基于拉伸破碎原理的單螺桿拉伸混煉元件的研究

林 祥，任冬云，王奎升

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

基于拉伸破碎原理的單螺桿拉伸混煉元件的研究

林 祥，任冬云＊，王奎升

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

根據聚合物混煉過程中的分布混合主要取決于分流次數的多少，而分散混合則很大程度上依賴于剪切應力或拉伸應力的強度的原理，并基于拉伸形變的破碎效應，設計了一種新型單螺桿拉伸混煉元件。通過有限元軟件Polyflow分析了該新型混煉元件的分散混合及分布混合性能，計算了混合過程中的壓力、應力應變速率的概率函數。根據粒子軌跡研究發現，隨著時間的延長，承受較大剪切速率或拉伸速率的粒子數逐漸增多，且流動過程中粒子具有較長的停留時間，無明顯的回流與滯料現象，說明該新型拉伸混煉元件同時表現出良好的剪切與拉伸混合特征，但在低應變速率下拉伸混合性能要更加優越。

分散混合；拉伸流動；拉伸破碎；數值分析

0 前言

單螺桿擠出機是塑料成型加工行業中應用最廣泛的設備，然而由于其螺桿的螺槽較深，剪切作用較弱，混煉性能也相對一般，尤其是分散混煉性能較弱。常規的單螺桿混煉元件主要有銷釘型（圓柱形、菱形、方形等）、屏障型（Maddock型）、菠蘿頭型（Pineapple型）、DIS型等。這些混煉元件的主要工作原理是分流作用或剪切分散作用，使團聚的粒子團發生破碎分散，從而實現穩定的混煉效果。然而其仍存在不足之處：（1）分流無法使某些高彈性的物料混煉良好，分流次數越多，壓力降越大；（2）高強度剪切的分散混煉在一定程度上解決了（1）中的問題，但是，針對某些剪切過敏性物料，卻容易導致分子鏈的降解，降低了材料本身的性能。研究表明，基于拉伸破碎原理的混煉元件能夠實現良好分散混煉效果，采用拉伸破碎效應來實現分散混合的方法有很多，Chris Rauwendaal等［2－3］開發了MBP（Mixing Break Plate）及 DDSM（Dispersive/Distributive Static Mixer）等混煉元件，采用楔形螺棱推進面或在螺棱上增加錐形槽，使熔體在經過楔形螺棱與機筒壁所構成的間隙或錐形槽時能產生強烈的拉伸作用。這樣的結構也可以直接設置在注塑螺桿的止逆環處，以增強材料的拉伸流場。另外，在類似銷釘的分流混煉過程中，固體物料必須經過充分熔融才能實現良好的分布混合，但是，這就需要在混煉之前提供更多的能量。朱常委等［4］從界面面積的增長研究比較了拉伸形變和剪切形變的能耗情況，結果表明，拉伸形變的混煉效果要明顯好于剪切形變，且剪切形變過程的能耗問題是最不經濟的。

對于無混煉元件的單螺桿成型過程，混煉能力相對較弱；相反，物料在雙螺桿的螺棱間隙內則經歷一定的拉伸力場。對于剪切與拉伸力場對粒子團的破碎作用，Rumsheidt及 Mason等［5］研究了液滴在流場中的破碎問題，結果發現純拉伸應力場優于剪切應力場的破碎效應。顯然，盡量提高單螺桿混煉元件的拉伸效應對于多組分體系的分散具有重要的意義。本研究在Polyflow模擬分析的基礎上設計一種新型的拉伸混煉元件，以便在較低的應變速率下，實現良好的低溫升、低剪切分散混合效果。

