新型差速双螺杆混炼机最优型线设计参数研究

提出一种可对高黏度物料进行输送、混合及塑化作用的新型双螺杆挤出混炼机构——差速双螺杆挤出混炼机。利用双螺杆泵的设计思想及空间啮合原理建立差速双螺杆挤出混炼机的型线设计方法与数学模型。对差速双螺杆挤出混炼机组成齿型线设计参数进行分析,研究了中心距以及头数比变化对容积效率的影响,研究结果表明:当双螺杆转子组成齿型线的阴阳转子螺棱部分采用摆线时可以获得最佳输送及自清理效果。对剪切捏合性能进行研究,推导出剪切捏合性能最优的安装中心距的计算式。给出组合性能最优的阴阳转子螺旋副组成齿型线参数方程及设计实例。

差速双螺杆挤出机二维端面流场及混合模拟

介绍了差速双螺杆挤出机的特点,应用Polyflow软件对差速双螺杆挤出机端面进行了二维流场及混合模拟。并且将差速比4∶1、5∶1以及异向同速双螺杆的端面流场及混合效果进行了对比分析。模拟结果显示:差速双螺杆的切面混合效果好于同速双螺杆,且随差速比增大而略有改善;而差速比4∶1的剪切速率和拉伸速率大于5∶1的。由此可见,设计挤出机时要综合考虑混合和塑化两方面效果选择差速比。

差速双螺杆挤出机流场分析

应用Polyflow软件对差速双螺杆挤出机螺槽内流动进行了模拟分析。差速比增大使轴向混合效果增强(体现在剪切速率、拉伸速率以及混合指数的平均值增大),横断面内剪切速率和拉伸速率变化范围减小。

差速双螺杆挤出机三维流动仿真分析

应用Polyflow软件对差速双螺杆挤出机螺槽内流动进行了三维模拟和混合效果分析。模拟结果显示,从剪切速率、拉伸速率以及混合指数的大小和分布上,差速比为5∶1的轴向混合略好于差速比为4∶1的。

一种差速双螺杆非充满熔体输送模型

自主研制了可切换螺杆转速比的机筒全程透明的同向双螺杆挤出仪器,可分别进行等速及差速双螺杆挤出可视化实验研究。制备了羧甲基纤维素钠溶液作为加工流体,观察不同计量加料情况下,螺杆构型及双螺杆转速对流体输送行为的影响,提出了全新的包括正位移和拖曳流的部分充满流体输送模型。实验表明,在非充满情况下,流体输送的拓扑路线不同,与等速双螺杆相比,物料在差速双螺杆左右螺槽内充满度存在非对称现象,上下啮合区存在较大的堆积现象。2种螺杆构型输送机理相似,均存在拖曳流、正位移输送及螺杆机筒间隙漏流。在非充满情况下,初步建立了差速同向自洁双螺杆的流体输送解析理论,得到了不同情况下充满度计算公式。当产量一定时,随着螺杆转速的增加,螺槽充满度下降,漏流增大,拖曳流量减少,而正位移量增加。

差速双螺杆混炼机非对称流场引发混沌混合特性

差速双螺杆混炼机具有转子几何结构和转速的非对称性,将产生非对称流场,是诱发混沌混合的源驱动力。基于网格叠加技术,采用有限元法对三种差速双螺杆混炼机端面流体流动进行数值模拟。利用Poincaré映射、平均对数线拉伸率、粒子束分布指数、平均混合效率和位移频谱曲线等研究了差速双螺杆混炼机非对称流场诱发的混沌混合特性。结果表明,随着差速比的增大,差速双螺杆混炼机流体的位移频谱成分愈加丰富,增大了流体从一根转子流向另一根转子的概率,强化了非对称流场的混沌混合。

