螺桿組合對(duì)PP/PET共混體系混合效果影響的研究

王文飛,羅兵,畢超,袁捷朝,謝兆興

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

螺桿組合對(duì)PP/PET共混體系混合效果影響的研究

王文飛,羅兵＊,畢超,袁捷朝,謝兆興

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

對(duì)嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)捏合塊的2種組合進(jìn)行了流場(chǎng)模擬和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。通過對(duì)2種組合在不同轉(zhuǎn)速下的模擬,計(jì)算了流道內(nèi)停留時(shí)間分布、最大剪切速率分布以及累積應(yīng)變分布,并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,分散型構(gòu)型獲得的聚丙烯/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PP/PET)共混體系的拉伸強(qiáng)度較好;PP/PET共混體系中PET粒徑大小影響沖擊強(qiáng)度,PET粒徑過小會(huì)降低沖擊強(qiáng)度。

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī);螺桿組合;數(shù)值模擬;聚丙烯;聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯;共混體系

0 前言

PP具有相對(duì)密度小,加工性能優(yōu)良,屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量均較高,無毒、光澤好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、家電等領(lǐng)域。但PP也存在低溫脆性、成型收縮率大等缺點(diǎn),限制了PP的進(jìn)一步應(yīng)用。PET是一種重要的工程塑料,主要用于合成纖維、雙軸拉伸薄膜和中空容器等領(lǐng)域。但PET的玻璃化溫度和熔點(diǎn)高,在通常加工溫度下結(jié)晶速度慢,阻礙了PET在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。通過PET對(duì)PP進(jìn)行改性,能夠提高PP的流動(dòng)性和沖擊強(qiáng)度[1-3]。在PET對(duì)PP改性的研究中,對(duì)不同相容劑與PP及PET以不同比例進(jìn)行共混的研究已經(jīng)有了很多成果[4],在使用同向雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行PP/PET共混改性時(shí),螺桿組合對(duì)共混體系的性能也有著至關(guān)重要的作用。在同向雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合中常用混合元件為捏合塊元件,經(jīng)過合理組合能夠得到不同的分布混合和分散混合能力[5]。在擠出過程中物料所受到的剪切速率隨螺桿轉(zhuǎn)速的提高而增大,回流量隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高而增大[5]。本文使用Polyflow軟件對(duì)自行設(shè)計(jì)的2種螺桿組合中的捏合塊組合流道進(jìn)行模擬,通過最大剪切速率分布、停留時(shí)間分布和平均累積應(yīng)變等參數(shù)討論螺桿組合的混合能力,并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 理論研究

1.1 螺桿組合的選擇

捏合塊的寬度和錯(cuò)列角度不同,在混合過程中所表現(xiàn)的分布混合和分散混合能力不同。對(duì)于不同寬度的捏合塊,寬度大的捏合塊比寬度窄的捏合塊分散能力強(qiáng),寬度窄的捏合塊比寬度大的捏合塊分布能力強(qiáng)[6]。對(duì)于不同錯(cuò)列角的捏合塊,錯(cuò)列角為30°和反向60°的捏合塊元件具有較強(qiáng)的分散混合能力;錯(cuò)列角為60°和90°的捏合塊分布混合能力較好[7]。本文將不同角度和不同厚度的捏合塊進(jìn)行組合,螺桿構(gòu)型如圖1所示。圖1中虛線部分為置換部分,有A和B 2種構(gòu)型,構(gòu)型編號(hào)方式[8]和組合方式如表1所示。其中A構(gòu)型為分散型:正向?qū)捘蠛蠅K+反向窄捏合塊+正向?qū)捘蠛蠅K+反向?qū)捘蠛蠅K;B構(gòu)型為分布型:正向?qū)捘蠛蠅K+正向?qū)捘蠛蠅K+正向?qū)捘蠛蠅K+反向窄捏合塊。

表1 螺桿組合方式Tab.1 Configuration of screw elements

圖1 螺桿組合構(gòu)型Fig.1 Screw configuration

1.2 數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)模型時(shí)引入假設(shè),采用Cross模型[9]。模擬中Cross模型參數(shù)為:零切黏度(η0)=402 Pa·s;時(shí)間常數(shù)(λ)=0.3648;Cross模型指數(shù)(m)=0.6669。