1 常規單螺桿的混煉元件

1.1 分流型混煉元件

常規的分流型混煉元件主要有銷釘型、DIS型、Sazton型、Dulmage型混合原件等，其基本原理是對正面流體一分為二，然后再與其他流體相互混合，當流體經過n次分流后，其新產生的流體股數則達到了2n次，最后再通過螺桿其他結構一起輸送出至機頭。很明顯，n越大，流體被分流的次數也越多，自然其所能達到的分布混煉效果也越好。然而，分流型混煉元件也存在一定的缺陷，主要表現在：（1）分散混合性能不佳，粒子團破碎能力有待提高；（2）對未熔融的固體顆粒無法實現“過濾”，有時也無法實現良好的塑化效果。

1.2 剪切型混煉元件

常見的剪切型混煉元件主要有屏障型混煉元件（Maddock型），早期屏障型螺桿有凸環形螺桿段和垂直螺槽的擋板結構，后期發展成直槽屏障型螺桿（或稱為UC螺桿）。物料進入屏障直槽后，被迫翻越屏障螺棱。物料在螺棱頂部受到強烈剪切，其中的大粒子破碎，產生均勻的分散混合。從20世紀70到80年代開始啟用至今，產生了幾種改進結構，如槽深漸變屏障型、斜槽屏障型、三角槽屏障型和物料可以翻越全部螺棱產生部分物料倒退與剛剛從計量段進入的物料再次混合的HN屏障型。由于螺棱的高強度剪切作用，各種屏障型螺桿的分散混合能力均較強。但是，黏性耗散比較嚴重，能耗較高，分子鏈的斷裂等因素仍然制約著剪切型分散混合元件在某些領域的推廣使用。

2 新型混煉元件

2.1 新型混煉元件的原理

單螺桿擠出成型過程中物料不斷向前輸送，其相態從固態→固/液混合相→液相發生漸變，而固相或分散相破碎的程度直接影響著制品品質與生產穩定性［6］。本文在上述機理的基礎上，提出了一種新型的混煉元件，其基本原理是采用具有強烈收縮拉伸效應的細槽使流過的固體顆粒具有一定的拉伸應力，此時分散相粒子團會產生拉伸破碎效應。但是需要注意的是：（1）拉伸流道能夠產生明顯的拉伸應力場，截面的收縮程度越大，剪切強度也越高；（2）壓力降較大，導致螺桿軸向背壓很高，不利于物料的輸送。

拉伸破碎是指在拉伸應力作用下，原先為單相粒子整體或多相粒子團發生在拉伸應力方向上形變，一般為球形分散的粒子或液滴變形成橢圓形，并逐步形成夾斷區，隨著夾斷區寬度的減小，粒子團最終發生破碎，形成體積更小的粒子。這類似于Tomotika及J M H Janssen的液滴拉伸破碎原理［7］：當混合兩相具有較大的黏度比值且連續相具有較高的黏度時，分散相在拉伸作用場下能夠實驗拉伸變細、斷裂，然后逐步平衡，再拉伸變細、再破碎，如圖1所示。對于單相物質的破碎而言，其拉伸破碎效應能夠提高材料的塑化性能，而對多相體系而言，則能夠實現良好的分散混合效果。另外，剪切分散混合的實現也是基于剪切引起的在不同流動層界面上所產生的拉伸破碎效應，剪切應力導致高分子鏈之間的纏結點受到彈性拉伸，長鏈間開始發生解纏、取向，最終在應力方向產生不可逆轉的流動。

圖1 拉伸破碎的原理示意圖Fig.1 Mechanisms of extensional disagglomeration

圖2 拉伸混煉元件的原理示意圖Fig.2 Mechanisms of extensional mixing element

總之，通過拉伸作用來實現分散混合有以下優點：（1）低溫升，適合加工熱敏性材料，如PVC；（2）低降解，適合加工剪切易降解性材料；（3）更強的分散混合能力，在相同的應變速率下，拉伸流動的應力值為剪切流動的兩倍［8－9］；（4）更低的能耗，降低成本。

