拉伸流動靜態混合器混合性能的實驗研究

馬秀清，韓順濤，劉曉紅

（北京化工大學機電工程學院，北京 100029）

0 前言

聚合物材料由于其優異的性能已成為人類社會建設、發展以及人民日常生活中不可或缺的一類重要材料［1?3］。隨著我國經濟和技術的高速發展，人們對聚合物材料的性能提出了越來越高的要求，但是制備新的聚合物材料不僅成本高，而且研究周期長，難以滿足人們的需求。通過改性技術來提升聚合物材料的性能是1種既經濟又高效的方法，由于聚合物改性一般都需要經歷混合這一重要環節，所以混合效果的好壞將直接影響到改性的效果和產品的質量。

在聚合物改性過程中通常利用擠出設備進行混合，基于設備改造的性價比，靜態混合器應運而生。流體在壓力的作用下進入靜態混合器，可以在靜態混合器中實現“分流—匯合—置換”，這一過程可以使流體的混合更充分［4］。雖然靜態混合器中沒有可動部件，但是流體通過靜態混合器的流體通道仍可以實現對流體的攪拌，從而增強混合效果［5］，而且在這一混合增強過程中基本不會改變物料的加工溫度［6］。耿孝正等［7］通過在噴嘴中安裝靜態混合器，進行了低密度聚乙烯與含20%（質量分數）炭黑的低密度聚乙烯母料的注射實驗，研究了靜態混合器的混合性能。結果表明，相比于噴嘴中未裝有靜態混合器的注射機，裝有靜態混合器的注射機注射出的混合料的均勻性有很大提升，混合料混合均勻無明顯炭黑條紋。徐子威等［8］研究了靜態混合器對聚丙烯/石墨烯微片納米復合材料混合的影響，結果表明，裝有靜態混合器的拉伸機頭可以提高石墨烯微片在聚丙烯中的分散均勻性，能夠使復合材料的混合更均勻，提升復合材料的性能。

現代混合理論的研究表明，拉伸在混合過程中起著很重要的作用，足夠的拉應力可以降低流體液滴尺寸，實現有效分散，讓流體經過高拉伸應力區可以提升其混合效果［9］。馮彥洪［10］等研究了拉伸流場與剪切流場對聚乙烯蠟/超高分子量聚乙烯復合材料的微觀結構與宏觀性能的影響，結果表明拉伸流場的塑化混煉效率高于剪切流場。Arrigo等［11］的研究表明，在聚合物加工中引入拉伸流場，可以改善聚合物體系的混合效果，從而提高聚合物體系的強度和剛度。本文將拉伸流場引入到靜態混合器中，設計了1種用于聚合物加工的EFM，以PE?HD/PS共混體系作為實驗材料，結合共混物相態結構的相觀察法［12?13］，對EFM的混合性能及其影響因素進行實驗研究。

1 EFM的結構及應用

1.1 EFM的結構

EFM主要由螺旋分配器、機體及1對盤狀結構（動盤和定盤）組成，總體結構如圖1所示。圖中所示入口處為擠出設備與EFM間的過渡段，擠出物料由此進入到EFM的螺旋分配器中。在螺旋分配器中，物料不僅沿著螺槽流道做旋轉運動，還沿著環隙流道做軸向運動，而且在螺旋分配器的初始進入段，物料以沿螺槽流道的旋轉流動為主，過后慢慢轉變成以沿環隙流道的軸向流動為主，這一過程既可以增強物料壓力、溫度等參數的均勻性，又可以使物料得到有效混合。物料流過螺旋分配器的流道后又進入到定盤和動盤間隙所形成的拉伸流道中，最后在壓力作用下，物料由盤狀結構的周圍流向中間的流體出口。在此過程中，由于兩盤間的間隙呈現周期性變化規律，物料通過時產生速度梯度，從而對物料產生拉伸混合的效果，物料中熔體顆粒得到細化，進而使物料的混合更加均勻。

