嚙合異向雙螺桿擠出機中捏合塊元件對PE-HD/PS不相容體系混合效果的研究

李彥輝,馬秀清,武學(xué)偉,田 軍

(北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院,北京100029)

0 前言

嚙合異向雙螺桿擠出機中一根螺桿的螺棱伸入到另一根螺桿的螺槽中將其阻斷形成若干個相互獨立的C形小室,物料被封閉在這些C形小室中以正位移輸送機理向前輸送,具有停留時間短、擠出能力強等優(yōu)點,通常用于成型制品,特別是聚氯乙烯(PVC)的擠出成型和混合造粒。由于物料被封閉在C形小室內(nèi),各個C形小室之間物料交換極少,將其用于聚合物混合改性時混合效果不是很理想[1-2];與之相比,嚙合同向雙螺桿擠出機由于其縱向開放而具有優(yōu)異的混合性能且被廣泛用于混合改性。若能提高嚙合異向雙螺桿擠出機的混合性能,就可以在一臺機器上實現(xiàn)混合與成型,對聚合物工業(yè)意義重大。

Thiele[3]、Potluri[4]、Keungjin[5]等都對嚙合異向雙螺桿擠出機的混合性能作過研究,他們在螺桿構(gòu)型中引入了寬螺槽窄螺棱螺紋元件、開槽螺紋元件、螺槽寬度漸變的螺紋元件等非常規(guī)螺紋元件以及柱狀元件、齒形盤元件、齒輪形元件等一些非螺紋元件,這些非常規(guī)螺桿元件的開發(fā)及應(yīng)用大大地提高了嚙合異向雙螺桿擠出機的混合性能;國內(nèi)周甫萍[6]、施豐[7]、羅兵[8]等分別對嚙合異向雙螺桿擠出機中波狀螺紋元件、楔形推力面非常規(guī)螺紋元件以及VCR轉(zhuǎn)子元件等新型元件的混合性能作了理論和實驗研究。結(jié)果表明,這些新型元件具有比常規(guī)螺紋元件更為優(yōu)異的混合性能。但將捏合塊元件用于嚙合異向雙螺桿擠出機的研究在文獻中很少見到,本文旨在將捏合塊元件引入嚙合異向雙螺桿中并研究其混合性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PE-HD,5000S,中國石化北京燕化石油化工股份有限公司;

PS,H IPS825,盤錦乙烯有限責(zé)任公司;

1.2 主要設(shè)備及儀器

嚙合異向雙螺桿擠出機,LSM30/34,德國Leistritz公司;

掃描電子顯微鏡(SEM),Hitachi S-4700,日本日立公司。

1.3 機筒螺桿構(gòu)型

本文所用的常規(guī)螺桿構(gòu)型與機筒的組合方案如圖1(a)所示,圖1(b)為增加了混合元件后機筒螺桿的組合方案之一。具體方案是在熔融段用不同錯列角和不同捏合盤厚度的捏合塊元件置換圖1(a)中標示的置換段I,在熔體輸送段用直斜齒交替排列的齒形盤元件置換圖1(a)中標示的置換段 II,圖2為圖1(b)所對應(yīng)的螺桿構(gòu)型的實物圖,圖中捏合塊錯列角為45°,捏合盤厚度為 7.5 mm,捏合塊總長度為120 mm。

圖1 機筒螺桿組合方案Fig.1 Configuration of the barrel and screw

圖2 螺桿實物圖Fig.2 Picture of the screw

本文總共用到9種螺桿構(gòu)型,分別為常規(guī)螺桿構(gòu)型以及置換段II不變,置換段 I為相同捏合盤厚度不同錯列角(共5種)和相同錯列角不同捏合盤厚度(共4種)的捏合塊的螺桿構(gòu)型。其中捏合塊錯列角的變化為 30 °、45 °、60 °、90 °和 120 °,此時單片捏合盤厚度為7.5 mm;捏合盤厚度的變化分別為 7.5、15、22.5、30 mm,此時錯列角為 90°。單片捏合盤厚度為7.5 mm、錯列角為90°的構(gòu)型為重復(fù)實驗,只做一次。

實驗螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min,采用計量加料方式,加料量為7.41 kg/h。機筒各段溫度設(shè)定為T1=T6=230℃,T2=T3=T4=T5=240℃,機頭溫度 T7=230℃。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

將 PE-HD和 PS按80∶20(質(zhì)量比,下同)的比例預(yù)混好,加入計量加料裝置,等擠出穩(wěn)定后從機頭采樣。將采得的樣品放入液氮中冷卻,脆斷,斷面噴金,然后在SEM下觀察相態(tài)結(jié)構(gòu)并拍照。

