差速非对称双螺杆挤出制备高性能HDPE/h-BN导热复合材料

电子元器件的飞速发展对电子设备的散热要求也越来越高。通过使用基于混沌混合原理的差速非对称双螺杆挤出机制备了高密度聚乙烯(HDPE)/六方氮化硼(h-BN)高导热复合材料,通过微观形貌、导热性能、力学性能等测试分析,研究了螺杆转速对h-BN的剥离与分散混合及其对HDPE/h-BN复合材料性能的影响。结果表明,转速的提升能够改善挤出机对h-BN的剥离分散效果,从而提高导热复合材料的综合性能。当转速为300 r/min时,平面内和平面外方向上的热导率分别达到了7.91和0.38 W/(m·K),与100 r/min时相比,分别提高了7.62%和15.15%,而拉伸强度和断裂伸长率分别提升了2.68%和81.63%。此方法工艺简单、生产效率高,且无需使用有害试剂,为高效规模化制备综合性能优异的高导热复合材料提供了新思路。

非对称双螺杆制备ABS/PUR-T/HNTs阻燃复合材料的性能

分别采用自主研制的新型同向非对称双螺杆挤出机以及传统双螺杆挤出机制备了丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)/膨胀型阻燃剂(IFR),ABS/热塑性聚氨酯弹性体(PUR-T)/IFR以及ABS/PUR-T/IFR/埃洛石纳米管(HNTs)等3种阻燃复合材料试样,表征了试样的冲击、拉伸和弯曲强度以及极限氧指数(LOI),同时测试了非对称双螺杆挤出机制备的试样的燃烧性能,分析了PUR-T和HNTs对试样性能的影响。结果表明,相比于传统双螺杆挤出机,自制非对称双螺杆挤出机由于具有更优异的混合性能,所制备的复合材料试样力学性能和LOI均有提高;针对非对称双螺杆制备的试样,加入质量分数为17.5%的PUR-T后,其冲击强度提高,而拉伸和弯曲强度降低,LOI由27%提升至40%,热释放速率峰值(PHRR)、平均热释放速率(MHRR)、总热释放量(THR)和生烟速率(SPR)降低,火灾性能指数(FPI)提高,阻燃效果显著增加;进一步加入2%的HNTs后,试样的冲击、拉伸和弯曲强度得到提高,LOI稍有下降,但仍为37%,MHRR和THR有所增大,但PHRR和SPR进一步降低,且FPI提高,有助于降低火灾危险性。

同向非对称双螺杆挤出高密度聚乙烯/聚苯乙烯共混体系熔融机理

借助于自主研制转速比为2的剖分式同向非对称双螺杆挤出机对高密度聚乙烯(HDPE)/聚苯乙烯(PS)共混体系的熔融混合过程进行了沿程取样研究,并比较不同螺纹元件螺距和操作条件对熔融过程的影响,对熔融过程沿挤出方向的相形态变化进行初步分析。实验表明,大部分物料在第1加热区发生塑性变形,单头螺杆固体输送区的充满度比双头螺杆的高且HDPE首先发生熔融,左右螺槽的拉伸和压缩作用和对应螺纹元件螺距的不一致性使物料更快形成海-岛熔融模型,HDPE/PS在耗散混合熔融和粘性耗散熔融机理下快速熔融;减少螺纹元件螺距可以加快熔融速率,缩短熔融长度。

喷水推进新型对称双螺杆泵转子型线设计

为了解决喷水推进系统噪音高、体积大、压头小、工艺复杂、效率低等问题,在分析了目前常用双螺杆泵转子型线的基础上,利用齿轮啮合原理,设计制造出一种对称的四齿双螺杆转子型线。该型线由长幅外摆线、短幅外摆线、渐开线和圆弧组成,呈对称分布。圆弧主要起削平摆线和渐开线之间过渡尖点的作用,能有效地提高转子的强度、耐磨性和密封性。对称的极少齿四齿结构和根切技术提高了流量,改善了工艺。以该转子型线为核心技术,制造出可用于喷水推进的新型对称双螺杆泵,并进行了初步试验验证。试验结果表明:设计出的转子型线不仅满足啮合原理的要求,还降低了噪音,缩小了体积,提高了流量、压头和效率,改善了制造工艺。

同向非对称双螺杆挤出PP/PA6形态演变

借助于自主研制转速比为2的剖分式同向非对称双螺杆挤出机,对PP/PA6共混体系的混合过程进行了沿程取样研究,并比较不同螺杆截面对形态演变过程的影响,利用等价平均粒径分析分散相的粒径。粒径统计分析发现,单头和双头螺杆螺槽内分散相的形态有所不同,且单头螺杆的分散混合能力高于双头螺杆,而在熔融后期螺杆端部,分散相平均粒径值有所下降。