圖1 EFM結構示意圖Fig.1 Structural diagram of EFM

1.2 EFM的特點與應用

EFM與常規靜態、動態混合器最大的不同在于，常規混合器主要依靠剪切作用來使聚合物熔體達到分散和分布混合效果，而EFM則主要依靠拉伸作用來增強聚合物熔體的混合效果。由于拉伸流動比剪切流動具有更大的界面面積，所以能夠獲得更好的分布混合效果，另外相比于常規剪切混合器，在EFM中的熔體經過拉伸區次數更多，所以分散混合效果也更加優異，理論上EFM能夠獲得更好的混合效果。基于EFM的特性，其特別適用于消除薄膜、管材和瓶子生產過程中的凝膠、凹陷及對含有未熔小顆粒或較高黏度組分的多相聚合物混合的生產中。

2 實驗部分

2.1 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，PS825，盤錦乙烯責任有限公司。

2.2 主要設備及儀器

嚙合異向雙螺桿擠出機，LSM 30/40，德國Leis?tritz公司；

計量加料裝置，AG，美國K?Tron?Soder公司；

SEM，Hitachi S?4700，日本Hitachi公司；

EFM，自主設計，如圖1所示。

2.3 樣品制備

將PE?HD、PS按質量比9/1預混均勻，通過計量加料裝置加入嚙合異向雙螺桿擠出機中，擠出機中螺紋元件參數如圖2所示，其中FF30/60表示導程為30 mm，長度為60 mm的嚙合異向螺紋元件，依次類推。主機轉速設定為30 r/min，加料量為6.72 kg/h，機筒溫度設定如表1所示。

表1 機筒各段溫度設定值Tab.1 Temperature setting value of each barrel section

圖2 螺桿構型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the screw configuration

如圖3所示為自主設計的EFM拉伸流道結構示意圖，其中A、C、D、α分別代表盤棱高度、盤棱根部圓角半徑、盤棱頂部圓角半徑、盤棱夾角，各型號盤的入口及盤棱的設計參數如表2所示。首先進行裝有I型盤的EFM的混合性能實驗，將其裝配到擠出機上，定、動盤間的間隙設定為0.5 mm，擠出穩定后取樣并取下裝有I型盤的EFM。然后，分別安裝裝有II型、III型盤的EFM，定、動盤對應盤棱間的間隙，即δ（圖4）設定為0.5 mm，重復操作依次制樣，最后安裝裝有IV型盤的EFM，δ分別設定為 0.125、0.25、0.375、0.5、0.625、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0 mm依次制樣。在各組制樣過程中保持工藝參數不變。

圖3 拉伸流道結構示意圖Fig.3 Structure diagram of extensional flow channel

圖4 兩盤形結構間拉伸流道放大圖Fig.4 Enlarged drawing of stretching flow channel between two plates

表2 裝有各型號盤EFM的參數Tab.2 Parameters of the EFM with various types of plate

2.4 性能測試與結構表征

將共混物試樣放入液氮中冷卻，然后將其掰斷，再對其斷面進行噴金處理，利用SEM觀測各組試樣的相態結構。根據SEM照片，測量分散相粒徑大小，最后通過式（1）～（3）計算出共混物體系中少組分的數均粒徑（n，μm）、重均粒徑（w，μm）、體均粒徑（v，μm），以此來分析混合物的混合效果。

式中Di——粒子的粒徑，μm

Ni——粒徑為Di粒子的數量，個

3 結果與討論

3.1 盤形結構對EFM混合性能的影響

圖5為不同EFM所制備試樣的SEM照片，各盤下共混物PE?HD/PS中分散相PS的平均粒徑如表3所示。從表中可以看出各組分散相PS的3類平均粒徑都具有基本一致的變化趨勢，所以以n的變化趨勢對各組混合性能進行討論即可。從表中還可以看出，裝有I型盤的EFM所制備試樣的n最大，其次是裝有IV型盤（δ=0.5 mm）的EFM制備出的試樣，裝有II型盤的EFM制備出試樣的n最小，裝有III型盤的EFM制備出試樣的n比裝有II型盤的EFM制備出試樣的n稍大，但是相差不大。