1.3 邊界條件

模擬時(shí)流道的邊界可如圖2所示,采用的邊界條件為:(1)機(jī)筒壁面無滑移,機(jī)筒內(nèi)壁上的物料速度為0;(2)螺桿表面無滑移,螺桿表面上的物料速度為螺桿表面速度,模擬時(shí)選定的螺桿轉(zhuǎn)速為90、120 r/min;(3)入口邊界給定入口流量條件,選定的流量為8 kg/h;(4)出口邊界給定出口壓力條件,模擬時(shí)設(shè)定的出口壓力為0。實(shí)驗(yàn)時(shí)選用與模擬相同的螺桿轉(zhuǎn)速和流量。

圖2 捏合塊組合構(gòu)型Fig.2 Kneading block configuration

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

PET,FE19051 B K507,美國(guó)杜邦公司;

PP,M1008,中國(guó)石油化工股份有限公司北京分公司;

馬來酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SEBS-g-MA H),Pro200956113737,南京德巴化工有限公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī),LSM30/34,德國(guó)Lestritz公司;萬能試驗(yàn)機(jī),XWW,承德市金建檢測(cè)儀;

塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī),ZBC 1400-2,深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司;

高速混合機(jī),GH-10,北京塑料機(jī)械廠;

臺(tái)式干燥箱,DG20-002,重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;

掃描電子顯微鏡(SEM),Cambridge S250,英國(guó)劍橋儀器廠。

2.3 樣品制備

將PET在140℃下干燥4 h,然后以22%PET,65%PP和13%SEBS-g-MAH的配比在高速攪拌機(jī)中預(yù)混1 min;按表2所示溫度調(diào)整雙螺桿擠出機(jī)加工溫度,得到PP/PET共混體系。

表2 擠出機(jī)各段機(jī)筒溫度Tab.2 Temperature of the co-rotating twin screw extruder

2.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1040—1996進(jìn)行測(cè)試,拉伸速度50 mm/min;

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843—1996進(jìn)行測(cè)試,V形缺口;

用SEM觀察沖擊斷口切片的形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 累積最大剪切速率分布

統(tǒng)計(jì)示蹤粒子在流道中所經(jīng)受的最大剪切速率,可以得到最大剪切速率分布,如圖3所示。若曲線上某一點(diǎn)的橫坐標(biāo)為a,縱坐標(biāo)為b,則說明有b%的粒子經(jīng)受的最大剪切速率不大于a。從圖3中可以看出,同轉(zhuǎn)速下,A構(gòu)型的分布曲線比B構(gòu)型偏右,說明A構(gòu)型流道內(nèi)物料剪切能力比B構(gòu)型的強(qiáng);同一構(gòu)型時(shí),隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,分布曲線向右移,說明流道內(nèi)產(chǎn)生的剪切速率隨著轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)。B構(gòu)型最大剪切速率分布比A構(gòu)型分布窄,所提供的剪切速率大小比較集中。

圖3 最大剪切速率分布Fig.3 Density distribution of max shear rate

3.1.2 停留時(shí)間分布

停留時(shí)間分布反映了物料在流道中的時(shí)間,統(tǒng)計(jì)所有粒子從入口到出口的停留時(shí)間可以得到停留時(shí)間分布,如圖4所示。停留時(shí)間分布曲線的分布寬窄反映了縱向混合量的大小。由圖4可知,A構(gòu)型與B構(gòu)型的停留時(shí)間分布曲線都隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高而波峰寬度增大,說明隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,粒子在流道中縱向混合量增大。這是因?yàn)殡S著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,流量不變的情況下物料在流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)增大。從圖4還可以看出,同轉(zhuǎn)速情況下A構(gòu)型分布曲線的波峰寬度要大于B構(gòu)型的,說明有2個(gè)反向元件的A構(gòu)型的縱向混合量要大于B構(gòu)型。

3.1.3 平均累積應(yīng)變分布

應(yīng)變是評(píng)價(jià)混合性能的一個(gè)關(guān)鍵變量,通過應(yīng)變分布能夠整體上評(píng)價(jià)混合效果的好壞。本文中應(yīng)變等于粒子所經(jīng)受的剪切速率與經(jīng)歷的時(shí)間的乘積,對(duì)所有粒子在流道內(nèi)所經(jīng)受的總應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出粒子所經(jīng)受累積應(yīng)變平均值,如圖5所示。從圖5可以看出,同種構(gòu)型下隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,平均累積剪切應(yīng)變?cè)龃?在相同轉(zhuǎn)速下,A構(gòu)型所經(jīng)受的平均累積剪切應(yīng)變要比B構(gòu)型的大。

