双螺杆中啮合块、螺杆元件混合过程及混合性能的研究

以双螺杆挤出机中的啮合块、螺杆元件作为研究对象,对其混合过程及混合性能进行研究,分析物料与添加剂的相互运动及变化过程。利用网格重叠技术和Ployflow软件对啮合块、螺杆元件的混合性能进行仿真,研究螺杆元件及不同转速下啮合块对应流体区域内的最大剪切应力,粒子在流体区域内的停留时间分布、分布指数、分离尺度等。结果表明:在啮合块流道内的混合过程中,啮合区域的两种粒子进行分布混合,其他区域的粒子在轴向运动到第2片啮合块时开始被带入啮合区,与另一种粒子进行分布混合;在相同转速下,啮合块的混合性能优于螺杆元件,随着转速的提高,啮合块的分散混合性能逐渐增强。     

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。     

螺杆混合能力对聚酰胺6黏结锶铁氧体磁体性能的影响

使用双螺杆挤出机将聚酰胺6(PA6)基体和各向异性锶铁氧体(SrFeO)熔融混合并造粒,通过改变螺杆中混合元件的种类和数量研究了螺杆混合能力对塑料黏结磁体加工性能和使用性能的影响。由于SrFeO磁粉粒子间存在较强的相互作用,当螺杆混合能力较低时混合元件产生的剪切力不足破坏SrFeO粒子间的团聚作用,在PA6黏结SrFeO中仍存在磁粉粒子的团聚体,导致PA6/SrFeO熔体的黏度增高,力学性能和磁性能下降。提高螺杆的混合能力有利于磁粉粒子的分散从而降低熔体黏度并改善机械性能和磁性能。但螺杆混合能力提高会对磁粉的结构造成影响并明显提高混合时的能量消耗。     

新型螺杆元件对LDPE-g-MAH反应挤出的影响

改变同向双螺杆挤出机主反应区的螺杆元件,研究该螺杆元件对低密度聚乙烯(LDPE)熔融接枝马来酸酐(MAH)的接枝产物和接枝率的影响。傅里叶变换红外光谱分析证实,部分MAH成功接枝到LDPE分子链上。对挤出沿程4个在线取样位置的试样做了对比分析,结果表明具有高剪切性能的捏合盘元件的沿程试样接枝率最大,熔体流动速率最小;具有高分布混合性能的齿形盘元件的沿程试样接枝率较大,熔体流动速率较小;具有回混作用的非啮合多过程元件能够迅速提高该元件所在区域的接枝率。     

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。     

异向双螺杆S型元件混炼效果的数值研究

使用Polyfl ow软件,数值模拟了高密度聚乙烯(PE-HD)/炭黑熔体在异向双螺杆挤出机流道内的流动,数值计算了不同S型元件流道内熔体的三维等温流场,采用粒子示踪分析法(PTA)分析了不同S型元件流道内粒子的拉伸效果、分离尺度和停留时间,考察了啮合方式和两螺杆装配方式对S型元件混炼效果的影响。研究结果表明,啮合方式主要影响螺杆的输送能力、剪切能力和分布混合能力,非啮合元件的输送能力约为部分啮合元件的1.14倍,停留时间约为部分啮合元件的2.5倍,但是其剪切能力仅为部分啮合元件0.86倍;而螺杆的装配方式则影响其输送能力、拉伸能力和分布混合能力,并列式装配元件的输送能力约为错列式装配元件的1.11倍,停留时间约为错列式装配元件的1.2倍,但是其拉伸能力不如错列式装配的元件。三种元件中,部分啮合元件的分散混合性能最佳。     

固体推进剂同向双螺杆元件混合性能模拟

首先设计了4种固体推进剂用螺杆元件,并进行了固体推进剂药浆的流变性能测试,通过使用Polyflow软件对4种螺杆元件的流场进行数值模拟。对各螺杆元件流场的剪切速率、加权平均剪切应力、平均回流系数、累积停留时间分布等表征螺杆元件混合性能以及流场特性的指标进行分析,对比4种螺杆元件的分散和分布混合性能,并建立了螺杆元件混合性能的评价体系。结果表明,KB元件和S型元件对药浆有较好的综合混合性能,有利于固体推进剂的混合。     

螺杆构型对PA6/PE-LD共混体系性能的影响

在啮合同向双螺杆挤出机中,研究了熔体输送段分布混合元件和分散混合元件先后布置、交错/集中布置以及不同元件相同布置方式对聚酰胺6/低密度聚乙烯（PA6/PE-LD）共混体系性能的影响。结果表明,混合元件交错布置的螺杆构型混合能力优于混合元件集中布置的螺杆构型的混合能力;交错布置的螺杆构型获得的共混体系力学性能也优于混合元件集中布置的螺杆构型获得的共混体系的力学性能。     

三螺杆挤出中螺杆组合对聚丙烯/硅灰石性能的影响

优化设计了一种制备硅灰石/聚丙烯复合材料的螺杆组合,并与其他两种不同特性的螺杆组合进行对比实验;分析研究了三螺杆挤出中不同的螺杆组合对三种不同的硅灰石/聚丙烯复合材料力学性能的影响规律.结果表明:三螺杆挤出中,齿形盘有利于分布混合,硅灰石在聚丙烯基体中的分散均匀、相溶性较好、沿料流方向高度取向.     