2.2 新型混煉元件的結構設計

本研究設計的新的拉伸混煉元件的基本尺寸為：混煉段直徑（螺桿直徑）45mm，螺桿根徑36mm，軸向長度27mm，開槽數目5個（圓周均布），細槽徑向寬度約為2.8mm，軸向長度1mm，軸向間距13mm。為了實現較大的拉伸應力應變以便產生破碎效應，本文選擇細槽收縮比約為10，其拉伸混煉原件的破碎原理如圖2所示。黃磊等［9］假設兩球形顆粒相互黏結團聚，則團聚顆粒在剪切流動和拉伸流動中的所承受的最大作用力如：

式中 FSH－max——最大剪切力，N

FEX－max——最大拉伸力，N

ηm——連續相黏度，Pa·s

r1、r2——顆粒半徑，m

顯然，拉伸作用力是剪切作用力的2倍，在分子間纏結力保持不變的情況下，采用拉伸效應可以產生更佳的分散效果。

3 有限元分析

通過有限元分析動態流動過程，計算了流動過程中的應力分布及速度場。劉菊等［10］研究發現，軸向壓力越大，剪切應力越高，分散混合性能越好，因此剪切應力及應變速率的大小直接表征了分散混合效果的好壞。拉伸混煉元件及流體流動區域的三維模型圖如圖3所示，模擬計算的基本假設包括：物料在整個流道全充滿；穩態等溫流動；流體不可壓縮且壁面無滑移；忽略慣性力、體積力；流動為層流流動；總流量被平均分配到每個拉伸槽內。

圖3 拉伸混煉元件及流體流動區域的三維模型圖Fig.3 3Dmodel for extensional mixing section and flow zone

實驗參數設定：當m＝30000Pa·sn，n＝0.74，t＝0時，在入口處放置1000個顆粒，流率Q＝3×10－6m3/s，螺桿轉速 N＝40r/min。黏度計算模型采用冪率模型：

式中 η——黏度，Pa·s

m——稠度，Pa·sn

n——非牛頓指數

通過軟件Polyflow分析，其計算結果如圖4～6所示。可以看出，熔體流動過程中存在明顯的拉伸流動。圖4表示的是經過某一拉伸槽軸向剖面的速度分布，發現熔體經過細槽時的軸向速度明顯增大，并存在一定的回流（速度為負值）；從圖5可以看出，熔體流過細槽處的壓力降較大，存在明顯的界面收縮流動；圖6表現出整個區域上的剪切速率相對較小，從而實現低剪切速率下依靠拉伸作用對材料進行混合。同時，為了跟蹤流體的流動情況，通過初始放置在入口處的粒子運動軌跡（圖7）可以看出，除了邊界層中被滯留的粒子外，整體粒子的分布比較均勻，并未出現因圖4中速度場的回流而產生滯料現象。粒子分布混合效果與流經的混合區域長度成正比，且表現出較長的停留時間。然而拉伸細槽的軸向陣列數不宜過多（本文選擇2），否則流動阻力過大。

圖4 Z軸流動方向的速度分布Fig.4 Velocity distribution at the Zaxis direction

圖5 轉動過程中的壓力分布Fig.5 Pressure distribution in mixing processing

圖6 剪切速率的分布圖Fig.6 Shear rate distribution in mixing processing

圖7 粒子軌跡分布圖Fig.7 Tracer particles distribution in the mixing processing

從剪切速率和最大剪切速率的概率函數曲線［圖8（a）、（b）］可以看出，兩者皆是時間的函數。隨著時間的延長，承受較高剪切速率的粒子數逐漸增多，變化相對明顯。這說明隨著混合過程的進行，更多的粒子經歷了更高的剪切作用，這在一定程度上提高了混合效率。最大剪切速率的概率曲線說明，在經過一定時間后，經歷最大剪切速率的粒子數幾乎一致，這有利于某些剪切過敏性的材料的加工，因為時間的延長并不會大幅提高粒子的剪切過程。圖8（c）、（d）表示的是拉伸速率及最大拉伸速率的概率分布情況，發現隨著時間的延長，粒子經歷的拉伸作用減弱，達到最大拉伸速率的粒子比例較小，這說明粒子經歷初步的拉伸混合后就被往前輸送，而不存在嚴重的滯料回流現象，這有利于熱敏性材料的混合加工。圖8（c）還表現出拉伸速率的概率分布受時間的影響并不是很大的趨勢，這表明在每一個時間點（切片）具有相同拉伸速率的粒子比例基本相同。整體比較應變速率受時間的影響發現，剪切速率受時間的影響相對較大，整體波動較大，而拉伸效應相對穩定。