圖4 停留時(shí)間分布Fig.4 Residence time distribution

圖5 平均累積應(yīng)變Fig.5 The average of strain

從以上分析可以看出,構(gòu)型A提供的剪切速率較高,物料在流道內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng),因此對(duì)物料施加較大應(yīng)變,有利于提高混合效果。

3.2 分析與討論

從圖6可以看出,同轉(zhuǎn)速下A構(gòu)型制備的PP/PET共混體系中,小粒徑的PET顆粒數(shù)量要多于B構(gòu)型中的,粒徑大小也比B構(gòu)型的均勻。在相同構(gòu)型不同轉(zhuǎn)速的斷面圖中,隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,粒徑大小分布得更加均勻。正如前面所分析的隨著轉(zhuǎn)速的提高,剪切增強(qiáng),分散能力提高,粒徑減小。

從圖7(a)可以看出,在同轉(zhuǎn)速下,A構(gòu)型制備的PP/PET共混體系的拉伸強(qiáng)度要高于B構(gòu)型,相同構(gòu)型提高轉(zhuǎn)速,其拉伸強(qiáng)度也隨之提高。結(jié)果表明,PET在PP中分散的粒徑越小、分布越均勻,其拉伸強(qiáng)度越高;其拉伸性能隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高。

從圖7(b)可以看出,盡管A構(gòu)型所獲得的共混體系兩相分布較均勻,但在相同條件下,由B構(gòu)型所得到的材料的沖擊強(qiáng)度要大于A構(gòu)型的,相同構(gòu)型提高轉(zhuǎn)速后,2種構(gòu)型所得材料的沖擊強(qiáng)度均有所提高。圖7表明,由于分散相PET有較好的韌性,可以提高共混體系的抗沖性能,但并不是顆粒越小越好,在共混體系中分布一些粒徑稍大的PET顆粒,可使材料受到?jīng)_擊時(shí)能夠承受較大的力,提高材料的沖擊性能;同時(shí)提高轉(zhuǎn)速使共混體系中PET的粒徑大小變得更加均勻,可進(jìn)一步提高材料的韌性。

圖6 PP/PET共混體系斷面的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs for fractured surfaces of PP/PET blends

圖7 PP/PET共混體系的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of PP/PET blends

流場(chǎng)模擬和實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果均可表明,A構(gòu)型能夠提供較高的剪切,物料在流道內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng),物料所受應(yīng)變大,具有較好的混合性能;B構(gòu)型最大剪切速率分布窄,停留時(shí)間和總應(yīng)變均小于A構(gòu)型;隨著轉(zhuǎn)速的提高,2種構(gòu)型的混合性能都有所提升。實(shí)驗(yàn)表明,在PP/PET共混體系中,分散相粒徑越小越均勻、材料的拉伸強(qiáng)度越高;PP基體中存在一定大小的PET顆粒能夠提高共混體系的韌性,其粒徑越均勻,韌性越好。

4 結(jié)論

(1)分散型構(gòu)型中2個(gè)反向捏合塊使得螺桿剪切性能提高,縱向混合量增大,共混體系經(jīng)受的平均應(yīng)變?cè)龃?混合性能好;

(2)PP/PET共混體系中PET粒徑大小影響其沖擊強(qiáng)度,PET粒徑過小則沖擊強(qiáng)度小;PET粒徑越小、越均勻,共混體系的拉伸強(qiáng)度越好。

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Mixing Effect of Screw Configuration on the PP/PET Blends

WAN G Wenfei,LUO Bing＊,BI Chao,YUAN Jiechao,XIE Zhaoxing

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

Statistic analysis was applied on the flow field of two configurations of kneading blocks.Based on the flow field simulation of the two configurations at different rotational speeds,the maximum shear rate distribution,RTD and strain distribution were simulated.Meanwhile an experiment was made to validate the analysis result.Results showed that the dispersive configuration made the tensile strength of PP/PET blend better.The diameters of PET particles affect the impact strength in the PP/PET blend.T oo small diameters of PET particles made low impact strength.

meshing twin screw extruder;screw configuration;numerical analysis;polypropylene;poly(ethylene terephthalate);blend

TQ325.1+4

B

1001-9278(2011)02-0108-04

2010-09-09

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(ZZ0913)

＊聯(lián)系人,emstudent@163.com