显增加、溶胶特性黏数的明显减小及溶胶分子链中碳碳双键和醚键基团明显增加。在最佳脱硫反应条件下,所得脱硫共混物可使聚丙烯(PP)(J430)材料的缺口冲击强度由10.5kJ/m2提高至47.7kJ/m2。     

高剪切应力对PS/SEBS/CaCO3材料力学性能影响

采用在材料熔融挤出共混过程中提高双螺杆挤出机螺杆转速的方法,研究了较高螺杆转速条件下双螺杆挤出机的高剪切应力对PS/SEBS/CaCO3共混材料力学性能的影响。结果表明,双螺杆挤出机的高剪切应力可促进SEBS橡胶颗粒和碳酸钙颗粒聚集体的分散、引发聚苯乙烯(PS)、SEBS分子链的断链反应、形成大分子自由基、产生原位增容作用,并引起共混材料力学性能的明显改善。在220℃的挤出温度下,当螺杆转速由120 r/min提高至960 r/min时,其PS/SEBS/CaCO3共混材料的缺口冲击强度将由5.7 kJ/m2提高至11.0 kJ/m2,同时共混材料的拉伸强度和弯曲强度也获得一定的增加。双螺杆挤出机的熔融挤出温度对PS/SEBS/CaCO3共混材料力学性能的影响存在最佳值。