杜遙雪，石紹偉，杜思瑩,張賢寶，殷小春

(1.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門(mén) 529020； 2.震德塑料機(jī)械有限公司，廣東佛山 528300；3.華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，廣州 510640)

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新型混煉組件加工聚合物混合性能模擬對(duì)比*

杜遙雪1，石紹偉1，杜思瑩1,張賢寶2，殷小春3

(1.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門(mén) 529020； 2.震德塑料機(jī)械有限公司，廣東佛山 528300；3.華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，廣州 510640)

摘要：以聚碳酸酯(PC)為模擬材料，分別采用復(fù)合組件和屏障組件，應(yīng)用聚合物流體動(dòng)力學(xué)軟件Polyflow，對(duì)這兩種新型混煉組件加工聚合物的混合性能進(jìn)行模擬與對(duì)比分析。結(jié)果表明，復(fù)合組件和屏障組件的流場(chǎng)都以拉伸作用為主，復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)的最大拉伸強(qiáng)度要高于屏障組件；復(fù)合組件流場(chǎng)中粒子受到的最大剪切速率相對(duì)比較小，最大剪切速率主要集中在小于400 s-1的區(qū)域，在最大剪切速率大于400 s-1的區(qū)域，屏障組件內(nèi)流場(chǎng)受到的剪切作用強(qiáng)度要略高于復(fù)合組件；復(fù)合組件和屏障組件的分布混合性能相差不大，屏障組件對(duì)物料的拉伸作用要強(qiáng)于復(fù)合組件，分散混合效果更好，復(fù)合組件對(duì)物料的混合效率要好于屏障組件。

關(guān)鍵詞：新型混煉單元；混合性能；混合指數(shù)；剪切速率；混合效率

聯(lián)系人：杜遙雪，教授，主要從事聚合物成型加工CAD/CAE研究

螺桿的性能對(duì)注塑機(jī)生產(chǎn)的注塑件質(zhì)量有著重要影響。普通螺桿注塑機(jī)一般都是采用變根徑的三段式螺桿，由一條變節(jié)距或不變節(jié)距的螺紋組成，能夠生產(chǎn)質(zhì)量要求不高的注塑件，但對(duì)于要求較高的注塑件，或者對(duì)產(chǎn)品性能有特殊要求的注塑件，例如與LED照明燈具相關(guān)的對(duì)透光性要求較高的配光器件、對(duì)傳熱性要求較高的散熱器件等，普通螺桿很難加工出高質(zhì)量的有較高要求的產(chǎn)品，這主要是普通螺桿對(duì)于物料的混煉塑化能力具有局限性[1–4]。為改善這種狀況，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者紛紛開(kāi)展了大量研究工作。瞿金平院士和殷小春教授[5–6]發(fā)明了基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運(yùn)方法，通過(guò)屏障單元和葉片單元實(shí)現(xiàn)聚合物加工過(guò)程的正位移輸送，在流道內(nèi)以拉伸形變機(jī)理使聚合物熔體塑化熔融。徐百平教授[7]將混沌動(dòng)力學(xué)的概念引入聚合物塑化混合加工過(guò)程中，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的混沌狀態(tài)進(jìn)行深入研究，在普通單螺桿基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出多副螺棱結(jié)構(gòu)的混沌單元，具有塑化混合效率高、能耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。蔣志堅(jiān)等[8]發(fā)明了一種注塑機(jī)及其塑化組件，該塑化組件的螺桿頂端設(shè)有一復(fù)合式混煉頭，由混煉部和分流部構(gòu)成，可以改善混煉效果，提高注塑品質(zhì)。

通過(guò)眾多學(xué)者與工程技術(shù)人員的不懈努力，使得聚合物加工過(guò)程中的塑化混合質(zhì)量得到提升。然而，針對(duì)不同材料尤其是專(zhuān)用器件的加工，不同構(gòu)型單元的加工性能還需要進(jìn)一步具體分析，特別是用于LED配光器件的聚碳酸酯(PC)材料，其在注射成型加工過(guò)程中的塑化混合效果，直接決定LED配光器件的光學(xué)性能和LED產(chǎn)品的質(zhì)量[9–10]。普通螺桿用來(lái)加工LED配光器件時(shí)的效果不理想，主要是其對(duì)PC材料的塑化混合效果不好。為了改善這一狀況，筆者以PC為模擬材料，分別采用兩種新型的復(fù)合組件和屏障組件，其中復(fù)合組件由兩種不同構(gòu)型的混煉元件構(gòu)成，而屏障組件由兩個(gè)屏障元件構(gòu)成，應(yīng)用聚合物流體動(dòng)力學(xué)軟件Polyflow，選取混合指數(shù)、剪切速率、分離尺度、拉伸速率、混合效率進(jìn)行表征，對(duì)新型混煉組件加工聚合物的塑化和混合性能進(jìn)行模擬與對(duì)比分析，從而為這些新型混煉組件在LED配光器件材料注射成型加工設(shè)備中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1　物理模型及網(wǎng)格劃分

