螺桿構型對PLA/PTW共混物性能影響的研究

馬秀清，勞志超，李明謙，韓順濤，胡 楠*

（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.航天特種材料及工藝技術研究所，北京100074）

0 前言

PLA 是一種通過可再生植物資源制備出來的脂肪族熱塑性聚酯材料［1］，具有良好的生物相容性［2］、生物可降解性［3］和加工性能［4］，但是存在脆性大［5］、抗沖擊性能差［6］和斷裂伸長率低［7］等缺陷，限制了其更廣泛的應用［8］，尤其在汽車［9］、醫藥［10］、食品［11］和農業［12］等領域，常需通過改性來提高其性能［13-15］。PTW 是一種帶有環氧基團和羰基的低結晶度共聚物，可與羧基、羥基和氨基等基團反應［16］，具有優異的反應性和韌性，常作為聚合物的增容劑和沖擊性能改性劑［17］。PTW 中的環氧基團能夠與PLA 中的末端羧基發生化學反應，與PLA 具有良好的相容性［18］。顏祥禹等［19］研究了PTW添加量對PLA/PTW共混物性能的影響，結果表明，復合材料的沖擊強度隨PTW 添加量的增加而增加，當PTW 質量分數為20 %時，相比于純PLA，復合材料的沖擊強度提高了13.9 倍，達到了48.8 kJ/m2。可以看出，利用PTW 對PLA 進行共混改性，能夠有效提升PLA/PTW共混物的韌性。

嚙合同向雙螺桿擠出機的螺桿構型是影響共混改性體系性能的關鍵因素之一，其中混合段螺桿構型對復合材料性能的影響較大［20］。劉敏［21］研究了混合段螺桿構型對聚乳酸/熱塑性聚氨酯/二氧化硅（PLA/TPU/SiO2）復合材料力學性能的影響。結果表明，相比于混合元件-常規螺紋元件-剪切元件（SME-SE-KB）布置方式，KB-SE-SME 布置方式下復合材料的沖擊強度提高了6 kJ/m2，這是因為KB 元件能減小TPU 的粒徑尺寸，使其在PLA 中分布更均勻。陳文靜［22］研究了混合段螺桿構型對聚丙烯腈/二甲基亞砜（PAN/DMSO）共混溶液混合效果的影響。結果表明，剪切元件-常規螺紋元件-拉伸元件（KB-SE-S）布置方式下PAN/DMSO 共混溶液的混合效果更好，綜合混合系數比拉伸元件-常規螺紋元件-剪切元件（S-SE-KB）布置方式下提高了16 %，這是因為KB 元件能夠有效促進DMSO 在PAN 基體中分散和分布。高可正等［23］研究了混合段螺桿構型中KB元件和SE元件集中布置和交錯布置對聚對苯二甲酸乙二酯（PET）纖維母?；旌闲Ч挠绊憽＝Y果表明，交錯布置方式對纖維母粒的剪切破碎能力更強，纖維母粒粒徑尺寸最小，相比于集中布置方式時，纖維母粒的平均粒徑尺寸減小了31.7 %，且粒徑分布更均勻。本文基于PLA 和PTW的物料特性，設計混合段螺桿構型，并通過數值模擬的方法研究不同螺桿構型對PLA/PTW 共混體系混合效果的影響，最后利用實驗對仿真結果加以驗證。

1 模擬部分

1.1 數學模型

根據物料特性和實際擠出工藝，做出如下假設：（1）熔體完全充滿流道，且不可壓縮，不計其密度變化；（2）流場雷諾數較小，即為層流流動；（3）機筒內壁面無滑移，且重力和慣性力忽略不計；（4）流道內為等溫、穩定流場，即只考慮連續性方程和動量方程；同時，經測試PLA/PTW 共混體系遵循非牛頓流體特性，故選擇冪律模型［24］，本構方程如式（1）所示：

式中m——熔體稠度，Pa?sn，取值為1 913.3 Pa?sn

n——冪律指數，取值為0.708

η——黏度，Pa·s

γ?——剪切速率，s-1

1.2 螺桿構型

為了PLA 和PTW 更好地混合，混合段螺桿構型應同時具備分散混合和分布混合能力，因此，選用SE元件、KB 元件、SME 元件和S 元件設計了4 種長度均為150 mm的混合段螺桿構型，如表1所示。

