串联式磨盘螺杆挤出机混合过程的研究

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1、第34卷第4期渤海大学学报(自然科学版)Vo1．34．No．42013年12月JournalofBohaiUniversity(NaturalScienceEdition)Dee．2013串联式磨盘螺杆挤出机混合过程的研究庄园园，李翱，毕超，梁家源(北京化工大学机电工程学院，北京100029)摘要：采用网格重叠技术(MST)生成串联式磨盘螺杆挤出机混炼段的有限元网格，对物料在混炼段流场中的动态混合过程进行了模拟，研究了物料粒子的运动轨迹和混合过程；采用流体动力学分析软件POLYFLOW模拟混炼过程，选取停留时间和最大剪切应力作为量化指标，分析和评

2、价了该挤出机混炼段的物料混合性能．研究发现物料在串联式磨盘螺杆挤出机混炼段的停留时间较长，分布范围较广，有利于物料的分散混合和分布混合，得到性能稳定的产品．关键词：串联式磨盘螺杆挤出机；混合性能；停留时间；最大剪切应力中图分类号：TQ320．663文献标志码：A文章编号：1673—0569(2013)03—0407—050引言串联式磨盘螺杆挤出机是北京化工大学自主设计研发的一种新型、高效混炼设备，它将单螺杆挤出机和盘式挤出机合理组合在一起，获得了优良混炼效果lJ．该挤出机磨盘有菊形、扇形和臼目形三种结构，根据需要选取不同磨盘结构、改变磨盘几何参数

3、或调整动、定磨盘间隙，可加工不同材料，从而扩大了串联式磨盘螺杆挤出机的应用领域．串联式磨盘螺杆挤出机的核心部件是磨盘，物料在动、定磨盘之间受到强烈的剪切、压缩和置换作用，使混炼效果大大提高]．目前，对串联式磨盘螺杆挤出机混炼性能的研究主要集中于物料混炼过程的瞬态流场状态的分析，很少涉及物料在流动过程中的变形和受力情况．此外，仅利用某一位置物料瞬时流场状态来评价串联式磨盘螺杆挤出机的混炼效果存在很大局限性。．为了更好地研究串联式磨盘螺杆挤出机中物料的混炼过程，本文在物料混炼瞬态流场分析基础上，对物料在混炼段的动态混合情况进行模拟，使用粒子示踪法观察

4、聚合物熔体在串联式磨盘挤出机混炼段内的动态混合过程，通过研究物料在混炼段的停留时间和所受到的最大剪切应力，对该挤出机混炼段的物料混合性能进行较为客观的分析和评价．1物理模型本文采用网格重叠技术(MST)生成串联式磨盘螺杆挤出机混炼段的有限元网格，由于动、定盘上开有凹槽，结构比较复杂，选用四面体网格；而流道结构规则，选用六面体网格．为了提高计算精度，细化网格，本文选取动、定盘的一半作为模拟对象，图1为定盘、流道和动盘的有限元网格．2数学模型收稿日期：2013—06—15．基金项目：国家863计划项目(No：2012AA040306)．作者简介：庄园

5、园(1988一)，女，北京化工大学在读研究生，主要从事聚合物混炼机理和数值计算模拟方面研究通讯作者：zhuangyy—sun@163．tom．41O渤海大学学报(自然科学版)第34卷3．3停留时间物料在混炼段的停留时间可反映串联式磨盘螺杆挤出机轴向分布混合效果，停留时间过长，说明物料在混炼段滞留时间过长，物料易发生降解；停留时间过短，物料未经充分混合就已从机头挤出，混合效果不佳．图4和图5分别为物料停留时间概率曲线和停留时间概率密度曲线，由图4可见，超过80％的粒子停留时间在15s以上，t=3s左右时就有粒子从出口流出(如图5所示)，粒子在混炼段

6、的最大停留时间约为48s．串联式磨盘挤出机的磨盘端面开有特殊形状的凹槽，并且凹槽数量较多，物料在凹槽里主要发生置换作用，磨盘特殊的结构延长了物料在混炼段的停留时间．由以上分析可知：物料在串联式磨盘螺杆挤出机混炼段停留时间较长，有利于物料的轴向分布混合．1．O0．8O．6祷鞋0．4O．2O．O0lO20304050停留时间／s图4物料在混炼段的停留时间概率曲线O．25O．2O0．15档碍0．10O．O50．0OUl0ZU3U4050停留时间／s图5物料在混炼段的停留时间概率密度曲线3．4最大剪切应力聚合物在流场不同位置所受剪切作用大小是不同的，磨盘

7、间隙处物料所受到的剪切作用较大，凹槽内所受到的剪切作用较小．串联式磨盘挤出机的显著优势是分散混合性能优越，加工的制品可以达到纳米级水平，而剪切应力对物料分散混合具有重要作用．考察物料在混合过程中所受到的最大剪切应力，图6和图7分别为物料受到的最大剪切应力概率曲线和最大剪切应力概率密度曲线，可以看到：大多数粒子在混炼段受到的剪切作用较强，剪切作用主要发生在动、定磨盘凸面间隙处；最大剪切应力的最小值约为80KPa，最大值约为275KPa；剪切应力值分布范围较广，其中80％以上粒子受到的最大剪切应力大于150KPa，大多数粒子通过高剪切区(动、定盘凸面

8、的问隙处)，因此物料受到的剪切作用较大，说明串联式磨盘挤出机分散混合性能优越．第4期庄园园，李翱，毕超，梁家源：串联式磨盘螺杆挤出机混合