同向双螺杆挤出过程中聚合物颗粒熔融问题的探讨_聚合物颗粒熔融的影响因素

同向双螺杆挤出过程中聚合物颗粒熔融问题的探讨
Ò:聚合物颗粒熔融的影响因素
初广文,周昆颖,耿孝正
(北京化工大学,北京100029)
摘 要:双螺杆挤出过程中影响聚合物颗粒熔融的因素众多,本文针对螺杆构型和几何尺寸、运转条件及物料确定的双螺杆挤出过程,将影响聚合物颗粒熔融的因素归纳为六个方面,利用相变分数法对这些影响因素分别进行了探讨。

关 键 词:双螺杆挤出;影响因素;相变分数法
中图分类号:T Q320.66+3 文献标识码:A 文章编:1001O 9278(2001)05O 0081O 05
前文[1]已介绍了作者通过引入/相变分数0解决聚合物颗粒熔融问题的情况。

对于具体的挤出熔融过程,影响聚合物颗粒熔融的因素是值得关注的。

本文将影响聚合物颗粒熔融的因素归纳为六个方面,利用相变分数法对这些因素分别进行探讨。

1 影响聚合物颗粒熔融的六个因素
在双螺杆挤出熔融过程中,对于物料及螺杆的几何尺寸确定的挤出熔融过程来说,其影响因素可归纳如下:
d p /d y )))沿螺槽方向的压力梯度T b )))机筒温度
F ac )))固体颗粒在螺槽内的充满度,它亦可以用来计算所研究的控制体中的固体颗粒的个数
T i )))固体颗粒的初始温度T s )))螺杆温度
U )))机筒的拖曳速度(与螺杆速度有相同的意义)沿
螺槽方向的分量
以上六个影响因素彼此之间不是完全独立的,如沿螺槽方向的压力梯度d p /d y ,可以通过螺杆构型来实现对d p /d y 的调节,同时也可以通过改变操作条件来实现。

2 不同因素对聚合物熔融的影响
控制体中的颗粒个数采用如下方法确定:
N =3V K F ac 4P R 3
(1)
收稿日期:2000O 11O 13
国家自然科学基金资助重点项目(N o.59733070)
式中 R 0)))物料加入时的半径,m
K )))颗粒的堆积密度,球形颗粒面心立方排列时K =0.74
鉴于双螺杆挤出机中的情况,粘度值取自文献[2]中的流变曲线,其它物性参数也由文献[3]得到,所取的值与挤出熔融中常见的聚合物物性相近。

计算过程中,由于涉及到颗粒通过控制体所需要的时间问题,因此通过计算沿螺槽方向的平均速度将沿螺槽方向的距离值的变化转化成时间的变化。

下面将针对不同因素对熔融速率(表现为固体颗粒半径R f 及固相分数F 随时间的变化)、能量有效利用率(体现在相变分数5的变化)及熔体平均温度T u 的影响这几个方面进行讨论。

2.1 沿螺槽方向压力梯度d p /d y 的变化对熔融的影响
在影响熔融问题的其它因素均保持不变的情况下,改变双螺杆挤出机沿螺槽方向的压力梯度d p /d y ,得到了如图1-4所示的曲线。

图1 d p /d y 变化对R f -t 曲线的影响
第15卷 第5期中 国 塑 料
V ol.15,N o.52001年5月
CHINA PLASTICS
M ay,2001
图2 d p /d y 变化对5-t
曲线的影响
图3 d p /d y 变化对F -t 曲
线的影响
图4 d p /d y 变化对T u -t 曲线的影响
由图中可以看出,随d p /d y 的增大,熔融时间明显变小,即熔融速率变大,表现为残留固体颗粒的半径及固相分数很快变小,如图1及图3所示。

