同向雙螺桿擠出機下落機頭的流道設計

張磊，薛凱，李海明

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

2020年初，新冠肺炎疫情席卷全球，病毒以空氣為介質傳播、蔓延，為了有效防止病毒傳播，口罩一時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)無紡布有很大不同，其所采用的熔噴布的熔融指數(shù)一般達到800～1 800 g/10 min，遠高于普通無紡布的原料熔指，提升聚丙烯熔噴料的熔融指數(shù)尤為關鍵。

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

高熔指聚丙烯通過下落機頭擠出至水槽時，由于物料韌性差，且機頭較寬，需改進機頭結構，使得物料流動均勻分布，各模孔均勻出條，才能達到使用要求[1]。本文通過數(shù)值模擬的手段改進機頭的流道，保證擠出制品的質量。

1 二維模型

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

圖1 自落式拉條機頭結構示意圖

2 幾何模型

機頭入口直徑56 mm，模板總寬674 mm，其上均布49個Φ5.0×10的模孔。由于流道十分對稱，為了節(jié)省機時和提高計算精度，取機頭流道的1/2進行計算。采用四面體單元劃分網格[2]，在模孔和節(jié)流環(huán)周圍進行網格加密，最后網格數(shù)為147 726。圖2給出了機頭流道的幾何模型和網格劃分。

圖2 機頭幾何模型和網格劃分

3 本構方程和邊界條件

基于同向雙螺桿擠出聚合物熔體的流動過程，可做出以下假設：

（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）物料在螺桿流道內是三維等溫穩(wěn)態(tài)層流，流道全充滿。

（3）流道壁面為全滑移條件。

在以上假設條件下，描述機頭流道內物料熔體等溫流動的控制方程為

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的進料量，計算得出機頭入口流量為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)值計算結果

通過數(shù)值計算得到了機頭流道內PP熔體的壓力場，速度場，剪切速率場和黏度場[3]。選擇出口截面為參考面，分析數(shù)值計算結果。

表1給出了機頭流道內PP熔體各物理量的最值。

表1 機頭流道內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；對于每一個模孔而言，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

由圖4可知，出口截面上，熔體的速度沿模頭徑向變化不大；對于每一個模孔而言，熔體的速度沿徑向逐漸減小，即模孔中心處熔體的速度最大，越靠近孔壁速度越小。

圖4 出口截面PP熔體的速度場

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；對于每一個模孔而言，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。

綜上所述，機頭的流道設計比較合理，模孔出口熔體流動比較均勻，有利于擠出質量較好的制品。

圖5 出口截面PP熔體的剪切速率場

圖6 機頭模板中心孔和最外圍孔熔體速度分布的比較