高分散混合元件设计及混合性能的研究

黄凤春，马秀清，周炳斌，梁文虎

（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

高分散混合元件设计及混合性能的研究

黄凤春，马秀清＊，周炳斌，梁文虎

（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

根据啮合同向双螺杆挤出机的啮合原理，设计了一种高分散混合双螺杆元件。运用Polyflow有限元分析软件对该双螺杆元件的3种螺杆构型的流场进行了模拟分析，并且对这3种螺杆构型进行了实验研究。结果表明，错列角为150°的元件的分散混合性能最好，其次是错列角为30°的元件，错列角为90°的元件的分散混合性能最差。

啮合同向双螺杆挤出机；分散混合；双螺杆元件

0 前言

在聚合物加工过程中，物料之间存在2种主要的混合形式，即分布混合和分散混合［1］。在分布混合中，物料各粒子之间只有相互位置的变化，其粒径的大小不变，而分散混合则需要很高的应力水平，粒径大小和粒子的位置都会发生改变。对于分散混合来说，当熔融物料流经混合元件时，元件要对流体施加足够高的剪切应力，所以此区域内要设计出几何上是窄间隙的高应力区，且要使熔融物料重复地经过高应力区，为了避免过多的能量损耗和聚合物熔体温度的上升，熔融物料受到高剪切应力的作用时间应该很短［2－3］。同时，由于拉伸流动对分散混合非常有利，也需要重点考虑物料所受的拉伸作用。根据上述理论，笔者设计了一种高分散混合元件，即类捏合盘元件，运用Polyflow软件对类捏合盘元件3种不同螺杆构型的流场进行了模拟分析，并对这3种螺杆构型的分散混合效果进行了实验研究。

1 类捏合盘元件的设计思路与几何造型

类捏合盘元件的设计思路为：（1）根据图1所示的Rauwendaal［4－6］在单螺杆挤出机中应用的螺杆元件的三维结构以及图2所示捏合块的啮合原理来设计该元件的几何结构；（2）与捏合盘元件不同的是，所设计的类捏合盘元件截面一侧与机筒之间的间隙较大，如图3所示，这样一来，螺杆元件截面在间隙变大处形成了较大的楔形区，对熔融物料产生了一定的拉伸作用，有利于分散混合；（3）根据啮合同向双螺杆挤出机运动学的不干涉条件，而且不应产生物料聚集的现象，确定了元件的截面形状由光滑过渡的弧线组成，同时与捏合盘相似，类捏合盘元件的错列角也可以变化，由此来分析该元件不同错列角度螺杆构型的分散混合性能。图4为类捏合盘元件的三维结构。

图1 单螺杆元件的三维结构Fig.13Dmodel for single－screw element

图2 捏合块的三维结构Fig.23Dmodel for kneading block

图3 螺杆元件的截面Fig.3 Cross section for twin－screw element

为了说明类捏合盘元件相对运动的具体情况以及证明运动过程中不会发生干涉，根据2根螺杆在双螺杆挤出机中的运动关系，建立了2根螺杆元件截面的相对运动关系图，如图5所示。假设左螺杆（中心点为O1）静止，则右螺杆（中心点为O2）相对左螺杆以一定的角速度绕左螺杆的中心点作圆平动。从图5可以看出，2根螺杆在相对运动过程中没有发生任何干涉。

2 数值模拟

2.1 数学模型

为拟定流场，适当地简化计算，考虑到熔体输送的具体条件和聚合物的特性，作出如下假设：（1）熔体为不可压缩的流体；（2）流场为稳定、等温流场；（3）雷诺数较小，流动为层流流动；（4）惯性力、重力等要远小于黏滞力，可忽略不计；（5）流道壁面无滑移；（6）熔体在流道中全充满。

基于以上假设，在直角坐标系下，连续性方程简化如式（1）所示，动量方程如式（2）所示。模拟计算过程中所用的物料为聚丙烯（PP），采用Cross模型，其本构方程如式（3）所示。