1.3 有限元模型

在模擬計算過程中，網格質量會影響最終計算結果，故選用的有限元模型網格劃分方法，如表2所示。

表2 網格劃分方法Tab.2 Grid division strategy

1.4 邊界條件

根據實際生產的工藝條件設定邊界條件為：（1）入口邊界設定體積流率為2.294×10-6m3/s；（2）出口邊界設定壓力邊界為5 MPa；（3）左、右螺桿表面設定速度邊界條件，即主機轉速40 r/min；（4）機筒內壁面無滑移，即速度為零。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

PLA，4032D，美國Nature Works公司；PTW，Elvaloy，美國DuPont公司。

2.2 主要設備及儀器

干燥箱，101-1BS，浙江力辰科儀公司；

嚙合同向雙螺桿擠出機，LSM30/34，德國Leistritz公司；

錐形雙螺桿擠出機，SHINO，張家港市聯江機械有限公司；

電子天平，BP-323A+，上海奔普儀器科技有限公司；

熔融沉積3D 打印機，JGAUR-RA，珠海連盛電子科技有限公司；

萬能試驗機，INSTRON3365，美國INSTRON公司；

塑料沖擊試驗機，PTM1100-B，深圳三思縱橫公司。

2.3 樣品制備

熔融造粒：首先將PLA 和PTW 分別進行干燥處理；再將PLA 和PTW 預混（質量比為100/10）后經喂料裝置加入到雙螺桿擠出機熔融擠出并造粒，其中，喂料螺桿轉速為50 r/min，主機轉速為40 r/min，螺桿構型（圖中螺桿置換段為混合段）和各段溫度分別如表3和圖1所示；

圖1 螺桿構型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the screw configuration

表3 機筒各段溫度設定值Tab.3 Temperature setting value of each section of the barrel

絲材制備：將PLA/PTW 復合顆粒在70 ℃下干燥12 h 后加入到錐形雙螺桿擠出機制備絲材，機筒各段和機頭溫度依次為170、180、170、160、160 ℃，喂料螺桿轉速為45 r/min，主機轉速為25 r/min，風冷牽引機轉速為42 r/min；

試樣打?。簩⒔z材加入到3D 打印機中制備試樣，3D打印機參數設置如表4所示。

表4 3D打印機工藝參數Tab.4 3D printer process parameter

2.4 性能測試與結構表征

拉伸強度測試：根據GB/T 1040.1—2018 標準測試，試樣長度為150 mm，有效區域截面為10 mm×4 mm，拉伸速率為50 mm/min；

沖擊強度測試：根據GB/T1843—2008 標準測試，采用GB/T1843/U 型，長度為80 mm，截面為10 mm×4 mm的無缺口試樣，擺錘勢能為4 J。

3 結果與討論

3.1 壓力場

圖2 展示了PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下的壓力分布云圖，從圖中可以看出，4 種螺桿構型的高壓均位于螺棱頂部與機筒間隙處，螺槽處壓力均較小。

圖2 4種螺桿構型的壓力云圖Fig.2 Pressure clouds images of the four screw configurations

圖3 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下的出入口壓差，可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，集中布置方式（B2、B4）時的出入口壓差分別略大于分散布置方式（B1、B3）時，這是因為SE 元件布置在螺桿構型的入口處，可以將物料迅速輸送到下游位置，使入口處壓力下降，故表現出較大的出入口壓差；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB 元件（B1、B2）時的出入口壓差分別比含有S 元件（B3、B4）時高0.6 MPa 和0.51 MPa，這是因為錯列角為60 °的KB 元件具有一定的建壓能力，正向輸送能力強，而S元件是由一個正向元件和一個反向元件串聯而成，建壓能力弱，正向輸送能力較差，出入口壓差較??；綜上所述，螺桿構型中含有KB元件更利于PLA/PTW 共混體系的正向輸送。

圖3 4種螺桿構型的出入口壓力差Fig.3 Pressure difference of inlet and outlet of the four screw configurations

3.2 剪切應力場

圖4 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下的剪切應力分布云圖，從圖中可以看出，4 種螺桿構型在螺棱頂部與機筒間隙部位的剪切應力均較大，在螺槽處均較小。