2 結(jié)果與討論

從圖3可以看出,分散相PS呈球狀或橢球狀分布在連續(xù)相PE-HD當中。為了定量描述各螺桿構(gòu)型的分散混合能力,對SEM照片作了后處理,先測得分散相的粒徑然后按照式(1)～(3)計算出分散相PS的數(shù)均粒徑、重均粒徑和粒徑分布指數(shù)[9],參與計算的分散相PS的粒子數(shù)目至少1000個。

式中Di——分散相粒子的直徑,mm

N i——直徑為Di的分散相的粒子數(shù)目

IPD——粒徑分布指數(shù)

圖3 各螺桿構(gòu)型下PE-HD/PS試樣的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEMphotographs of PE-HD/PS blends

表1 各螺桿構(gòu)型下PE-HD/PS共混體系中分散相PS的重均粒徑及粒徑分布指數(shù)Tab.1 Weight average diameter and partice diameter index of dispersive phase(PS)in PE-HD/PS blend for different screwconfigurations

對于增加了混合元件后的螺桿構(gòu)型,由于其他部分的螺桿元件完全相同,只是置換段I處的元件不同,因此可以認為及粒徑分布指數(shù)的變化是由置換段I的元件即捏合塊元件引起的,下面將對捏合塊元件的混合性能進行分析。

圖4 不同錯列角的捏合塊時分散相PS的及粒徑分布指數(shù)Fig.4 and partice diameter index of PS for kneading blocks with different staggerin g angles

由圖4可知,捏合塊的錯列角對 PE-HD/PS不相容體系的混合效果有較大影響。從圖4(a)可以看出,錯列角為30°、45°和120°時分散相的較大,這是因為30°的捏合塊輸送作用很強,物料能夠快速通過流道因而沒有經(jīng)受太多剪切;45°的捏合塊也屬正向輸送元件,有較強的輸送作用,但相鄰兩盤由于相互錯開因而在軸向有了物料通道,部分物料在通道中沒有經(jīng)受剪切;120°的捏合塊為反向輸送元件,物料只有在上游建立起很高的壓力才能向前輸送,而壓力太大就有部分物料在壓力的作用下沒有經(jīng)受剪切直接通過通道;60°和90°的捏合塊下分散相的較小 ,因為 60 °的捏合塊雖屬正向輸送元件,但輸送能力特別弱,而90°的中性捏合塊沒有輸送能力,物料在這兩種捏合塊中經(jīng)受剪切的時間較長。由圖4(b)可以看出,隨著捏合塊錯列角的增加,粒徑分布指數(shù)增大,這是因為隨著捏合塊錯列角的增加,軸向物料的通道增大,沒有經(jīng)受剪切而直接通過通道的物料增加;120°錯列角下的分散相的粒徑分布指數(shù)值是所有增加了混合元件后的螺桿構(gòu)型下最大的,這是因為120°的捏合塊為反向元件,部分物料在壓力的作用下沒有經(jīng)受剪切直接從通道通過,而部分物料則經(jīng)過了多次的回流剪切。

圖5 不同捏合盤厚度的捏合塊時分散相PS的及粒徑分布指數(shù)Fig.5 and partice diameter index of PS for kneading blocks with different disc width

由圖5可知,對相同錯列角不同捏合盤厚度的捏合塊而言,隨著捏合盤厚度的增加,分散相的重均粒徑減小,這是因為隨著捏合盤厚度的增加,剪切增強,因而能獲得比較小的粒徑。而粒徑分布指數(shù)卻隨著捏合盤厚度的增加而增大,因為90°的捏合塊在軸向方向上能形成一個物料通道,而隨著捏合盤厚度的增加,對物料的阻礙作用減小,沒有經(jīng)受剪切而直接通過通道的物料增加。

3 結(jié)論

(1)在常規(guī)螺桿上增加捏合塊元件可以提高嚙合異向雙螺桿擠出機的混合性能;

(2)對于不同錯列角的捏合塊而言,90°的中性捏合塊的分散混合能力最強,其次則依次為60°、30°、45°和120°的捏合塊。隨著捏合塊錯列角的增加,粒徑分布指數(shù)增大,粒徑均勻性變差;對于不同捏合盤厚度的捏合塊,隨著捏合盤厚度的增加,分散混合能力增加而粒徑分布指數(shù)有所增大,粒徑均勻性變差。

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