式中 η0——零切黏度，Pa·s

λ——时间常数，s

m——Cross模型指数

模拟采用的PP物性参数为：

η0＝9560Pa·s，λ＝0.3664s，m＝0.7372。

2.2 物理模型

本文选用错列角分别为30°、90°和150°的螺杆构型元件进行模拟分析以及实验研究，该元件的外径为33.4mm，中心距为30mm，机筒内径为34mm，3种不同错列角度类捏合盘元件流道的几何模型如图6所示。

图6 流道的几何模型Fig.6 Geometry models for flow channels

2.3 边界条件

在模拟过程中采用出口压力和入口流量来定义出入口边界。出口压力为5MPa，入口端面的体积流量为2×10－6m3/s。螺杆外表面上为周向转动速度边界，左右两螺杆转速为30r/min。根据壁面无滑移的假设，机筒是静止不动的，因此机筒内表面速度为0。

3 实验部分

3.1 主要原料

PP，1008，北京燕山石油化工股份有限公司；

聚苯乙烯（PS），158K，扬子巴斯夫苯乙烯系列有限公司。

3.2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机，LSM30/34，德国Leistritz公司；

扫描电子显微镜（SEM），Hitachi S－4700，日本Hitachi公司。

3.3 机筒组合及螺杆构型

机筒组合及螺杆构型如图7所示，SE20/60/2表示导程为20mm，长度60mm的双头常规螺纹元件，其余类推。实验采用的螺杆构型是将所设计的3种不同错列角度的类捏合盘元件在混合区进行相互置换。机筒温度T1、T2、T3及机头温度T4均为230℃。

图7 螺杆构型与机筒Fig.7 Configuration of screw and barrel

3.4 试样制备

实验前将PP、PS按比例8/2预混均匀，主机转速为30r/min，加料量为6.7kg/h，对类捏合盘元件的3种螺杆构型分别进行实验，然后各自在机头处取样。

3.5 粒径分析与表征

通过SEM照片，测出分散相粒径的大小，最后统计出(PP/PS中少组分PS的数均粒径（n）、重均粒径(w）、体均粒径（v），如式（4）～（6）所示。

式中 Di——粒径，μm

Ni——粒径为Di的粒子个数

4 结果与讨论

4.1 出入口压差

从图8可以看出，随着错列角度的增大，流道的出入口压差依次减小，错列角为30°元件的流道出口压力大于入口压力，错列角为90°和错列角为150°元件的出口压力小于入口压力。这是由于错列角为30°的元件为正向输送元件，对物料具有一定的输送能力；错列角为90°的元件为中性元件，不具有输送能力，物料在此段的输送动力完全由上游流场建立的压力提供；错列角为150°的元件为反向元件，需要螺杆元件上游的流场建立很高的压力才能使物料向前输送，所以元件流场的出口压力比入口压力小得多。

图8 出入口压差Fig.8 The differential pressure between exit and entrance

4.2 加权平均剪切应力

从图9可以看出，错列角为150°元件的加权平均剪切应力最大，错列角为30°元件的加权平均剪切应力略大于错列角为90°的元件。由于错列角为150°的元件为反向元件，物料在流经该元件的时候，元件的反向输送能力使物料之间沿着挤出方向产生了很大的相对速度，这样物料所受的剪切速率就会增大，剪切应力也随之增大。对于错列角为90°的元件来说，由于其不具有输送能力，熔融物料在此处完全靠元件上游建立的压力向前输送，同时类捏合盘元件是由多个部件组合而成的结构，加之该元件与机筒的间隙较大，压力作用会使熔融物料可能在部分部件与机筒的较大间隙处不经过剪切而直接流走，而错列角为30°的元件为正向输送元件，物料在流道中的输送动力由元件提供，所以，组成整个螺杆元件的每个部件对熔融物料都会施加剪切作用，这将会使错列角为30°的元件的剪切效果要优于错列角为90°的元件。

