李彥輝,馬秀清,武學(xué)偉,田 軍

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

0 前言

嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)中一根螺桿的螺棱伸入到另一根螺桿的螺槽中將其阻斷形成若干個(gè)相互獨(dú)立的C形小室,物料被封閉在這些C形小室中以正位移輸送機(jī)理向前輸送,具有停留時(shí)間短、擠出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),通常用于成型制品,特別是聚氯乙烯(PVC)的擠出成型和混合造粒。由于物料被封閉在C形小室內(nèi),各個(gè)C形小室之間物料交換極少,將其用于聚合物混合改性時(shí)混合效果不是很理想[1-2];與之相比,嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)由于其縱向開放而具有優(yōu)異的混合性能且被廣泛用于混合改性。若能提高嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的混合性能,就可以在一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)混合與成型,對(duì)聚合物工業(yè)意義重大。

Thiele[3]、Potluri[4]、Keungjin[5]等都對(duì)嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的混合性能作過研究,他們?cè)诼輻U構(gòu)型中引入了寬螺槽窄螺棱螺紋元件、開槽螺紋元件、螺槽寬度漸變的螺紋元件等非常規(guī)螺紋元件以及柱狀元件、齒形盤元件、齒輪形元件等一些非螺紋元件,這些非常規(guī)螺桿元件的開發(fā)及應(yīng)用大大地提高了嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的混合性能;國(guó)內(nèi)周甫萍[6]、施豐[7]、羅兵[8]等分別對(duì)嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)中波狀螺紋元件、楔形推力面非常規(guī)螺紋元件以及VCR轉(zhuǎn)子元件等新型元件的混合性能作了理論和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,這些新型元件具有比常規(guī)螺紋元件更為優(yōu)異的混合性能。但將捏合塊元件用于嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的研究在文獻(xiàn)中很少見到,本文旨在將捏合塊元件引入嚙合異向雙螺桿中并研究其混合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PE-HD,5000S,中國(guó)石化北京燕化石油化工股份有限公司;

PS,H IPS825,盤錦乙烯有限責(zé)任公司;

1.2 主要設(shè)備及儀器

嚙合異向雙螺桿擠出機(jī),LSM30/34,德國(guó)Leistritz公司;

掃描電子顯微鏡(SEM),Hitachi S-4700,日本日立公司。

1.3 機(jī)筒螺桿構(gòu)型

本文所用的常規(guī)螺桿構(gòu)型與機(jī)筒的組合方案如圖1(a)所示,圖1(b)為增加了混合元件后機(jī)筒螺桿的組合方案之一。具體方案是在熔融段用不同錯(cuò)列角和不同捏合盤厚度的捏合塊元件置換圖1(a)中標(biāo)示的置換段I,在熔體輸送段用直斜齒交替排列的齒形盤元件置換圖1(a)中標(biāo)示的置換段 II,圖2為圖1(b)所對(duì)應(yīng)的螺桿構(gòu)型的實(shí)物圖,圖中捏合塊錯(cuò)列角為45°,捏合盤厚度為 7.5 mm,捏合塊總長(zhǎng)度為120 mm。

圖1 機(jī)筒螺桿組合方案Fig.1 Configuration of the barrel and screw

圖2 螺桿實(shí)物圖Fig.2 Picture of the screw

本文總共用到9種螺桿構(gòu)型,分別為常規(guī)螺桿構(gòu)型以及置換段II不變,置換段 I為相同捏合盤厚度不同錯(cuò)列角(共5種)和相同錯(cuò)列角不同捏合盤厚度(共4種)的捏合塊的螺桿構(gòu)型。其中捏合塊錯(cuò)列角的變化為 30 °、45 °、60 °、90 °和 120 °,此時(shí)單片捏合盤厚度為7.5 mm;捏合盤厚度的變化分別為 7.5、15、22.5、30 mm,此時(shí)錯(cuò)列角為 90°。單片捏合盤厚度為7.5 mm、錯(cuò)列角為90°的構(gòu)型為重復(fù)實(shí)驗(yàn),只做一次。

實(shí)驗(yàn)螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min,采用計(jì)量加料方式,加料量為7.41 kg/h。機(jī)筒各段溫度設(shè)定為T1=T6=230℃,T2=T3=T4=T5=240℃,機(jī)頭溫度 T7=230℃。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

將 PE-HD和 PS按80∶20(質(zhì)量比,下同)的比例預(yù)混好,加入計(jì)量加料裝置,等擠出穩(wěn)定后從機(jī)頭采樣。將采得的樣品放入液氮中冷卻,脆斷,斷面噴金,然后在SEM下觀察相態(tài)結(jié)構(gòu)并拍照。