為了對(duì)比兩種新型混煉組件的塑化和混合性能，取兩種組件的外徑均為35 mm，總長(zhǎng)度為70 mm，每種混煉組件均由兩個(gè)結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為32.5 mm，兩個(gè)結(jié)構(gòu)中間有一光滑的環(huán)形槽，長(zhǎng)度為5 mm。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，兩種新型混煉組件均采用空心結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑均為27 mm。兩種新型混煉組件的流道大小與結(jié)構(gòu)相同，均為環(huán)形柱體，內(nèi)徑為31 mm，外徑為35.5 mm，長(zhǎng)度為70 mm。利用Polyflow網(wǎng)格疊加技術(shù)劃分網(wǎng)格，如圖1所示，兩種新型混煉組件采用四面體網(wǎng)格，流道采用六面體網(wǎng)格，為使模擬結(jié)構(gòu)更加接近實(shí)際生產(chǎn)效果，沿著流道外層邊界設(shè)置3層邊界層。

圖1　網(wǎng)格模型

2　數(shù)學(xué)模型

模擬計(jì)算時(shí)采用Bird-Carreau本構(gòu)模型，表征聚合物熔體黏度的方程為：

式中：η∞為無(wú)窮大剪切速率黏度，Pa·s；η0為零剪切黏度，Pa·s；λ為松弛時(shí)間，s；n為非牛頓指數(shù)，為剪切速率，s-1。模擬選用PC材料，取

采用軟件Polyflow模擬時(shí)，設(shè)置新型混煉組件轉(zhuǎn)速為60 r/min，入口處體積流率為3×10-6m3/ s，出口處壓力為5 MPa。為模擬計(jì)算方便，作出如下假設(shè)：(1)聚合物熔體為在流道內(nèi)完全充滿(mǎn)的等溫不可壓縮非牛頓流體；(2)重力及慣性力的影響忽略不計(jì)；(3)新型混煉組件與機(jī)筒壁面之間沒(méi)有漏流現(xiàn)象；(4)聚合物熔體在邊界處不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1混合指數(shù)

物料的混合主要為分散混合和分布混合兩種形式，其中分散混合主要受拉伸作用和剪切作用的影響，而研究已經(jīng)表明拉伸作用比剪切作用更有利用于提高分散混合效果。為了便于比較混合容器內(nèi)拉伸作用和剪切作用對(duì)物料的分散混合作用狀況，引入了混合指數(shù)。從新型混煉組件的入口開(kāi)始，每隔5 mm做一個(gè)切片，直至出口處截止，入口至出口之間共有13個(gè)切片。然后分別作出兩種新型混煉組件內(nèi)聚合物熔體在一系列切片上的混合指數(shù)分布云圖，如圖2所示。

圖2　混合指數(shù)分布

由圖2可以看出，兩種新型混煉組件內(nèi)聚合物熔體的混合指數(shù)均以大于0.5的區(qū)域?yàn)橹?，其中?fù)合組件內(nèi)聚合物熔體的最大混合指數(shù)為0.678 2，大于屏障組件內(nèi)聚合物熔體的最大混合指數(shù)，屏障組件內(nèi)聚合物熔體的最大混合指數(shù)為0.660 7。此外，復(fù)合組件內(nèi)聚合物熔體的混合指數(shù)分布不均，在接近入口結(jié)構(gòu)內(nèi)的混合指數(shù)要明顯高于接近出口的，而屏障組件內(nèi)的混合指數(shù)分布比較均勻。因此，兩種新型混煉組件內(nèi)的流場(chǎng)都以拉伸作用為主，而復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)的最大拉伸強(qiáng)度要高于屏障組件內(nèi)流場(chǎng)的。復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)的拉伸作用強(qiáng)度分布不均，從入口方向看，入口內(nèi)的拉伸作用強(qiáng)度高于出口內(nèi)的，而屏障組件內(nèi)流場(chǎng)的拉伸作用強(qiáng)度分布較均勻。