同向非对称双螺杆挤出TPU／PP共混体系研究

通过对同向非对称双螺杆挤出机和传统同向双螺杆挤出机的应用,研究了在无添加相容剂情况下热塑性聚氨酯/聚丙烯(TPU/PP)共混体系的力学性能和相形态。结果表明,和传统同向双螺杆挤出机相比,同向非对称双螺杆挤出机在长径比和捏合块均减少的情况下加工的共混物力学性能更好,分散相的平均粒径更小、更均匀,并且共混物的韧性和相容性更好。

新型对称双螺杆泵试验研究

在自制新型对称双螺杆泵的基础上,为了检验设计制造的合理性,验证技术性能参数的科学性,搭建了试验台架,对该泵的流量、扬程、推力、噪声、振动、水压、电功率等进行了试验和测量,并对试验数据进行了分析。试验及其分析结果表明:相对罗茨泵、齿轮泵等传统型容积式泵,新型对称双螺杆泵的设计和制造是合理的,其技术性能参数更加优越,可用于要求空间小、噪音低、压头高、流量大的场合。

喷水推进新型对称双螺杆泵原理样机的研制

在新型对称双螺杆泵转子型线设计及其零部件三维造型设计的基础上,选取了4齿转子,确定了转子的技术参数。分别采用铝合金和聚四氟乙烯材料试制转子,提高了其耐磨性和密封性。研究并确定了进水口、喷水口等关键要素,研制出泵体、盖板等零部件并组装成新型对称双螺杆泵。

同向非对称双螺杆混合石墨增强导热高分子材料性能研究

选用粒径为15μm的鳞片石墨和3μm的氧化铝（A1203）为导热填料，采用新型同向非对称双螺杆挤出机为加工设备，在石墨填充量为10％（质量分数，下同）而Al2O3填充量为10%～50％范围内，制备聚丙烯（PP）／Al2O3和PP／A1203／石墨导热高分子材料并进行性能测试。结果表明，添加少量石墨，在Al2O3填充量低时可增强导热高分子材料的拉伸强度，石墨与Al2O3的混杂减缓了拉伸强度下降的速率，改善了导热高分子材料的弯曲和冲击性能；PP／Al2O3／石墨的熔体流动速率比PP／Al2O3的小，PP／Al2O3／石墨比PP／Al2O3的负载热变形温度升高约15％。

非对称双螺杆端面构型对混合行为的影响

给出了3组等速旋转同向非对称自洁型双螺杆端面造型,并对3种螺杆构型与普通双螺杆端面混合行为进行了对比。基于Ployflow软件网格叠加技术,以满足Carreau定律的纯黏性流体为加工对象,得出速度场分布。运用粒子示踪技术,探索不同位置混合性能的差异。结果表明:新型非对称双螺杆中粒子分散时间较短,且较均匀。采用累积分散准数表征分散混合,分离尺度、界面拉伸长度表征分布混合能力,分析了不同构型混合性能的差异。

喷水推进新型对称双螺杆泵的泵体设计

为了推进喷水推进技术的发展,研发出一种新型对称双螺杆泵,并在常规泵体的基础上提出并设计了新型对称双螺杆泵的泵体。以SolidWorks为工具,对该新型对称双螺杆泵的泵体进行了三维造型设计,得出了一般泵体类零件的造型方法,同时也为进一步研究该泵体的受力、强度、变形、运转、密封等性能打下了良好的基础。

基于ANSYS的新型对称双螺杆泵泵体的有限元分析

为了验证新型对称双螺杆泵的实用性,在泵体设计的基础上需要对其进行强度校核。采用简化的方法,将工作液体视为静止液体在一定压强p的作用下对壳体下壁施压的问题,将压力面分割成多个区域来进行有限元分析,证明泵体设计满足强度校核,为泵的进一步分析和工程应用打下了良好的基础。

同向非对称双螺杆混沌混合制备导热高分子材料性能研究

以聚丙烯(PP)为高分子材料基体,选用粒径为3μm的氧化铝(Al2O3)导热填料,采用新型同向非对称双螺杆挤出机为加工设备,制备PP/Al2O3导热高分子材料,通过力学性能、熔体流动速率、热变形温度、维卡软化温度、热导率和扫描电镜的测试分析,研究混沌混合加工对导热高分子材料性能的影响。结果表明:随着Al2O3含量的增加,PP/Al2O3导热高分子材料的拉伸强度先增大后减小,冲击韧性逐渐下降,加工流动性能变差,弯曲性能和抵抗热变形能力提高,热导率逐渐增大,Al2O3含量为20%左右达到逾渗阈值,当Al2O3含量为50%时,其热导率是纯PP的1.7倍。微观形态观察表明:Al2O3含量为30%时,PP/Al2O3导热高分子材料的综合性能最好,同传统双螺杆挤出相比,同向非对称双螺杆混沌混合加工可以制备出力学性能、热性能、导热性能等更加优异的填充型导热高分子材料。