圖8 概率函數曲線Fig.8 Probability function curves

4 結論

（1）設計的新型單螺桿混煉元件能實現較好的分散混合，這是因為拉伸分散混合比剪切分散混合的效果要優越許多，較低的拉伸速率實現較好的分散效果，其低熱耗散性可適用于剪敏性材料的加工；

（2）從應力分布及速度分布可以看出，新型混煉元件流通截面的拉伸效應明顯，渦流或回流并未造成明顯的滯料現象，適用于熱敏性材料的加工；

（3）通過混煉元件中的粒子軌跡變化及概率函數可以看出，該混煉元件綜合具有較好的分散、分布混合性能，比常規混煉元件具有較大的改善。

［1］ 何 紅，朱復華.單螺桿擠出機的混煉及應用［J］.塑料，2001，30（2）：28－32.

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

［3］ 吳 濤，曹志清，趙 偉.邱媛媛，基于拉伸混煉機理設計的混煉器［J］.橡塑技術與裝備，2009，35（2）：34－37.

［4］ 朱常委，姜南.聚合物熔體混煉中界面面積增長函數的分析計算［J］.中國塑料，2001，15（10）：61－66.

［5］ 徐百平，瞿金平.雙螺桿螺棱側間隙純拉伸力場效應研究［J］.現代塑料加工應用，2005，17（4）：48－51.

［6］ 何 紅，朱復華.單螺桿擠出過程固相破碎碎塊徑向熔融機理研究［J］.工程塑料應用，2002，30（11）：14－16.

［7］ J M H Janssen，H E H Mejijer.Droplet Breakup Mechanisms：Stepwise Equilibrium versus Transient Dispersion［J］.J.Rheol，1993，37（4）：597－608.

［8］ 何光建，殷小春，瞿金平.基于拉伸流動的聚合物復合材料分散混合研究進展［J］.塑料，2010，39（3）：8－9.

［9］ 黃 磊，歐相麟，吳世見.拉伸流場對聚合物填充體系的分散混合作用［J］.中國塑料，2006，20（9）：53－58.

［10］ 劉 菊，董力群，梁 軍.螺桿構型對UPVC注塑混合效果影響的研究［J］.橡塑技術與裝備，2007，33（5）：1－4.

Investigation of Extensional Flow Mixer for Single－screw Extruder Based on Extensional Disagglomeration

LIN Xiang，REN Dongyun＊，WANG Kuisheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

The deformation of polymers in processing contained shear and extensional components.It was identified that the dispersive mixing was strongly depended on shear stress or extensional stress and distributive mixing was mainly depended on the number of interfaces.Multiple－phase polymers could achieve a better mixing through extensional stress based on extensional disagglomeration.In this paper，a new mixing element prototype for single－screw extruder was developed and its dispersive and distributive mixing capacities and probability functions for stress and deformation rate in single－screw processing was analyzed by Polyflow.The flowing trajectories obtained suggested that more and more particles were subjected to greater shear and extensional rates with increasing of time.Meanwhile，a long resistance time，no vortex flow and no stagnation of material in the processing showed a good shear and extensional mixing capacities of the new mixing element.Moreover，it was clear that the extensional mixing property was superior to that of shear mixing at low deformation rates from probability functions.

dispersion mixing；extensional flow；extensional disagglomeration；simulation

TQ320.64

B

1001－9278（2011）12－0090－05

2011－07－06

＊聯系人，dongyunr＠163.com