腰鼓型密煉機轉(zhuǎn)子的混合特性及其對碳纖維殘存長度的影響

張 艷，王中君，寧詩琪，金建立，李 果

(1.西安近代化學研究所，西安 710065； 2.華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

0 前言

CF增強硅橡膠復合材料作為一種新型耐高溫燒蝕的復合材料，常被用做火箭沖壓發(fā)動機的熱防護材料[1-4]。復合材料中CF的含量、纖維長度及其分布的均勻性對復合材料的耐燒蝕性起著重要的作用，也是困擾耐高溫燒蝕復合材料制備的難題之一。而混煉過程中所采用的混煉設備種類與結構、混煉工藝對CF殘存長度的有著重要的影響[5-14]。因此，開發(fā)新型混煉轉(zhuǎn)子結構，并對其混煉流場特性進行數(shù)值模擬和實驗研究，探討混煉工藝、轉(zhuǎn)子結構和形狀對復合材料中CF殘存長度的影響規(guī)律，對于開發(fā)高性能耐燒蝕CF增強復合材料有著極其重要的意義。

本文針對碳纖維增強硅橡膠復合材料的特點，提出了一種新型腰鼓型轉(zhuǎn)子，并運用數(shù)值模擬和實驗驗證相結合的方法對其混合特性及復合材料中的纖維長度的影響進行了表征。研究了轉(zhuǎn)子構型和工藝參數(shù)對復合材料中碳纖維殘存長度的影響，提出了最佳的轉(zhuǎn)子結構和工藝參數(shù)，對碳纖維加工過程中轉(zhuǎn)子結構及工藝參數(shù)的優(yōu)化有一定的指導意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

CF，長度范圍1.2～11.0 mm，初始重均長度(Lw)為8.72 mm，數(shù)均長度(Ln)為7.79 mm，吉林碳素廠；

單組分室溫硫化硅橡膠，107，室溫黏度為10 Pa·s，濟南萬承化工產(chǎn)品有限公司。

1.2 主要設備及儀器

密煉機，自制；

光學顯微鏡，SMZ-168，廣州麥克奧迪實業(yè)集團有限公司。

2 腰鼓型轉(zhuǎn)子結構及混煉流場模型建立

2.1 腰鼓型轉(zhuǎn)子的結構

腰鼓型轉(zhuǎn)子結構如圖1所示，其表面擁有2個大螺距的長螺棱，截面形狀為橢圓形，呈現(xiàn)兩端大中間小的腰鼓型。根據(jù)轉(zhuǎn)子螺棱的螺旋角度的不同，分別定義為DRI轉(zhuǎn)子(螺旋角為40 °)和DRII轉(zhuǎn)子(螺旋角為67.5 °)。與一般的轉(zhuǎn)子相比，腰鼓型轉(zhuǎn)子對物料的剪切作用較小，而分散混合作用較弱，而分布混合作用較強。

(a)DRI轉(zhuǎn)子 (b)DRII轉(zhuǎn)子圖1 密煉機轉(zhuǎn)子幾何模型Fig.1 Geometric model of the rotor of the mixer

2.2 數(shù)學模型

做出如下假設：

(1)物料充滿整個流道；

(2)流動過程為穩(wěn)定的等溫層流流動過程；

(3)流體不可壓縮，慣性力、體積力忽略不計；

(4)壁面無滑移。

在笛卡爾坐標系下，流場的連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

τ=2η(γ′)D

(3)

式中υ——速度矢量

P——壓力，Pa

τ——偏應力張量

ρ——密度，kg/m3

D——形變速率張量

3 CF長度預測模型

由于CF為脆性纖維，在混合流場中的斷裂形式主要為壓縮失穩(wěn)[5-7]，因此采用纖維殘存長度(LR)模型如下：

(4)

式中d——纖維直徑，mm

E——纖維彈性模量，GPa

k——修正系數(shù)

μ——聚合物黏度，Pa·s

將Shon提出的產(chǎn)能比模型[7]與謝林生提出的累積解聚功[8-10]相結合，纖維重均長度預測模型如下：

(5)

K′——斷裂系數(shù)

L0——纖維最大長度，mm

L∞——纖維最小長度，mm

4 結果與討論

4.1 轉(zhuǎn)子構型對混煉流場特性的影響

采用2種不同的轉(zhuǎn)子，以50 r/min的轉(zhuǎn)速密煉60 min，物料所經(jīng)歷的累積解聚功密度和修正Lyapunov指數(shù)分布如圖2所示。

1—DRI轉(zhuǎn)子 2—DRII轉(zhuǎn)子修正Lyapunov指數(shù)分布圖2 不同轉(zhuǎn)子構型條件下物料所經(jīng)歷的分布和修正Lyapunov指數(shù)分布Fig.2 Distribution of and modified Lyapunov parameter in flow field of various rotors

由圖2(b)可見，2種轉(zhuǎn)子的修正Lyapunov指數(shù)分布曲線形狀相差較大。其中，DRII轉(zhuǎn)子的修正Lyapunov指數(shù)分布范圍更寬，并且較DRI轉(zhuǎn)子右移。表明與DRI轉(zhuǎn)子相比，DRII轉(zhuǎn)子的分布混合能力更強，更容易使得纖維在硅膠中均勻分布。