螺杆组合对玻纤增强聚酰胺66纤维长度及力学性能的影响

研究了在同向双螺杆挤出机不同混合段螺杆组合下制备玻璃纤维(GF)增强聚酰胺66(PA66)复合材料时的纤维破坏情况,并通过沿螺杆轴向取样分析纤维长度沿挤出方向的变化规律,研究了不同螺杆组合对制品力学性能的影响,设计出适合于PA66/马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物(POE-g-MAH)/GF体系的螺杆组合。结果表明,合理设计纤维加入后的螺杆组合可以有效提高剩余纤维长度及制品的力学性能,同捏合块相比,使用反向齿形盘能够在提供较强混合能力的同时保证较低的剪切强度,从而有利于保持纤维长度,并有助于纤维的分散及物料的混合;将混合元件分开布置,并用输送元件将其分隔开,有助于提高输送能力,保持纤维长度。     

新型偏心啮合盘元件的混沌混合特性

在双螺杆挤出机中引入偏心圆啮合盘元件,分析了新型啮合盘元件偏心圆啮合盘元件的压力场、速度矢量场、剪切速率场和混合指数场。同时比较了其在不同错列角和偏心距下的对数拉伸率、最大剪切速率、停留时间分布、分布指数和分离尺度。结果表明,偏心圆啮合盘元件轴向和周向压力梯度较大,两转子棱峰之间区域流动性较好。偏心圆啮合盘元件的轴向间隙和螺棱顶隙为其提供了良好的剪切能力。偏心搅拌提供了较强的拉伸作用,增强了其拉伸折叠效果,从而使其具有较好的混沌混合能力。对比不同的几何参数发现错列角为60°和偏心距为5 mm的啮合盘元件拥有较好的分散混合性能和分布混合性能。通过粒子可视化及其混合特性曲线分析,为深入了解偏心搅拌提供了理论依据。     

同向双螺杆挤出机中齿形元件的流动和混合模拟

应用POLYFLOW软件,采用三维非等温、Cross模型,对高聚物熔体在双螺杆挤出机齿形元件和断裂螺纹元件中的流动和混合过程进行了数值模拟,并用示踪粒子法研究了不同颜色粒子的流迹和停留时间、剪切速率、剪切应力、拉伸速率的分布。在此基础上,对两种元件的分布性混合和分散性混合性能进行的量化分析对比发现,与断裂螺纹元件相比,齿形元件有着弱的输送能力和建压能力,强的轴向温升能力,强的分布性混合能力和分散性混合能力。     

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。     

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。     

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。     

啮合同向双螺杆挤出机中新型螺杆元件S型元件与捏合块元件的性能对比研究

应用FEM模拟计算了啮合员向双螺杆挤出机正反向螺纹组合的新型螺杆元件S型元件与捏合块元件的流场，考查了两种元件流场的特性，对比了两种元件流场的挤出特性、分散和分布混合能力。得出在相同有操作条件下，相同外径的S型元件和捏合盘元件相比具有相当的分散混合能力、更加优异的分布混合能力和更加优异的生产能力的结论。     

双螺杆挤出共混物分散相粒子的分散和分布（Ⅱ）：捏合盘错列角的影响

采用同向啮合双螺杆挤出机的不同螺杆组合形式,研究了捏合错列角对双螺杆挤出聚合物共混物表层和内层分散相粒子粒径及其分布的影响。发现螺杆后段采用不同错列角的捏合盘,对于分散相粒子尺寸和分布状态都有明显影响。在塑化区多段式组合的后段采用剪切强、停留时间长的捏合盘(K45°、K60°),可有效地减小分散相粒子尺寸但分布状态不理想;使用 K30°的捏合盘时,分散相粒子分布状态最佳;整体两段式螺杆的前段混合段中设置 K45°捏合盘,有利于分散相含量较少情况下粒子的尺寸及分布的均匀性的提高。     

非对称差速三螺杆挤出机混合机理分析

设计了非对称差速三螺杆挤出机端面造型，并且，对比其与常规三螺杆、非对称双螺杆挤出机内流体混合行为。对流场中速度矢量场和压力场进行分析，同时，比较分布混合性能中停留时间、分离尺度和混合效率，分散混合性能中最大剪切应力、对数拉伸率和混合指数。结果表明，与常规三螺杆相比，非对称差速三螺杆能有效地避免常规三螺杆中心区回流较大的问题，正向输送能力更强，并且，啮合区两侧压差更大，有利于物料压延。流域内粒子停留时间分布区间集中，分离尺度显著降低，有利于物料分布混合。同时，能提供较强的拉伸作用，使流域内粒子受到更好的拉伸和折叠，从而使其具有较好的混沌混合能力，有利于物料分散混合。     

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。     

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。