圖4 4種螺桿構型的剪切應力云圖Fig.4 Shear stress cloud images of the four screw configurations

圖5 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下的加權平均剪切應力，可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，集中布置方式（B2、B4）時的加權平均剪切應力與分散布置方式（B1、B3）時基本接近，表明KB 元件或S 元件在螺桿構型中的布置方式對加權平均剪切應力影響較小，對雙螺桿擠出機混合段的分散混合能力影響不大；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB 元件（B1、B2）時的加權平均剪切應力分別比含有S 元件（B3、B4）時高3 105.07 Pa 和3 091.23 Pa，這是因為相比于S 元件與機筒內壁面的間隙，KB 元件與機筒內壁面的間隙更小，物料在間隙處具有更大的速度梯度，故加權平均剪切應力更大；綜上所述，螺桿構型中含有KB 元件可提高構型的剪切能力，利于PLA/PTW共混體系的分散混合。

圖5 4種螺桿構型的加權平均剪切應力Fig.5 Weighted average shear stress of the four screw configurations

3.3 回流系數

圖6 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下的回流系數，可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，集中布置方式（B2、B4）時的回流系數分別略大于分散布置方式（B1、B3）時，這是因為集中布置方式的出入口壓差大于分散布置方式的出入口壓差，物料在壓力的作用下沿與擠出方向相反的方向流動，回流量增加；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB元件（B1、B2）時的回流系數分別比含有S 元件（B3、B4）時高0.086 和0.085，這是因為錯列角為60°的KB 元件相鄰捏合盤之間存在較大的軸向通道，物料在此通道處軸向流動，形成更多的回流，回流系數增加。

圖6 4種螺桿構型的回流系數Fig.6 Backflow rate of the four screw configurations

3.4 累積停留時間

圖7 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下80 %粒子的累積停留時間（流道入口處設置3 000示蹤粒子），可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，集中布置方式（B2、B4）時的累積停留時間分別比（B1、B3）分散布置時短2.23 s和4.28 s，這是因為集中布置方式具有更大的出入口壓差，正向輸送能力強，利于物料正向流動，故累積停留時間較短；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有S元件（B3、B4）時的累積停留時間分別比含有KB 元件（B1、B2）時長4.12 s 和2.07 s，這是因為螺桿構型中含有S 元件時的出入口壓差較小，正向輸送能力弱，故累積停留時間長；綜上所述，螺桿構型中含有S 元件時，混合段具有較強的分布混合能力，利于PLA/PTW 共混體系的分布混合。

圖7 4種螺桿構型的80 %粒子的累積停留時間Fig.7 Cumulative residence time of 80 % particles of the four screw configurations

3.5 累積最大剪切應力

圖8 為PLA/PTW 共混體系在4 種螺桿構型下80 %粒子的累積最大剪切應力（示蹤粒子數與3.1.4節相同），可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，分散布置方式（B1、B3）時的累積最大剪切應力分別比集中布置方式（B2、B4）時高5 400 Pa 和1 994 Pa，這是因為物料在分散布置方式下的停留時間更長，所受的剪切次數更多，累積最大剪切應力也較大；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB 元件（B1、B2）時的累積最大剪切應力分別比含有S 元件（B3、B4）時高了17 331.41 Pa 和13 926.95 Pa，這是因為螺桿構型中含有KB 元件的回流系數更大，物料所受剪切次數更多，承受的剪切應力更大；綜上所述，螺桿構型B1 的分散混合能力最好。

圖8 4種螺桿構型時80 %粒子的累積最大剪切應力Fig.8 Cumulative maximum shear stress of 80 % particles prepared with four screw configurations，respectively

3.6 混合性能綜合評價

為了更準確地評價各螺桿構型對物料分散混合和分布混合效果的影響，定義綜合混合系數（N1）、分散混合系數(N2)和分布混合系數(N3) 3個無量綱數分別評價其綜合混合能力、分散和分布混合能力，計算公式如式（2）～（4）所示：

G——回流系數

CRTD——累積停留時間，s

CMSS——累積最大剪切應力，Pa

Ci——綜合混合系數權重系數

Di——分散混合權重系數

Ei——分布混合權重系數

α——105，Pa

β——106，Pa

δ——102，s

為滿足PLA/PTW 共混體系改性的要求，混合段構型應同時具備分散混合和分布混合能力，故Ci、Di和Ei均取值為1，N1、N2和N3的計算結果如表5所示。

表5 4種螺桿構型下PLA/PTW 共混體系的混合系數Tab.5 Mixing coefficients of PLA/PTW blends under four screw configurations，respectively