4.2 轉(zhuǎn)速對混煉流場特性的影響

綜上所述，對于纖維增強復合材料，增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對于保持纖維長度是極為不利的，對于增加纖維分布的均勻性貢獻也不是非常明顯。

轉(zhuǎn)子類型：1—DRI-50 2—DRI-100 3—DRI-150轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/r·min-1：4—50 5—100 6—150修正Lyapunov指數(shù)分布圖3 不同密煉轉(zhuǎn)速時物料所經(jīng)歷的分布和修正Lyapunov指數(shù)分布Fig.3 The distribution of and modified Lyapunov parameter in flow field with various speeds

4.3 混合時間對混煉流特性的影響

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/r·min-1:1—10 2—14 3—18 4—22 5—26 6—30修正Lyapunov指數(shù)分布圖4 不同混煉時間時混合流場中粒子的和修正Lyapunov指數(shù)分布Fig.4 The distribution of Mmix and modified Lyapunov parameter in flow field at various mixing time

因此，可以認為，延長混煉時間可以提高物料所經(jīng)歷的分散混合作用。但在一定范圍內(nèi)，混煉時間的延長對于提高分布混合作用意義不大。

4.4 轉(zhuǎn)子構型對CF維殘存長度的影響

采用不同構型的轉(zhuǎn)子以50 r/min轉(zhuǎn)速混煉60 min后，所得到的復合材料中CF殘長分布的理論值和實驗值如圖5所示。

1—理論值，DRI轉(zhuǎn)子 2—理論值，DRII轉(zhuǎn)子 ○—實驗值，DRI轉(zhuǎn)子 □—實驗值，DRII轉(zhuǎn)子圖5 不同轉(zhuǎn)子構型時CF殘長理論值與實測值Fig.5 Theoretical and measured values of carbon fiber length for various rotors

由圖5可見，DRI型轉(zhuǎn)子纖維殘存長度理論值與DRII型轉(zhuǎn)子相比稍稍左移，且分布范圍變窄。通過對比理論值和實測值，DRI、DRII型轉(zhuǎn)子下纖維長度理論分布曲線波峰值分別為1 mm和1.4 mm處，實驗值分別為0.9 mm和1.45 mm，CF殘長分布百分比最大的區(qū)間均位于0.5～2 mm范圍內(nèi)。因此，CF殘存長度理論值變化趨勢與纖維殘長實測值相似。由此可見，殘存長度方程[式(2)]預測結果與實驗值基本相符，但是存在一定的誤差。

4.5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對CF殘存長度的影響

采用DRI轉(zhuǎn)子以不同的轉(zhuǎn)速混合60 min，所得到的復合材料中CF殘存長度的理論預測值和實驗值如圖6所示。由圖6可見，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，復合材料中CF殘存理論長度分布曲線稍稍向左偏移，波峰值隨之減小。實驗值也體現(xiàn)了相同的特點。表明，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，物料所經(jīng)歷的累積解聚功增加，纖維所經(jīng)歷的分散混合作用和流場的剪切作用增加，其殘存長度降低，分布范圍也變窄。

數(shù)值，轉(zhuǎn)速/r·min-1：1—理論值，50 2—理論值，100 3—理論值，150 ○—實驗值，50 □—實驗值，100 △—實驗值，150圖6 不同轉(zhuǎn)速下CF殘存長度理論值與實驗值Fig.6 Theoretical and measured values of carbon fiber length for various speeds

4.6 混煉時間對復合材料中CF重均殘存長度的影響

采用DRI轉(zhuǎn)子以50 r/min轉(zhuǎn)速在不同混煉時間條件下進行混煉，所得到復合材料中CF重均長度的理論值與實驗值如圖7所示。可以看出，隨著混合時間的延長， CF的重均長度的理論值和實驗值均降低。由前文的討論可知，隨著混煉時間的延長，物料最終所承受的累積解聚功上升，在密煉過程中纖維所經(jīng)受的剪切、拉伸作用增強，發(fā)生的斷裂次數(shù)增多，因此，最終復合材料中CF重均長度必然減小。由圖中還可以得到，隨著混合時間的延長，實驗值與理論值的偏差由負變正。這主要是由于在實際密煉機中，轉(zhuǎn)子與密煉室側壁之間存在間隙，部分物料在該區(qū)域中并未受到剪切作用，導致纖維保留了較長的長度，影響了最終實驗值的準確性。

—理論值 —實驗值圖7 經(jīng)歷了不同混合時間的復合材料中CF重均長度理論值與實驗值Fig.7 Theoretical and measured values of carbon fiber length for various mixing time

5 結論

1)DRII型轉(zhuǎn)子較DRI型轉(zhuǎn)子具有較高的分布混合能力和較弱的分散混合能力，混煉后復合材料中CF的殘存長度較長，分布比較均勻；

2)隨著密煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，流場對物料的分散混合和分布混合作用增強，復合材料中CF的殘存長度下降；

3)隨著混合時間的延長，流場對物料的分散混合作用增強，但是分布混合作用增加幅度不大；延長混合時間對于復合材料中CF殘存長度有著不利的影響。

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