差速非对称同向双螺杆挤出机内局部停留时间分布测试

基于自主研制的可视化差速非对称双螺杆挤出设备,以羧甲基纤维素钠作为模拟挤出流体,采用配置的氯化钠–羧甲基纤维素钠溶液作为脉冲示踪剂,提出了一种与挤出速度同步的拉膜法测试停留时间分布的方法,通过电导率测试完成停留时间分布规律的测量。在全充满的状态下,研究不同螺杆元件单元及不同转速、产量等加工参数下的局部停留时间分布。结果表明,当转速和产量不变时,反向捏合盘平均停留时间最大,停留时间分布曲线最平缓,比其它螺杆元件类型表现出更好的混合效果;不同错列角对停留时间分布影响不大;产量不变时,随着转速的提升,捏合盘单元平均停留时间下降,混合效率提升;相同的转速下,产量的提高导致混合效率下降;停留时间分布对示踪剂的注射位置敏感性强,暗示流道非对称明显。

非对称同向双螺杆端面造型对混合行为影响数值模拟

提出了同向自洁型双螺杆挤出机端面非对称造型的新概念。以符合Carreau定律的纯黏性流体为加工对象,建立相应的数学模型。采用Polyflow软件,基于叠加网格技术,对两种螺杆造型端面内的周期性流动和混合情况进行数值模拟。将粒子示踪技术及分离尺度相结合,研究了流场内分布混合能力;将分散准数与剪切速率相结合,表征了流场的分散混合能力。当两组螺杆单位时间转过的总圈数一致时,螺杆转速比为2∶3的组合混合能力稍优于转速比为2∶1的组合。

新型非对称同向双螺杆挤出机内混沌混合表征

提出了全新的同向自洁双螺杆非对称造型新概念。给出了转速比为2∶1的2根螺杆的端面造型和运动关系并建立了数学模型。以符合Carreav定律的流体为加工对象,采用Polyflow软件的叠加网格技术,分别对新型非对称双螺杆和传统双螺杆端面内的周期性二维流动和混合进行数值模拟研究。采用粒子追踪技术,对混合过程进行了动力学行为表征,证实了新型非对称螺杆内混沌混合的存在。通过统计学分析,得出累积分散准数和拉伸长度,分析了新型非对称双螺杆和传统双螺杆的混合行为差异。

自洁型非对称同向双螺杆挤出机混合分析

设计了自洁型非对称同向双螺杆,并采用实验研究及数值模拟方法分析其混合特性。采用活性纳米CaCO3(nano-CaCO3)填充线形低密度聚乙烯(PE-LLD)的体系进行实验研究,在挤出量一定的前提下分别在自洁型非对称同向双螺杆挤出机以及普通同向双螺杆挤出机上造粒,通过扫描电子显微镜观察产品中nano-CaCO3分布情况。结果表明,非对称双螺杆挤出PE-LLD/nano-CaCO3复合材料中nano-CaCO3分布较为均匀,粒径尺寸更小,具有明显的增韧效果,这与数值模拟结果一致。

新型非对称同向自洁型双螺杆混合过程模拟表征

介绍了新型非对称同向自洁型双螺杆端面造型特点及运动关系,建立了转速比为2/1的两根螺杆端面造型的物理模型。基于准静态假设,采用叠加网格技术,借助商用Polyflow软件,分别对新型非对称双螺杆和传统双螺杆端面内的周期性二维流动和混合进行数值模拟研究。以分散准数为指标,进行了静态混合及动力学行为表征。通过粒子示踪技术,得出累积分散准数和最大分散准数,分析新型非对称双螺杆和传统双螺杆的二维流场混合行为的差异,进一步探索螺杆造型对混合过程的影响规律。

对称啮合双螺杆式3D食品挤出机构的设计

为解决3D食品打印机存在打印容量小、不能连续加料和挤出效率低等问题,提出一种新型对称啮合双螺杆式3D食品挤出机构。该机构采用双螺杆对称放置的结构方案,通过啮合双螺杆异向旋转的挤压作用力输送物料;利用ABAQUS有限元分析软件对部分关键挤出流道进行流动应力分析,验证方案设计的合理性;并搭建3D打印实验平台进行实验测试,实验结果表明该新型对称啮合双螺杆式3D食品挤出机构具有可连续打印、挤出量大和运行平稳等优点。

差速双螺杆非充满输送粘弹流体的可视化

给出了一种新型同向非对称双螺杆结构,2根螺杆的转速比为2∶1。为探索其物料流动以及混合特性,研制了全程可视化新型实验样机。采用一种常温粘弹性流体羧甲基纤维素钠着色后,观察流体在可视化设备中流动以及混合过程。采用4台摄像机采集挤出过程图片,提取图像关键尺寸后计算得到填充度,建立法向分布尺寸和填充度的关系模型。采用电导率法测定物料在各工况下的停留时间,考察了螺杆转速对物料轴向混合的影响。首次捕捉到新型双螺杆在非充满情况下的流动图像,发现上下啮合区及远离啮合区的非对称现象存在及单头螺槽内料陇的拉伸作用。