但同时带来两个问题:(a)较大的压力梯度对应较小的相变分数,如图2所示。

原因在于,颗粒的表面积不大,虽然粘性耗散热很大,但受到传热面积的制约,实际传入固体颗粒的能量有限。

(b)较大的压力梯度导致熔体的温升
很大,这样可能导致聚合物降解。

2.2 机筒温度T b 的变化对熔融的影响
在影响熔融问题的其它因素均保持不变的情况下,改变双螺杆挤出机机筒温度T b 对熔融问题的影响如图5-8所示。

由图可见:(a)机筒温度对熔融时间的影响不大,约为1/20,即机筒温度每增大20e ,熔融时间缩短约1s,如图5及图7所示。

(b)在熔融的初始阶段,较高的机筒温度对应较大的相变分数,原因在于,机筒温度较高,导致颗粒表面的温度梯度较大,
图5 T b 变化对R f -t 曲线的影响
图6 T b 变化对5-t 曲线的影响
图7 T b 变化对F -t 曲线的影响
#82 #同向双螺杆挤出过程中聚合物颗粒熔融问题的探讨Ò:聚合物颗粒熔融的影响因素
自颗粒表面传入的能量较多,从而用于相变的粘性耗散热较多。

随着熔融的进行,颗粒表面积成为影响熔融的限制因素。

(c)熔体温度随机筒温度的增大而增大,且遵循几乎相同的变化规律。

表现T u -t 为曲线几乎平行,如图8
所示。

图8 T b 变化对T u -t 曲线的影响
2.3 固体颗粒层温度的变化对熔融的影响
在影响熔融问题的其它因素均保持不变的情况下,双螺杆挤出中固体颗粒层的温度T i 对熔融过程的影响如图9至图12所示。

由图可以看出,(a)固体颗粒层的温度T i 的变化对熔融时间有一定的影响,约为1/10,即固体颗粒的温度升高10e ,熔融时间缩短约1s,如图9及图11所示。

(b)虽然在初始时刻相变分数相同,但在熔融的初始阶段,较低的固体颗粒层温度T i 对应较高的相变分数,原因在于颗粒的温度较低,导致熔融的速度较慢,因较大的固相分数对应较小的粘性耗散生热速率,从而导致相变分数相对较高。

(c)虽然在熔融的初始阶段,较低的固体颗粒层的温度T i 导致熔体的温度较低,但在熔融结束时,由于熔体完全处于相同的条件下,
导致熔体温度相等。

图9 T i 变化对R f -t 曲线的影响
2.4 固体颗粒在螺槽内的充满度F ac 的变化对熔融的影响
在影响熔融问题的其它因素均保持不变的情况
图10 T i 变化对5-t 曲线的影响
图11 T i 变化对F -t 曲线的影响
图12 T i 变化对T u -t 曲线的影响
下,仅改变固体颗粒在螺槽内的充满度F ac 。

(a)由图13及图16可以看出F ac 的改变对熔融时间的影响很小。

由于固体颗粒在螺槽内的充满度F ac 决定控制体中的固体颗粒的个数,因此也说明可以针对单个颗粒来探讨熔融问题。

(b)在熔融的初始阶段,当固体颗粒在螺槽内的充满度F ac 较大时,所对应的相变分数也较大,如图14所示。

这意味着用于相变的粘性耗散热所占的比例较大。

在其它条件不变的情况下,增加螺杆转速,可以更为有效地利用能量。

(c)在熔融的初始阶段,随F ac 的增大熔体温度略有降低,这与实验中增大
2001年5月中 国 塑 料#83 #
图13 F ac 变化对R f -t
曲线的影响图14 F ac 变化对5-t
曲线的影响
图15 F ac 变化对F -t 曲线的影响
加料量时熔体温度降低这一现象相一致。

2.5 机筒拖曳速度沿螺槽方向分量U 的变化对熔融的影响
在影响熔融问题的其它因素均保持不变的情况下,改变机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U ,得到了如图17至20所示的曲线。

由图可以看出:(a)改变机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U 对熔融时间的影响不大,如图17及图19所示。

