張磊，薛凱，李海明

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 儀征 211900)

2020年初，新冠肺炎疫情席卷全球，病毒以空氣為介質(zhì)傳播、蔓延，為了有效防止病毒傳播，口罩一時(shí)間成為了最有效的防疫用品。而口罩核心層的熔噴布與常規(guī)無(wú)紡布有很大不同，其所采用的熔噴布的熔融指數(shù)一般達(dá)到800～1 800 g/10 min，遠(yuǎn)高于普通無(wú)紡布的原料熔指，提升聚丙烯熔噴料的熔融指數(shù)尤為關(guān)鍵。

將聚丙烯粉料與過(guò)氧化物通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)充分反應(yīng)混合后，通過(guò)下落機(jī)頭擠出、水冷卻成條造粒、干燥脫水至摻混儲(chǔ)存，可制備熔融指數(shù)較高的聚丙烯熔噴料。

高熔指聚丙烯通過(guò)下落機(jī)頭擠出至水槽時(shí)，由于物料韌性差，且機(jī)頭較寬，需改進(jìn)機(jī)頭結(jié)構(gòu)，使得物料流動(dòng)均勻分布，各模孔均勻出條，才能達(dá)到使用要求[1]。本文通過(guò)數(shù)值模擬的手段改進(jìn)機(jī)頭的流道，保證擠出制品的質(zhì)量。

1 二維模型

下圖為下落機(jī)頭二維模型示意圖，聚丙烯熔體經(jīng)過(guò)擠出機(jī)反應(yīng)混合后，依次流經(jīng)過(guò)渡體、機(jī)頭體，由模板擠出。由A-A剖面圖可以看出，機(jī)頭流道相比與過(guò)渡體流道有很明顯加寬。流道在機(jī)頭體后板中擴(kuò)大的角度約為120°，有利于流體向機(jī)頭兩側(cè)流動(dòng)；機(jī)頭體前板中的凹槽深度由中間向兩側(cè)逐漸變淺，有利于增加流體在機(jī)頭兩側(cè)的流動(dòng)速度。

圖1 自落式拉條機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 幾何模型

機(jī)頭入口直徑56 mm，模板總寬674 mm，其上均布49個(gè)Φ5.0×10的模孔。由于流道十分對(duì)稱(chēng)，為了節(jié)省機(jī)時(shí)和提高計(jì)算精度，取機(jī)頭流道的1/2進(jìn)行計(jì)算。采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格[2]，在?？缀凸?jié)流環(huán)周?chē)M(jìn)行網(wǎng)格加密，最后網(wǎng)格數(shù)為147 726。圖2給出了機(jī)頭流道的幾何模型和網(wǎng)格劃分。

圖2 機(jī)頭幾何模型和網(wǎng)格劃分

3 本構(gòu)方程和邊界條件

基于同向雙螺桿擠出聚合物熔體的流動(dòng)過(guò)程，可做出以下假設(shè)：

（1）物料為不可壓縮純黏性非牛頓流體，不考慮熔體彈性和拉伸黏度。

（2）物料在螺桿流道內(nèi)是三維等溫穩(wěn)態(tài)層流，流道全充滿(mǎn)。

（3）流道壁面為全滑移條件。

在以上假設(shè)條件下，描述機(jī)頭流道內(nèi)物料熔體等溫流動(dòng)的控制方程為

式中：

η——黏度，本文中物料PP的黏度不隨剪切速率的變化而變化，即PP的黏度為常數(shù)，取值為200 Pa.s。

按照500 kg/h的進(jìn)料量，計(jì)算得出機(jī)頭入口流量為1.477 5 m3/s，出口為自由出流，流道壁面全滑移，即廣義Navier's定律：

式中：

e——指數(shù)，e=1時(shí)為線性滑移，e≠1為非線性滑移，本文取線性滑移條件。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了機(jī)頭流道內(nèi)PP熔體的壓力場(chǎng)，速度場(chǎng)，剪切速率場(chǎng)和黏度場(chǎng)[3]。選擇出口截面為參考面，分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

表1給出了機(jī)頭流道內(nèi)PP熔體各物理量的最值。

表1 機(jī)頭流道內(nèi)PP熔體各物理量的最值

5 例子示蹤分析

由圖3可知，出口截面上，熔體的壓力沿模頭徑向變化不大；對(duì)于每一個(gè)模孔而言，熔體的壓力沿徑向逐漸增大，即模孔中心處熔體的壓力最大，越靠近孔壁壓力越小。

圖3 出口截面PP熔體的壓力場(chǎng)

由圖4可知，出口截面上，熔體的速度沿模頭徑向變化不大；對(duì)于每一個(gè)?？锥?，熔體的速度沿徑向逐漸減小，即?？字行奶幦垠w的速度最大，越靠近孔壁速度越小。

圖4 出口截面PP熔體的速度場(chǎng)

由圖5可知，出口截面上，熔體的剪切速率沿模頭徑向變化不大；對(duì)于每一個(gè)?？锥?，熔體的最大剪切速率沿徑向略微增大，即模孔中心處熔體的剪切速率最大，越靠近孔壁剪切速率越小。

由圖6可知，模頭中心孔和最外圍孔熔體的最大速度均為0.030 m/s，最小速度均為0.002 m/s，熔體流速在合理的速度差范圍內(nèi)。

綜上所述，機(jī)頭的流道設(shè)計(jì)比較合理，?？壮隹谌垠w流動(dòng)比較均勻，有利于擠出質(zhì)量較好的制品。

圖5 出口截面PP熔體的剪切速率場(chǎng)

圖6 機(jī)頭模板中心孔和最外圍孔熔體速度分布的比較