3.2最大剪切速率

最大剪切速率主要影響流場(chǎng)內(nèi)的剪切作用，從而影響物料的混合效果。剪切作用主要影響物料的分散混合，所以最大剪切速率影響的也是物料的分散混合。一般來(lái)說(shuō)，流場(chǎng)中粒子受到的最大剪切速率越大，物料的分散混合效果越好。圖3為兩種新型混煉組件流場(chǎng)中粒子的累積最大剪切速率曲線(xiàn)。由圖3可以看出，復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)相對(duì)于屏障組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)略偏左，這說(shuō)明復(fù)合組件流場(chǎng)中粒子受到的最大剪切速率相對(duì)比較小。圖4為最大剪切速率概率密度曲線(xiàn)。由圖4也可以看出，復(fù)合組件流場(chǎng)中粒子受到的最大剪切速率主要集中在小于400 s-1的區(qū)域，而屏障組件流場(chǎng)中粒子受到的最大剪切速率分布范圍比較寬且相對(duì)分散，在最大剪切速率大于400 s-1的區(qū)域，屏障組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)始終在復(fù)合組件對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的上方，這說(shuō)明在最大剪切速率大于400 s-1時(shí)，屏障組件流場(chǎng)中粒子數(shù)要多于復(fù)合組件流場(chǎng)中的粒子數(shù)。因此，屏障組件內(nèi)流場(chǎng)受到的剪切作用強(qiáng)度要略高于復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)受到的剪切作用強(qiáng)度。

圖3　累積最大剪切速率

圖4　最大剪切速率概率密度

3.3分離尺度

分離尺度是評(píng)價(jià)分布混合性能的重要指標(biāo)之一，用來(lái)度量組分未分開(kāi)部分的大小。分離尺度越小，表明分布混合效果越好。分離尺度減小到粒子的最終尺度的狀態(tài)，是混合的最佳狀態(tài)。圖5是兩種新型混煉組件內(nèi)流場(chǎng)粒子的分離尺度沿軸向位置變化曲線(xiàn)。由圖5可以看出，在開(kāi)始一段距離內(nèi)，復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)下降迅速，接著有一點(diǎn)波動(dòng)，波動(dòng)說(shuō)明有粒子團(tuán)聚現(xiàn)象，不利于物料的混合，而屏障組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)下降趨緩。兩條曲線(xiàn)在軸向位置30 mm之后的距離內(nèi)基本趨于平緩，且兩條曲線(xiàn)的波動(dòng)次數(shù)差不多，在軸向位置為70 mm時(shí)，兩條曲線(xiàn)都下降到最小值，幾乎重合。整體上看，兩條曲線(xiàn)下降到同一個(gè)水平，兩種新型混煉組件的分布混合性能相差不大，但是復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)波動(dòng)相對(duì)較多些，所以復(fù)合組件流場(chǎng)中粒子團(tuán)聚現(xiàn)象比較多。

圖5　各軸向位置處的分離尺度變化

3.4拉伸速率

拉伸速率主要通過(guò)影響新型混煉組件對(duì)物料的拉伸作用，從而對(duì)物料的混合產(chǎn)生重要影響。由于拉伸作用比剪切作用對(duì)物料混合的影響更大，所以拉伸速率是評(píng)價(jià)混合效果好壞的重要指標(biāo)之一。圖6是在各軸向位置處平均拉伸速率的變化曲線(xiàn)。

圖6　各軸向位置處的拉伸速率變化

由圖6可以看出，在0～10 mm的軸向位置開(kāi)始一段距離內(nèi)，復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的拉伸速率曲線(xiàn)高于屏障組件對(duì)應(yīng)的拉伸速率曲線(xiàn)，而在10～70 mm的軸向位置內(nèi)，復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的拉伸速率曲線(xiàn)基本都在屏障組件對(duì)應(yīng)的拉伸速率曲線(xiàn)下方，其中在50～60 mm的距離內(nèi)復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的拉伸速率曲線(xiàn)略高于屏障組件對(duì)應(yīng)的拉伸速率曲線(xiàn)。因此，復(fù)合組件在開(kāi)始一小段軸向距離內(nèi)對(duì)物料的拉伸作用要強(qiáng)于屏障組件對(duì)物料的拉伸作用，這與兩種新型混煉組件的混合指數(shù)分布云圖中，復(fù)合組件在物料入口附近的混合指數(shù)比屏障組件對(duì)應(yīng)的混合指數(shù)略大相吻合。但從整體上看，屏障組件對(duì)物料的拉伸作用要強(qiáng)于復(fù)合組件對(duì)物料的拉伸作用，分散混合效果更好。

3.5混合效率

用混合效率來(lái)表征混合過(guò)程主要通過(guò)面伸展瞬態(tài)混合效率和時(shí)間平均混合效率來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中時(shí)均混合效率是面伸展瞬態(tài)混合效率在時(shí)間0～t (t是物料流經(jīng)過(guò)流道所需的時(shí)間)上的算術(shù)平均值。瞬態(tài)混合效率的取值范圍在–1～1之間，正值表示物料受拉伸作用面積伸展，負(fù)值表示受壓縮作用面積壓縮，等于0時(shí)物料既不受拉伸作用也不受壓縮作用，混合效果最差。