这说明仅就熔融问题而言,
不能单独追求高转速。

(b)改变机筒拖曳速度沿螺槽
图16 F ac 变化对T u -t 曲线的影响
方向的分量U 对相变分数及熔体温度的影响也不大,如图18及图20所示。

这说明与沿螺槽方向的压力梯度相比,由于螺杆转速提高所导致的粘性耗散热的增大不明显。

图17 U 变化对R f -t 曲线的影响
图18 U 变化对5-t 曲线的影响
3 结束语
以上针对影响聚合物颗粒熔融的六个因素中的五个因素进行了探讨。

关于螺杆温度对熔融的影响,由于它与机筒温度对熔融的影响机理相同,在此不再赘述。

从上面的结果及相应的分析中我们不难发现:
#84 #同向双螺杆挤出过程中聚合物颗粒熔融问题的探讨Ò:聚合物颗粒熔融的影响因素
图19 U 变化对F -t 曲线
的影响
图20 U 变化对T u -t 曲线的影响
(1)就提高熔融速率而言,增大沿螺槽方向的压力梯度d p /d y 对熔融速率的提高最为明显;颗粒层温度T i 及机筒温度T b 对熔融速率有一定的影响;加料量(体现在固体颗粒在螺槽中的充满度F ac )及螺杆转速
(体现在机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U )对熔融速率的影响不大。

(2)就能量的有效利用率而言,增大固体颗粒在螺槽中的充满度F ac ,可以很大程度地提高能量的有效利用率;而随d p /d y 的增大,能量的有效利用率明显下降;颗粒层温度T i 及机筒温度T b 变化对能量的有
效利用率有一定的影响;机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U 对能量的有效利用率的影响不大。

(3)就熔体温升而言,增大沿螺槽方向的压力梯度d p /d y ,熔体温度明显升高;而提高机筒温度T b ,熔体温度在一定范围内变化,并且遵循一定的规律;机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U 的变化对熔体温升有一定的影响;而固体颗粒在螺槽中的充满度F a c 及固体颗粒层温度T i 对熔体温升的影响不大,并且熔体最终达到某一确定的温度。

综合考虑影响聚合物颗粒熔融的各个因素,可以发现它们相互制约,有时相互矛盾。

比如,增大沿螺槽方向的压力梯度d p /d y ,熔融速率将有很大的提高,但是能量的有效利用率却明显下降,同时熔体温度升得较高,对于温度敏感的聚合物,容易导致高温降解;改变机筒温度T b 可以调节熔体温度,但是机筒温度升高,通过机筒向外散热量增大,浪费能量;增大固体颗粒在螺槽中的充满度F ac ,即增大加料量,可以很大程度地提高能量的有效利用率,但是它受到挤出机功率的限制,并且可能达到溢流加料的状况。

如果要达到熔融速率较高、能量的有效利用率较大且熔体的温升可以控制在要求的范围内这样较为理想的挤出状态,
则需在理论上进一步明确各个影响因素之间的相互关系,在实际挤出过程中进行优化设计。

参考文献
[1] 初广文,周昆颖,耿孝正.同向双螺杆挤出过程中聚合物
颗粒熔融问题的探讨Ñ:相变分数法与实验验证[J].中国塑料,2001.(4).72-78.
[2] 徐德收.非啮合并列型异向旋转双螺杆挤出机熔体输送
区的流场研究[D]北京:北京化工大学,1999.
[3] . .普里瓦尔科.聚合物物理化学手册(第二卷)本体状
态下聚合物的性质[M ],北京:中国石化出版社,1995.
Melting Problem of Polymer Pellets in Co-Rotating Twin-Screw Extruders
Ò:Influencing Factors in Melting Process of Polymer Pellets
CHU Guang -w en,ZHOU Kun -ying,GENG Xiao -zheng
(School of M echanical and Electrical Engineer ing ,Beijing U niv ersity of Chemical T echnolog y,Beijing 100029,China)
Abstract:There are many influencing factors in the melting process of polymer pellets in tw in-screw extrusion.For the extrusion process w ith specific screw config uration and material,the influencing factors are summed to six ones,w hich are investigated by the phase chang e fraction m ethod respectively.
Key words:twin-screw extrusion;influencing factor;phase change fraction method
2001年5月中 国 塑 料#85 #。