拉伸孔混煉單元混煉性能模擬

石紹偉

(江門職業技術學院，廣東 江門 529000)

隨著人們生活質量的提高，塑料制品的應用越來越廣泛，被應用于各種行業。正是由于其被廣泛應用于各行業，這就使得人們對不同行業的塑料制品的質量要求也各不相同，有的行業要求比較高[1-3]。塑料制品的質量除了與塑料制品本身的原材料配比有關外，還與加工設備的性能密不可分。注塑機就是加工塑料制品的一種關鍵設備，其混煉性能的好壞將直接決定塑料制品的質量。為了提高注塑機的混煉性能，并且在小幅度增加成本的情況下，本文提出了拉伸孔螺桿混煉單元。通過對螺棱開拉伸孔，對熔融狀態的聚合物增加周期性擾動，從而觸發混沌混合，提高聚合物的混煉性能[4]。

1 模型的建立

1.1 物理及有限元模型

拉伸孔混煉單元是由三條等距主螺棱構成，螺距為70 mm，螺棱高為10 mm，沿著圓周方向將主螺棱等角度間斷出3個間斷螺棱，沿著圓周每隔60°分布一個拉伸孔，整個拉伸孔混煉單元的長為70 mm，外徑為35 mm。為了對比分析，選取普通螺桿單元的長為70 mm，外徑為35 mm，螺距為35 mm，螺棱高為2 mm。拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元的有限元模型如圖1所示，有限元是建立在物理模型的基礎上，采用mesh軟件對拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元分別進行網格劃分，均采用四面體網格，網格大小為2 mm。流道采用六面體網格劃分，網格大小為2 mm，并設置3層邊界層，第1層為0.5 mm。

圖1 拉伸孔混煉單元與普通螺桿單元有限元模型Fig.1 The finite element model of both the drawing hole mixing unit and the common screw unit

1.2 數學模型

采用Polyflow模擬計算，需要作如下假設：(1)流體為高粘度流體，計算時忽略掉慣性力和重力的作用；(2)流體的流動為等溫不可壓縮的流動；(3)沒有邊界滑移；(4)流體為非牛頓流體[5]。

流體的連續性方程、運動方程及本構方程[6]：

(1)

(2)

(3)

模擬分析時選取高密度聚乙烯(HDPE)為模擬材料，其模型由Bird-Carreau模型給出：

(4)

式中，η為表觀黏度；η∞為無窮大剪切速率黏度；η0為零剪切黏度；λ為松弛時間值；n非牛頓指數。

取η∞=1500 Pa·s，η∞=0 Pa·s，λ=5.5 s，n=0.34。

模擬時機筒壁面靜止，壁面無滑移，螺桿的轉速為60 r/min，熔體流動方向為Y軸正方向。

2 模擬分析

2.1 停留時間

停留時間主要用來評價聚合物的分布混合性能。通常停留時間越長，分布混合性能越好。圖2是拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元的停留時間概率分布曲線，從圖2中可以看出，拉伸孔混煉單元的曲線在普通螺桿單元的曲線右側，說明拉伸孔混煉單元內的聚合物物料粒子經歷的停留時間比普通螺桿單元內的聚合物物料粒子時間長，拉伸孔混煉單元內聚合物物料粒子的混合時間長，分布混合性能比普通螺桿單元的分布混合性能好。

圖2 停留時間分布曲線Fig.2 Residence time distribution curve

2.2 分離尺度

分離尺度是用來評價分散混合性能的重要指標之一。圖3是拉伸孔混煉單元和普通螺桿單元的分離尺度分布曲線。從圖3中可以看出，拉伸孔混煉單元的曲線呈持續下降的趨勢，而普通螺桿單元的曲線則首先驟降，而后出現小的上升趨勢，最終拉伸孔混煉單元的曲線略低于普通螺桿單元的曲線。出現圖3所示的曲線說明拉伸孔混煉單元可以持續減小聚合物物料粒子，而普通螺桿單元則是迅速減小聚合物物料粒子，隨后又出現了聚合物物料粒子的團聚現象，不利于提高聚合物的分散混合性能，從最終結果來看，拉伸孔混煉單元對應的聚合物物料粒子的分離尺度低于普通螺桿單元的聚合物物料粒子的分離尺度，拉伸孔混煉單元的分散混合性能更好。

2.3 最大剪切應力

一般情況下，最大剪切應力越大，聚合物的混合性能就越好。圖4是拉伸孔混煉單元與普通螺桿單元的最大剪切應力概率密度分布曲線，從圖中可以看出，兩者的曲線在剪切應力為1000～3000 Pa之間時，兩者對應的聚合物物料粒子的數量最多，說明兩者對應的聚合物物料粒子受到的最大剪切應力都集中在這一區域。同時，還可以看出在這一區域內，拉伸孔混煉單元對應的曲線在普通螺桿單元對應的曲線的右側，說明在這個區域內拉伸孔混煉單元內的聚合物物料粒子受到的最大剪切應力要高于普通螺桿單元內聚合物物料粒子受到的最大剪切應力。拉伸孔混煉單元對聚合物的混合性能要優于普通螺桿單元。

圖4 最大剪切應力概率密度曲線Fig.4 Probability density curve of maximum shear stress

3 結 論

(1)拉伸孔混煉單元內聚合物物料粒子的停留時間比普通螺桿單元內聚合物物料粒子的停留時間長，物料粒子經歷更長的混合作用，拉伸混煉單元對聚合物的分布混合性能更好；

(2)拉伸孔混煉單元具有持續減小聚合物物料粒子的能力，不會使聚合物物料粒子再次發生團聚現象，其對聚合物的分散混合性能優于普通螺桿單元；

(3)在最大剪切應力為1000～3000 Pa之間，拉伸孔混煉單元對應的聚合物物料粒子受到的最大剪切應力高于普通螺桿單元，拉伸孔混煉單元對聚合物的混合性能更好。