2 結(jié)果與討論

從圖3可以看出,分散相PS呈球狀或橢球狀分布在連續(xù)相PE-HD當(dāng)中。為了定量描述各螺桿構(gòu)型的分散混合能力,對(duì)SEM照片作了后處理,先測(cè)得分散相的粒徑然后按照式(1)～(3)計(jì)算出分散相PS的數(shù)均粒徑、重均粒徑和粒徑分布指數(shù)[9],參與計(jì)算的分散相PS的粒子數(shù)目至少1000個(gè)。

式中Di——分散相粒子的直徑,mm

N i——直徑為Di的分散相的粒子數(shù)目

IPD——粒徑分布指數(shù)

圖3 各螺桿構(gòu)型下PE-HD/PS試樣的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEMphotographs of PE-HD/PS blends

表1 各螺桿構(gòu)型下PE-HD/PS共混體系中分散相PS的重均粒徑及粒徑分布指數(shù)Tab.1 Weight average diameter and partice diameter index of dispersive phase(PS)in PE-HD/PS blend for different screwconfigurations

對(duì)于增加了混合元件后的螺桿構(gòu)型,由于其他部分的螺桿元件完全相同,只是置換段I處的元件不同,因此可以認(rèn)為及粒徑分布指數(shù)的變化是由置換段I的元件即捏合塊元件引起的,下面將對(duì)捏合塊元件的混合性能進(jìn)行分析。

圖4 不同錯(cuò)列角的捏合塊時(shí)分散相PS的及粒徑分布指數(shù)Fig.4 and partice diameter index of PS for kneading blocks with different staggerin g angles

由圖4可知,捏合塊的錯(cuò)列角對(duì) PE-HD/PS不相容體系的混合效果有較大影響。從圖4(a)可以看出,錯(cuò)列角為30°、45°和120°時(shí)分散相的較大,這是因?yàn)?0°的捏合塊輸送作用很強(qiáng),物料能夠快速通過流道因而沒有經(jīng)受太多剪切;45°的捏合塊也屬正向輸送元件,有較強(qiáng)的輸送作用,但相鄰兩盤由于相互錯(cuò)開因而在軸向有了物料通道,部分物料在通道中沒有經(jīng)受剪切;120°的捏合塊為反向輸送元件,物料只有在上游建立起很高的壓力才能向前輸送,而壓力太大就有部分物料在壓力的作用下沒有經(jīng)受剪切直接通過通道;60°和90°的捏合塊下分散相的較小 ,因?yàn)?60 °的捏合塊雖屬正向輸送元件,但輸送能力特別弱,而90°的中性捏合塊沒有輸送能力,物料在這兩種捏合塊中經(jīng)受剪切的時(shí)間較長(zhǎng)。由圖4(b)可以看出,隨著捏合塊錯(cuò)列角的增加,粒徑分布指數(shù)增大,這是因?yàn)殡S著捏合塊錯(cuò)列角的增加,軸向物料的通道增大,沒有經(jīng)受剪切而直接通過通道的物料增加;120°錯(cuò)列角下的分散相的粒徑分布指數(shù)值是所有增加了混合元件后的螺桿構(gòu)型下最大的,這是因?yàn)?20°的捏合塊為反向元件,部分物料在壓力的作用下沒有經(jīng)受剪切直接從通道通過,而部分物料則經(jīng)過了多次的回流剪切。

圖5 不同捏合盤厚度的捏合塊時(shí)分散相PS的及粒徑分布指數(shù)Fig.5 and partice diameter index of PS for kneading blocks with different disc width

由圖5可知,對(duì)相同錯(cuò)列角不同捏合盤厚度的捏合塊而言,隨著捏合盤厚度的增加,分散相的重均粒徑減小,這是因?yàn)殡S著捏合盤厚度的增加,剪切增強(qiáng),因而能獲得比較小的粒徑。而粒徑分布指數(shù)卻隨著捏合盤厚度的增加而增大,因?yàn)?0°的捏合塊在軸向方向上能形成一個(gè)物料通道,而隨著捏合盤厚度的增加,對(duì)物料的阻礙作用減小,沒有經(jīng)受剪切而直接通過通道的物料增加。

3 結(jié)論

(1)在常規(guī)螺桿上增加捏合塊元件可以提高嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)的混合性能;

(2)對(duì)于不同錯(cuò)列角的捏合塊而言,90°的中性捏合塊的分散混合能力最強(qiáng),其次則依次為60°、30°、45°和120°的捏合塊。隨著捏合塊錯(cuò)列角的增加,粒徑分布指數(shù)增大,粒徑均勻性變差;對(duì)于不同捏合盤厚度的捏合塊,隨著捏合盤厚度的增加,分散混合能力增加而粒徑分布指數(shù)有所增大,粒徑均勻性變差。

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