時俊峰 黃志剛 蔣衛(wèi)鑫 李夢林 張宏建

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

聚乳酸在嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)機(jī)頭過渡體的流場研究

時俊峰 黃志剛 蔣衛(wèi)鑫 李夢林 張宏建

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

采用PALYFLOW軟件數(shù)值模擬聚乳酸(PLA)在長徑比為44∶1的試驗(yàn)用小型嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)機(jī)頭過渡體的三維等溫流場。在不同的工藝參數(shù)下，分析比較了過渡體內(nèi)的速度場、壓力場、剪切速率場和黏度場。結(jié)果表明：在適當(dāng)溫度下，增加螺桿轉(zhuǎn)速與增加流量都可以提高流場效果，但與螺桿速度的增加相比，熔體流量的增加更有益于提高整個機(jī)頭過渡體流場的混合與塑化效果，增加PLA成品的質(zhì)量。

聚乳酸；雙螺桿擠出機(jī)；機(jī)頭過渡體；流場模擬

近年來，可生物降解材料逐漸成為當(dāng)前研發(fā)的熱點(diǎn)[1-2]，聚乳酸(PLA)就是其中的一個代表。PLA作為一種具有良好的生物相容性、降解性和機(jī)械性能的脂肪族聚酯，可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及包裝材料領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。至今為止，作為已經(jīng)規(guī)模化的可生物降解塑料PLA全球年產(chǎn)能已達(dá)到15萬t左右[4-6]。雙螺桿擠出機(jī)作為一種主流的使材料進(jìn)行連續(xù)混合的設(shè)備,目前成為聚合物加工工業(yè)中的主要手段。20世紀(jì)70年代末，在所有擠出機(jī)中雙螺桿擠出機(jī)的占比達(dá)到了40%[7]。

雙螺桿擠出機(jī)機(jī)頭過渡體是螺桿機(jī)筒與模頭之間的連接段[8]，它可以把螺桿輸送來的塑料熔體，從螺旋運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，如果雙螺桿擠出機(jī)不設(shè)置過渡階段，螺旋運(yùn)動可能在模頭擠出之前熔體一直持續(xù)螺旋運(yùn)動從而導(dǎo)致擠出物變形，而通過機(jī)頭過渡體腔的過渡作用，使塑料熔體進(jìn)一步塑化均勻，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量。本研究擬通過對PLA在長徑比為44∶1的試驗(yàn)用小型嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)機(jī)頭過渡體流場進(jìn)行研究，在不同工藝條件下，數(shù)值求解過渡體流場的速度場、壓強(qiáng)場、剪切速率場以及黏度場，分析和討論工藝條件對聚合物熔體在模具過渡體內(nèi)流變行為的影響,為更加直接有效地提高PLA的加工質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 機(jī)頭過渡體的幾何構(gòu)型和網(wǎng)格劃分

本研究選擇與PALYFLOW軟件具有相同內(nèi)核的Solidworks軟件建立模型，然后導(dǎo)入PALYFLOW軟件中進(jìn)行分析。幾何構(gòu)型是以長徑比為44∶1的試驗(yàn)用小型雙螺桿擠出機(jī)為模型構(gòu)建，具體模型見圖1。模型的原點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)立在“∞”結(jié)構(gòu)的一個圓柱前端與過渡段相接觸的中心點(diǎn)上，Z軸正方向?yàn)槿垠w的流動方向，本模型用兩個螺桿頭面取代兩個螺桿頭結(jié)構(gòu)，這樣既不缺少運(yùn)動部分又可以簡化模型的復(fù)雜程度。

為了更好地研究與分析模擬結(jié)果，在模型的中心建立一條直線，直線與Z軸平行，并在直線上平均取10個點(diǎn)，用于模擬試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的處理。對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，在“∞”結(jié)構(gòu)與擠出段采用大尺寸四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，過渡段采用小尺寸四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個結(jié)構(gòu)所劃網(wǎng)格總數(shù)為11 255個。

圖1 機(jī)頭過渡體的幾何構(gòu)型和網(wǎng)格劃分Figure 1 Geometrical configuration and meshing of nose transition body

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

根據(jù)實(shí)際情況和模擬需求，假設(shè)PLA熔體為不可壓縮流體；流場為等溫穩(wěn)態(tài)流場，流道全充滿；由于熔體的慣性力和質(zhì)量力相對于黏性力來說非常小，可以忽略不計。因此，流場的連續(xù)性方程、運(yùn)動方程和本構(gòu)方程[9-12]為：

·u=0，

(1)

pI+·τ=0，

(2)

(3)

D=(u+uT)/2，

(4)

式中：

u——速度，m/s；

p——壓力，Pa；

I——單位張量；

τ——應(yīng)力張量，Pa；

η——表觀黏度，Pa·s；

D——變形速率張量，s-1。

本文選用Carreau方程[13-15]，在溫度為190℃下，PLACarreau本構(gòu)方程模型方程為：

(5)