图9 加权平均剪切应力Fig.9 The weighted average shear stress

4.3 累积最大拉伸速率分布

从图10可以看出，取拐点值（约71s－1）作为基准来衡量3种错列角度类捏合盘元件的拉伸作用，错列角为30°的元件大约85%的粒子所承受的最大拉伸速率小于71s－1，所以有15%的粒子所承受的最大拉伸速率大于71s－1；以此类推，错列角为90°的元件有8%的粒子所承受的最大拉伸速率大于71s－1；错列角为150°的元件有27%的粒子所承受的最大拉伸速率大于71s－1。按照累计最大拉伸速率分布来判断，错列角为150°的元件的拉伸效果最好，错列角为30°的元件次之，错列角为90°的元件的拉伸效果最差。这是由于错列角为150°的元件为反向元件，需要元件上游建立更高的压力才能使物料向前输送，其反向输送能力使流道中的物料之间的相对速度较大，物料在流道中产生了很高的纵向速度梯度，错列角为30°的元件为正向输送元件，物料的输送动力靠元件提供，故流道对物料也产生了较高的纵向速度梯度，但相对于错列角为150°的元件来说，速度梯度较低；错列角为90°的元件为中性元件，凭借元件上游建立的压力输送物料，相对于前2种螺杆构型来说，物料受到螺杆元件的作用不是很明显，所以流道对物料产生纵向速度梯度较小。

图10 累积最大拉伸速率分布Fig.10 The distribution of cumulated maximal stretching rates

4.4 实验结果

从图11和表1可以看出，错列角为90°元件的分散相粒径最大，其次是错列角为30°的元件，错列角为150°元件的分散相粒径最小。从图12可以看出，按照粒径分布曲线的波峰位置来看，错列角为30°的元件介于错列角为150°元件与错列角为90°元件之间，说明粒径分布曲线与表1所得的平均粒径数值相吻合。同时，错列角为150°元件的粒径分布较窄，而错列角为30°和错列角为90°元件的粒径分布较宽，说明错列角为150°元件的剪切比错列角为30°和90°的元件更加均匀。对比错列角为150°的元件，错列角为30°和90°元件的粒径分布曲线具有较长的右侧拖尾，说明这2种元件存在更多分散较差的大粒子，这会对力学性能产生不利的影响。

表1 试样的粒径Tab.1 Particle sizes for the samples

图11 试样的SEM照片Fig.11 SEM micrographs for the samples

图12 分散相的粒径分布曲线Fig.12 Particle size distribution for disperse phase

5 结论

（1）错列角为150°的元件对物料的剪切效果优于错列角为30°和90°的元件，加权平均剪切应力最大；

（2）错列角为150°元件的流道对物料的拉伸作用最强，其次是错列角为30°的元件，错列角为90°元件的拉伸作用最差；

（3）就分散混合性能来说，错列角为150°的元件最好，其次为错列角为30°的元件，错列角为90°的元件分散混合性能最差，模拟结果与实验结果相符。

［1］ 耿孝正.塑料混合及连续混合设备［M］.北京：中国轻工业出版社，2007：38－42.

［2］ 耿孝正.聚合物加工中固相的分散及填充改性混合设备的选用［J］.中国塑料，2002，16（9）：1－6.

［3］ 王贤惠，曹志清.新型单螺杆CRD分散混合器的理论研究与应用［J］.橡塑技术与装备，2006，32：1－5.

［4］ Chris Rauwendaal，Tim Osswald，Paul Gramann，et a1.Design of Dispersive Mixing Devices［J］.International Polymer Processing，1999，14（1）：28－34.

［5］ Chris Rauwendaal，Tim Osswald，Paul Gramann.A New Dispersive Mixer for Single Screw Extruders［C］.Atlanta：56th SPE ANTEC，1998：277－283.

［6］ Chris Rauwendaal.New Dispersive Mixers Based on Elongational Flow［J］.Plastics，Additives and Compounding，1999，1（4）：21－23.

Design of Highly Dispersive Mixing Elements for Twin－screw and Their Performances

HUANG Fengchun，MA Xiuqing＊，ZHOU Bingbin，LIANG Wenhu
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

A highly dispersive mixing twin－screw element was designed based on the meshing theory of intermeshing co－rotating twin－screw extruders.The flow fields for three screw configurations were simulated by Polyflow.Experimental study was carried out in an intermeshing co－rotating twin－screw extruder.It was found that the screw element with a staggering angle of 150°had a better dispersive mixing performance than those of 30°and 90°.

intermeshing co－rotating twin－screw extruder；dispersive mixing；twin－screw element

TQ320.66＋3

B

1001－9278（2011）10－0090－05

2011－04－11

＊联系人，maxq＠mail.buct.edu.cn