從計算結果可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，分散布置方式（B1、B3）時的綜合混合系數分別略大于集中布置方式（B2、B4）時；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB 元件（B1、B2）時分別比含有S元件（B3、B4）時的綜合混合系數稍大；同時可以看出，螺桿構型B1 的綜合混合系數最大，混合效果最好。

3.7 力學性能

圖9 為4 種螺桿構型下PLA/PTW共混物的沖擊強度和拉伸強度，可以看出當螺桿構型中元件種類相同時，分散布置方式（B1、B3）時復合材料的沖擊強度分別略高于集中布置方式（B2、B4）時，這是因為分散布置方式的綜合混合能力更好，PTW在PLA中分散和分布更均勻，能夠有效提升復合材料的沖擊強度；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB 元件（B1、B2）時復合材料的沖擊強度分別比含有S 元件（B3、B4）時高8.7 kJ/m2和7.44 kJ/m2，這是因為物料在含有KB 元件構型下受到的剪切應力比含有S 元件構型下受到的剪切應力更大，PTW 的粒徑尺寸更小，避免了應力集中，提高了復合材料的沖擊強度；同時可以看出，各螺桿構型下復合材料的拉伸強度基本保持不變。

圖9 4種螺桿構型下PLA/PTW共混物的力學性能Fig.9 Mechanical properties of PLA/PTW composites under four screw configurations，respectively

3.8 綜合力學性能評價

為了更準確地評價各螺桿構型對PLA/PTW共混物力學性能的影響，定義綜合力學性能指數（N4）評價各螺桿構型的綜合力學性能，計算公式如式（5）所示，計算結果如表6所示：

表6 4種螺桿構型下PLA/PTW共混物的綜合力學性能指數Tab.6 Comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations，respectively

式中I——沖擊強度，kJ/m2

T——拉伸強度，MPa

A——沖擊強度權重系數，取值為1

B——拉伸強度權重系數，取值為1

從計算結果可以看出，當螺桿構型中元件種類相同時，分散布置方式（B1、B3）時的綜合力學性能指數分別略大于集中布置方式（B2、B4）時；當螺桿構型布置方式相同時，螺桿構型中含有KB 元件（B1、B2）時的綜合力學性能指數分別比含有S 元件（B3、B4）時高25 %和22 %；同時可以看出，螺桿構型B1的綜合力學性能指數最大，復合材料的沖擊強度得到了較大的提升，能夠進一步提升PLA/PTW共混物的力學性能。

3.9 實驗結果與仿真結果對比分析

表7 為模擬結果N1和實驗結果N4的對照表，可以看出綜合混合系數越大，綜合力學性能指數越大，其變化趨勢一致，表明混合能力越強，力學性能越大。螺桿構型B1 的綜合混合系數和綜合力學性能指數均為最大，表明螺桿構型B1 對PLA/PTW 共混體系的混合效果最好，最適合PLA/PTW共混物的加工。

表7 4種螺桿構型下PLA/PTW共混物的綜合混合系數和綜合力學性能指數Tab.7 Comprehensive mixing coefficient and comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations，respectively

4 結論

（1）對KB 元件、S 元件、SE 元件和SME 元件4 種元件組合的螺桿構型下的流場模擬表明，分散布置的螺桿構型比集中布置的螺桿構型混合能力強，含有KB 元件的螺桿構型比含有S 元件的螺桿構型混合能力強，其中KB 元件和SME 元件分散布置螺桿構型（B1）的混合能力最強，可以使PTW 在PLA 中混合更均勻，能夠提高PTW 在PLA 中的分散和分布混合效果；

（2）對KB 元件、S 元件、SE 元件和SME 元件4 種元件組合的螺桿構型下的實驗研究表明，就制備出的PLA/PTW共混物綜合力學性能而言，分散布置的螺桿構型優于集中布置的螺桿構型，含有KB元件的螺桿構型優于含有S 元件的螺桿構型，KB 元件和SME 元件分散布置螺桿構型（B1）的綜合力學性能最優；

（3）通過對模擬結果與實驗結果的對比分析表明二者趨勢一致，結果吻合，表明模擬可為PLA/PTW共混物的混合段螺桿構型優化提供指導。