式中：

η0——零剪切黏度，Pa·s；

λc——松弛時間，s；

n——非牛頓指數(shù)。

模擬時,給定的邊界條件：給定出口壓力值0.21MPa，入口設(shè)置流量值，兩個螺桿頭槽面給定轉(zhuǎn)速值；固定流量為3×10-6m3/s，轉(zhuǎn)速分別為200，240，300r/min；固定轉(zhuǎn)速為250r/min，流量分別：2×10-6，3×10-6，4×10-6m3/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 速度場

由圖2、3可知，螺桿頭周圍的熔體擁有較高的螺旋流速，且與其他區(qū)域熔體流速相比要大幾個數(shù)量級，這是由于螺桿頭的旋轉(zhuǎn)帶動熔體運(yùn)動引起的，只對螺桿頭周圍的熔體產(chǎn)生影響，而過渡段與擠出段則是沿著Z軸正方向平穩(wěn)地流動，防止了熔體螺旋運(yùn)動持續(xù)至模頭出口并引起擠出物變形的可能性。

圖2 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場速度分布Figure 2 The flow field velocity distribution with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖3 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場速度分布Figure 3 The flow field velocity distribution with speed 240 r/min and different flow

由圖4、5可知，在流量固定轉(zhuǎn)速不同的情況下，螺桿頭附近的熔體螺旋流速隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，其他區(qū)域熔體流速相對穩(wěn)定，螺桿速度對熔體流速影響不大；在轉(zhuǎn)速固定流量不同的情況下，螺桿頭附近的熔體螺旋轉(zhuǎn)速不隨流量變化而變化，其他區(qū)域熔體流速隨流量增大而增大，由此可見，流量變化對機(jī)頭過渡體熔體流速影響比較明顯。

3.2 壓力場

由圖6、7可知，過渡體內(nèi)熔體壓力沿Z軸正方向逐漸降低，這是由于入口處螺桿頭與機(jī)筒壁之間間隙狹小，熔體通過時造成阻礙產(chǎn)生較大壓力造成的。當(dāng)流量固定轉(zhuǎn)速不同的情況下，螺桿頭附近的熔體壓力隨轉(zhuǎn)速增大而減小，變化范圍相對較小，其它區(qū)域熔體壓力變化不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速固定流量不同的情況下，過渡體整體熔體壓力都有變化，流量越大進(jìn)出口壓差越大。由此可見，流量變化對機(jī)頭過渡體熔體壓力影響比較明顯。

圖4 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場速度變化Figure 4 The flow velocity changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖5 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場速度變化Figure 5 The flow velocity changes with speed 240 r/min and different flow

圖6 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場壓力變化Figure 6 The flow field pressure changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖7 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場壓力變化Figure 7 The flow field pressure changes with speed 240 r/min and different flow

3.3 剪切速率場

由圖8、9可知，過渡體中熔體的剪切速率沿Z軸的正方向逐漸減小，這是由于兩根螺桿同向旋轉(zhuǎn)帶動熔體螺旋運(yùn)動與機(jī)筒壁剪切的結(jié)果，當(dāng)熔體進(jìn)入直流運(yùn)動后剪切速率就變得很小。從圖8、9還可以得出，隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加，螺桿頭周圍的熔體剪切速率增加；而流量變化對剪切速率幾乎沒有影響。

圖8 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場剪切速率變化Figure 8 The flow field shear rate changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖9 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場剪切速率變化Figure 9 The flow field shear rate changes with speed240 r/min and different flow

3.4 黏度場

由圖10、11可知，螺桿頭附近的熔體黏度較低，這是由于此區(qū)域受螺桿頭旋轉(zhuǎn)的影響，剪切應(yīng)力比較大，所以熔體黏度較低，沿著Z軸的正方向，受到螺桿頭的影響逐漸減小，黏度逐漸增高。

由圖12、13可知，在流量固定轉(zhuǎn)速不同的情況下，熔體黏度隨轉(zhuǎn)速增大會有降低，但是變化并不是特別明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速固定流量不同的情況下，熔體黏度隨著流量的增大而降低且變化比較明顯。由此可見，流量變化對機(jī)頭過渡體的熔體黏度影響較大，適當(dāng)增加流量可以有效降低熔體黏度，提高PLA塑化效果，使PLA成品質(zhì)量更高。

圖10 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場黏度分布Figure 10 The flow field viscosity distribution with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖11 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場黏度分布Figure 11 The flow field viscosity distribution with speed 240 r/min and different flow

圖12 流量為3×10-6 m3/s不同轉(zhuǎn)速下的流場黏度變化Figure 12 The flow field viscosity changes with flow rate of 3×10-6 m3/s and different speeds