同向差速双螺杆摄动环元件作用下分散混合性能

针对转速比为1∶2的同向差速双螺杆,提出了一种新型摄动环元件强化分散混合。在自行研制的可视化实验样机上,开展等速双螺杆和差速双螺杆挤出实验研究。采用浓度为1.5%的羧甲基纤维素钠溶液作为模拟的黏弹流体,注入红色油性色浆模拟不相容示踪液滴,出口采用与挤出速度同步的拉膜法采集实验流体,使用高速高精度相机记录混合过程和出口薄膜上的混合图像。针对不同螺纹构型、不同转速及不同示踪剂初始位置,在螺槽全充满输送情况下,研究混合过程和出口示踪剂液滴分散混合。可视化实验结果表明,两种螺纹构型具有相似的示踪液滴破裂机制,液滴经过螺棱与机筒间隙时,在缩颈作用下实现大尺度分离;新型差速摄动环元件在上下啮合区存在不对称的台阶结构,折叠拉伸现象更加显著。即使摄动环元件转速比传统双螺杆低,新型摄动环元件仍然具有更优异的分散混合能力,而且转速越高,液滴分散混合的优势越显著。摄动环元件同样表现出混合对初始位置的敏感性,从单头螺杆位置出发的示踪剂液滴分散更均匀。

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。

新型同向差速摄动环双螺杆制备PP/ABS复合材料

为克服捏合块在双螺杆挤出加工中的刮擦生热和自洁功能差等缺陷,进一步提升高分子材料熔融混合效率,自主研制了一种新型摄动环元件。采用该螺纹元件对转速比为2∶1的同向差速双螺杆排气段上游螺纹组合进行改造,改造长度分别占螺杆总长的7%和16%。采用不同的螺杆转速和喂料量制备了一系列聚丙烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(PP/ABS)复合材料,对其相形态和力学性能进行了研究。结果表明:当摄动环元件占螺杆总长16%且无捏合块时,所制备的PP/ABS复合材料中的分散相在低频喂料的低速区和高频喂料下具有最小的粒径且均匀分布。2种螺纹结构所制备的复合材料力学性能受工况的影响较小。

一种新型差速同向双螺杆挤出机

同向双螺杆挤出机是重要的配混加工设备,尤其在高分子材料制备过程中起到关键作用。为引入混沌混合和拉伸场,本文提出了一种新型差速同向双螺杆的新概念。介绍了具有自洁功能的差速双螺杆几何学。针对螺杆转速比为2:1的螺杆结构进行了一系列研究。在螺纹元件全充满状态下,有限元数值模拟研究揭示了流体的输运和混炼过程。借助机筒剖分结构及全透明机筒,开展了加工过中非充满及充满情况下静态及动态可视化研究,探索新型螺杆的熔融机理和输送过程的非对称效应。选择了纳米碳酸钙填充LLDPE体系及不相容PP/TPU共混体系,进一步进行材料制备研究,对比了差速双螺杆与传统同向双螺杆混炼能力。

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。

混沌场下扩链改性PBAT对PBAT/TPS/OMMT复合材料的影响

近年来,聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性淀粉/有机蒙脱土(PBAT/TPS/OMMT)可降解材料受到广泛关注。然而,传统双螺杆加工技术会导致物料降解,且难以实现OMMT的良好剥离。为提高其力学性能,使用ADR-4468对PBAT进行扩链改性,采用摄动环差速双螺杆挤出机熔融挤出制备含有不同含量改性PBAT(A-PBAT)的PBAT/TPS/OMMT,分析A-PBAT含量对复合材料微观结构、流变特性、相容性、吸水性与力学性能的影响规律。结果表明:扩链剂有效提高了PBAT的力学性能,差速双螺杆可良好剥离OMMT,并使TPS均匀分散分布于PBAT中。随着A-PBAT含量的提高,TPS从连续相向分散相转变,复合材料吸水性逐渐降低,拉伸强度逐渐提高,在A-PBAT质量分数为60%时达到最大,断裂伸长率轻微降低。20%的A-PBAT可有效提高TPS和PBAT的相容性。