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。

非对称同向双螺杆挤出机加工PP／HDPE／POE共混复合材料的研究

首先分别采用两种不同的同向双螺杆挤出机(新型非对称同向双螺杆挤出机以及传统双螺杆挤出机),制备了聚丙烯/高密度聚乙烯(PP/HDPE)共混复合材料,通过试样力学性能以及微观结构形貌对其加工过程进行了表征。然后采用新型非对称同向双螺杆挤出机进一步制备出了PP/聚烯烃弹性体(POE)、PP/HDPE/POE共混复合材料,分析了HDPE及POE用量对复合材料力学性能的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察了共混复合材料的表面微观结构形貌。结果表明:新型非对称同向双螺杆挤出机具备更好的分布、分散混合能力,所加工共混复合材料的分散相颗粒粒径分布更加集中,粒径也更小;HDPE和POE对PP有良好的协同增韧作用,当PP、HDPE、POE的质量比为68:17:15时,PP/HDPE/POE共混体系的综合性能最佳。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

MWNTs对PP/MWNTs导热复合材料性能影响

利用新型非对称同向双螺杆挤出机制备聚丙烯(PP)/多壁碳纳米管(MWNTs)导热复合材料。研究了不同MWNTs含量对该复合材料热学及力学性能的影响。结果表明,该复合材料的热导率、缺口冲击强度及断裂伸长率均呈先增后减趋势。与纯PP相比,当MWNTs含量为6份时,导热复合材料热导率可提高123%;当MWNTs含量为4份时,导热复合材料最大分解速率温度可提高4.8%,热稳定性得到有效改善但存有较为明显的突变特性;当MWNTs含量为2份时,导热复合材料缺口冲击强度可提高13.7%;随着MWNTs含量的增加,观察导热复合材料微观断面形貌表明,含量增加整体团聚尺度趋于增大,团聚量也呈增多趋势。

PP/石墨/Al_2O_3导热复合材料的制备及性能

选择粒径为15μm鳞片石墨(FG)和3μm Al2O3混杂导热填料,采用新型同向非对称双螺杆挤出机,当Al2O3质量分数为20%时,改变FG的质量分数,制备PP/FG/Al2O3导热复合材料,研究混沌混合加工对导热复合材料性能的影响。结果表明,随着FG含量的增加,导热复合材料的拉伸强度和弯曲强度均呈现先增大后减小的趋势,而断裂伸长率、冲击强度逐渐减小,弯曲弹性模量逐渐增大,加工流动性能变差。当FG质量分数为40%时,导热复合材料的拉伸强度和弯曲强度有最大值,分别为32.76,46.88 MPa;抵抗热变形能力和热稳定性能逐渐提高,热导率逐渐增大。当FG质量分数为50%时,维卡软化温度提高7.2℃,负载变形温度提高38.6℃,最大分解速率温度提高13.7℃,热导率是未填充FG的6.6倍、纯PP的7.9倍。制备的导热复合材料具有优异的力学、耐热、导热性能。