圖13 轉(zhuǎn)速為240 r/min不同流量下的流場黏度變化Figure 13 The flow field viscosity changes with speed 240 r/min and different flow

4 結(jié)論

采用POLYFLOW軟件模擬PLA在長徑比為44∶1的試驗(yàn)用嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)機(jī)頭過渡體的三維等溫流場，通過對速度場、壓力場、剪切速率場和黏度場的分析，得到結(jié)論：在過渡段區(qū)域，熔體受剪切力最大的區(qū)域是螺桿頭的附近，因此實(shí)際生產(chǎn)中，要注意該區(qū)域的剪切力不應(yīng)該超過上限，過了該區(qū)域后，熔體的流動逐漸變得穩(wěn)定均勻；PLA在適當(dāng)溫度下，增加螺桿轉(zhuǎn)速與增加流量都可以提高流場效果，但相對于增加轉(zhuǎn)速來說，在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下，增加熔體流量更有益于提高整個機(jī)頭過渡體流場的混合與塑化效果，增加PLA成品的質(zhì)量。

[1] ZHOU Ying-xin, HUANG Zhi-gang, DIAO Xiao-qian, et al. Characterization of the effect of REC on the compatibility of PHBH and PLA[J]. Polymer Testing, 2015, 42: 17-25.

[2] 馮瑞華. 生物降解材料研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J]. 材料導(dǎo)報, 2014, 28(9): 119-123.

[3] 張廣成. 聚合物反應(yīng)擠出的研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用, 2001, 13(5): 50.

[4] 黃志剛, 劉凱, 付曉宇, 等. 單螺桿擠出機(jī)固體輸送段的優(yōu)化設(shè)計[J]. 中國塑料, 2014(11): 104-107.

[5] 黃志剛, 劉凱, 李夢林, 等. 單螺桿擠出機(jī)計量段模擬研究[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(1): 63-67.

[6] WENG Yun-xuan, ZHOU Ying-xin, ZHANG min. The development and commercialization of biobased[J]. Biodegradable Plastics in China Industrial Biotechnology, 2014, 10(2): 73-78.

[7] 耿孝正. 塑料混合及設(shè)備[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 1992: 153-154.

[8] LI Bai-shun. Design and application of extrudate mould for twin screw extruder[J]. Petrochemical Technology& Application, 1996, 14(4): 242-244.

[9] 金日光. 高聚物流變學(xué)及其在加工中的應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1986: 58-61.

[10] 陳晉南. 傳遞過程原理[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 92-95.

[11] 胡冬冬, 陳晉南. 雙螺桿擠出中粒子運(yùn)動軌跡的可視化模擬[J]. 計算機(jī)與應(yīng)學(xué), 2003, 20(3): 247-250.

[12] PENG Jiong, CHEN Jin-nan. Numerical simulations of Polymer melt conveying in co- rotating twin screw extruder[J]. Journal of Beijing In-stitute of Technology, 2002, 11(2): 189-192.

[13] KAJIWARA Toshihisa, NAGASIMA Yuki. Numeircal atudy of twin-screw extruders by three-dimensional flow analysis-development of a-nalyais technique and evaluation of mixing performance for full flight screws[J]. Polym Eng Sci, 1996, 36(16): 2 142-2 154.

[14] MAKOTO Yoshinaga, SHINGO Katsuki. Mixing mechanism of three-tip kneading block in twin screw extruders[J]. Polym Eng Sci, 2000, 40(1): 168-178.

[15] BARVO V L, HRYMAK A N, WRIGHT J D. Numerical simulation of Pressure and velocity profiles in kneading elements of a co-rotating twin screw extruder[J]. Polym Eng Sci, 2000, 40(2): 525-541.

Study on flow field of polylactic acid in the nose transition body of co-rotating twin-screw extruder

SHI Jun-fengHUANGZhi-gangJIANGWei-xinLIMeng-linZHANGHong-jian

(SchoolofMaterialandMechanicalEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China)

Three-dimensional isothermal flow field of polylactic acid(PLA) of the nose transitional body of length to diameter ratio is 44∶1 experiment with a small meshing direction twin-screw extruder head by using the PALYFLOW software. The fields of velocity, pressure, shear rate and viscosity with different process parameters are analyzed and compared. Results showed that the flow field effect become better with the increase of the screw speed and the flow rate at the appropriate temperature，but compared with the increase of the screw speed, the increase of the melt flow was more beneficial to improve mixing and plasticizing effect of the extruder head's transition flow field, and the quality of PLA products.

polylactide; twin screw extruder; the nose transition body; flow field simulation

時俊峰，男，北京工商大學(xué)在讀研究生。

黃志剛(1966—)，男，北京工商大學(xué)教授，博士。E-mail:huangzg@btbu.edu.cn

2016-11-13

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.017