圖5 采用不同盤形結構EFM制備的PE?HD/PS的SEM照片Fig.5 SEM images of PE?HD/PS prepared using EFM with different plate structure

I型盤作為其他3種盤的實驗對照組，盤形結構入口平滑，而且定盤和動盤之間不存在對應的盤棱結構，即兩盤間無拉伸流道不會產生速度梯度，所以該結構未對物料產生拉伸作用，故該實驗組中分散相的平均粒徑也最大，表現出最差的混合性能，而且相比于具有拉伸作用的II型盤、III型盤和IV型盤，在混合性能上的差距也較為明顯。II型盤和III型盤具有相同的盤棱結構，只是1個為入口平滑型，另一個為入口收縮型，從表3中分散相的平均粒徑可以看出，此2組的數據相差很小，說明該混合器盤形結構入口處平滑或收縮對其混合性能的影響較小。III型盤和IV型盤均為收縮型盤形結構入口，且盤棱高度和盤棱夾角都分別為1.5 mm和60°，所以物料在這2種盤下的速度梯度相差不大，但是III型盤具有更大的盤棱頂端圓角半徑，會對物料產生更強的剪切作用，所以III型盤的混合效果更優于IV型盤，分散相的平均粒徑也更小。

表3 采用不同盤形結構EFM制備的PE?HD/PS中PS的粒徑Tab.3 Particle size of PS in PE?HD/PS prepared using EFM with different plate structure

3.2 不同δ對EFM混合性能的影響

圖6為裝有IV型盤且具有不同δ的EFM所制備試樣的SEM照片，各δ下PE?HD/PS體系中分散相PS的平均粒徑如表4所示。從表中可以看出各組分散相PS的3類平均粒徑也保持基本一致的變化趨勢，故沿襲上文方式對各組混合性能進行討論。圖7為分散相PS的n隨間隙的變化趨勢，從圖中可以看出，在兩盤形結構之間的δ從0.125 mm增加到0.750 mm的過程中，n隨δ的增大而逐漸增大；在δ繼續由0.750 mm增大到1.000 mm的過程中，n隨δ的增大而減小；在此之后，δ增大到2.000 mm的過程中，n又隨著δ的增大而增大。可見，δ在1 mm處能夠獲得最好的混合效果。

圖6 采用具有不同δ的EFM制備的PE?HD/PS的SEM照片Fig.6 SEM images of PE?HD/PS prepared using EFM with different δ

表4 采用具有不同δ的EFM制備的PE?HD/PS中PS的粒徑Tab.4 Particle size of PS in PE?HD/PS prepared using EFM with different δ

圖7 PS的n?δ曲線Fig.7 n?δ curve of PS

當流體在流動方向上存在一定速度梯度時就會產生拉伸作用，理論上拉伸流道的收縮比ζ/δ（圖4）越大，產生的速度梯度也越大，即拉伸作用更強、混合效果更好。但是，拉伸和剪切流動對粒徑破碎效果不僅受到拉伸速率和剪切速率影響，停留時間也對其造成影響的重要因素之一。根據速度連續性方程可知，當ζ不變時，δ越大流體在盤棱處的速度越小，相應的停留時間越長，所以當δ超過某一臨界值時，雖然拉伸速率和剪切速率都有所降低，但是停留時間卻變得更長，故可以表現出更好的混合效果。

4 結論

（1）所設計出的EFM的拉伸作用可以增強聚合物的混合效果；

（2）EFM盤形入口結構對混合性能影響較小，盤棱頂端圓角半徑越大混合效果越好；

（3）EFM的δ過大或過小都會降低物料的混合效果，故在應用EFM的過程中，為了獲得更好的混合效果，需選擇適當的δ大小，在本設計中最優δ為1 mm。