圖7是兩種新型混煉組件對(duì)物料的瞬態(tài)混合效率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖7可以看出，兩種新型混煉組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)均不在瞬態(tài)混合效率為0的附近變化，這說(shuō)明兩者對(duì)物料的混合過(guò)程都比較好。在0～23 s內(nèi)復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)混合效率曲線(xiàn)始終在屏障組件對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)混合效率曲線(xiàn)上方，而在23 s之后的一段時(shí)間，復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)下降到屏障組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)下方，這說(shuō)明0～23 s內(nèi)復(fù)合組件內(nèi)物料的瞬態(tài)混合過(guò)程要比屏障組件內(nèi)物料的瞬態(tài)混合過(guò)程好，23 s之后則相反，但相差不大。

圖7 兩種新型混煉組件對(duì)物料的瞬態(tài)混合效率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖8是兩種新型混煉組件對(duì)物料的時(shí)均混合效率隨軸向位置變化曲線(xiàn)。由圖8可以看出，復(fù)合組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)始終在屏障組件對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)上方，這說(shuō)明在模擬的一段時(shí)間內(nèi)，復(fù)合組件對(duì)物料的時(shí)均混合效率好于屏障組件的。綜合圖7和圖8可以得出，復(fù)合組件對(duì)物料的混合效率要好于屏障組件對(duì)物料的混合效率，其原因主要是復(fù)合組件對(duì)應(yīng)流道內(nèi)粒子的停留時(shí)間長(zhǎng)，物料受到的剪切作用和拉伸作用的時(shí)間也長(zhǎng)，這在物料受到的剪切作用和拉伸作用有差別但不太大時(shí)影響非常大。

圖8　兩種新型混煉組件對(duì)物料的時(shí)均混合效率隨軸向位置變化曲線(xiàn)

4　結(jié)論

(1)復(fù)合組件和屏障組件的流場(chǎng)都以拉伸作用為主，復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)的最大拉伸強(qiáng)度要高于屏障組件內(nèi)流場(chǎng)的最大拉伸強(qiáng)度，復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)的拉伸作用強(qiáng)度分布不均，而屏障組件內(nèi)流場(chǎng)的拉伸作用強(qiáng)度分布比較均勻。

(2)復(fù)合組件流場(chǎng)中粒子受到的最大剪切速率相對(duì)比較小，最大剪切速率主要集中在小于400 s-1的區(qū)域，在最大剪切速率大于400 s-1的區(qū)域，屏障組件內(nèi)流場(chǎng)受到的剪切作用強(qiáng)度要略高于復(fù)合組件內(nèi)流場(chǎng)受到的剪切作用強(qiáng)度。

(3)復(fù)合組件和屏障組件的分布混合性能相差不大，復(fù)合組件流場(chǎng)中粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象比較多，屏障組件對(duì)物料的拉伸作用要強(qiáng)于復(fù)合組件對(duì)物料的拉伸作用，分散混合效果更好，復(fù)合組件對(duì)物料的混合效率要好于屏障組件對(duì)物料的混合效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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Comparison of Polymer Mixing Properties Processed by Novel Blending Subassembly

Du Yaoxue1， Shi Shaowei1， Du Siying1， Zhang Xianbao2， Yin Xiaochun3
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuyi University， Jiangmen 529020， China； 2. ChenDe Plastics Machinery Co.Ltd.， Foshan 528300，China； 3. National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China)

Abstract：Polymer mixing properties processed by two kinds of novel blending subassembly，namely composite subassemblyand barrier subassembly were simulated and compared through using Polyflow as polymer fluid dynamic software and polycarbonate (PC) as simulating material. The results show that flow field of composite subassembly and barrier subassembly is mainly tensile action，and maximum tensile strength of flow field in composite subassembly is higher than that in barrier subassembly. Maximum shearing rate in flow field of composite subassembly is relatively small and mainly concentrated in the region of smaller than 400 s-1. In the region of larger than 400 s-1，shearing strength of flow field in barrier subassembly is higher slightly than that in composite subassembly. Distribution mixing performance in composite subassembly and barrier subassembly is similar，tensile action and dispersive mixing effect in barrier subassembly are stronger than those in composite subassembly，and mixing efficiency in composite subassembly is better than that in barrier subassembly.

Keywords：novel blending subassembly；mixing properties；mixing index；shearing rate；mixing efficiency

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539(2016)04-0074-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.017

收稿日期：2016-01-30

*廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2013B090600066，2013B090600123)