拉伸孔混炼单元混炼性能模拟

2020-03-07石绍伟

广州化工 2020年2期

石绍伟

(江门职业技术学院，广东江门 529000)

随着人们生活质量的提高，塑料制品的应用越来越广泛，被应用于各种行业。正是由于其被广泛应用于各行业，这就使得人们对不同行业的塑料制品的质量要求也各不相同，有的行业要求比较高[1-3]。塑料制品的质量除了与塑料制品本身的原材料配比有关外，还与加工设备的性能密不可分。注塑机就是加工塑料制品的一种关键设备，其混炼性能的好坏将直接决定塑料制品的质量。为了提高注塑机的混炼性能，并且在小幅度增加成本的情况下，本文提出了拉伸孔螺杆混炼单元。通过对螺棱开拉伸孔，对熔融状态的聚合物增加周期性扰动，从而触发混沌混合，提高聚合物的混炼性能[4]。

1 模型的建立

1.1 物理及有限元模型

拉伸孔混炼单元是由三条等距主螺棱构成，螺距为70 mm，螺棱高为10 mm，沿着圆周方向将主螺棱等角度间断出3个间断螺棱，沿着圆周每隔60°分布一个拉伸孔，整个拉伸孔混炼单元的长为70 mm，外径为35 mm。为了对比分析，选取普通螺杆单元的长为70 mm，外径为35 mm，螺距为35 mm，螺棱高为2 mm。拉伸孔混炼单元和普通螺杆单元的有限元模型如图1所示，有限元是建立在物理模型的基础上，采用mesh软件对拉伸孔混炼单元和普通螺杆单元分别进行网格划分，均采用四面体网格，网格大小为2 mm。流道采用六面体网格划分，网格大小为2 mm，并设置3层边界层，第1层为0.5 mm。

图1 拉伸孔混炼单元与普通螺杆单元有限元模型Fig.1 The finite element model of both the drawing hole mixing unit and the common screw unit

1.2 数学模型

采用Polyflow模拟计算，需要作如下假设：(1)流体为高粘度流体，计算时忽略掉惯性力和重力的作用；(2)流体的流动为等温不可压缩的流动；(3)没有边界滑移；(4)流体为非牛顿流体[5]。

流体的连续性方程、运动方程及本构方程[6]：

(1)

(2)

(3)

模拟分析时选取高密度聚乙烯(HDPE)为模拟材料，其模型由Bird-Carreau模型给出：

(4)

式中，η为表观黏度；η∞为无穷大剪切速率黏度；η0为零剪切黏度；λ为松弛时间值；n非牛顿指数。

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

模拟时机筒壁面静止，壁面无滑移，螺杆的转速为60 r/min，熔体流动方向为Y轴正方向。

2 模拟分析

2.1 停留时间

停留时间主要用来评价聚合物的分布混合性能。通常停留时间越长，分布混合性能越好。图2是拉伸孔混炼单元和普通螺杆单元的停留时间概率分布曲线，从图2中可以看出，拉伸孔混炼单元的曲线在普通螺杆单元的曲线右侧，说明拉伸孔混炼单元内的聚合物物料粒子经历的停留时间比普通螺杆单元内的聚合物物料粒子时间长，拉伸孔混炼单元内聚合物物料粒子的混合时间长，分布混合性能比普通螺杆单元的分布混合性能好。

图2 停留时间分布曲线Fig.2 Residence time distribution curve

2.2 分离尺度

分离尺度是用来评价分散混合性能的重要指标之一。图3是拉伸孔混炼单元和普通螺杆单元的分离尺度分布曲线。从图3中可以看出，拉伸孔混炼单元的曲线呈持续下降的趋势，而普通螺杆单元的曲线则首先骤降，而后出现小的上升趋势，最终拉伸孔混炼单元的曲线略低于普通螺杆单元的曲线。出现图3所示的曲线说明拉伸孔混炼单元可以持续减小聚合物物料粒子，而普通螺杆单元则是迅速减小聚合物物料粒子，随后又出现了聚合物物料粒子的团聚现象，不利于提高聚合物的分散混合性能，从最终结果来看，拉伸孔混炼单元对应的聚合物物料粒子的分离尺度低于普通螺杆单元的聚合物物料粒子的分离尺度，拉伸孔混炼单元的分散混合性能更好。

2.3 最大剪切应力

一般情况下，最大剪切应力越大，聚合物的混合性能就越好。图4是拉伸孔混炼单元与普通螺杆单元的最大剪切应力概率密度分布曲线，从图中可以看出，两者的曲线在剪切应力为1000～3000 Pa之间时，两者对应的聚合物物料粒子的数量最多，说明两者对应的聚合物物料粒子受到的最大剪切应力都集中在这一区域。同时，还可以看出在这一区域内，拉伸孔混炼单元对应的曲线在普通螺杆单元对应的曲线的右侧，说明在这个区域内拉伸孔混炼单元内的聚合物物料粒子受到的最大剪切应力要高于普通螺杆单元内聚合物物料粒子受到的最大剪切应力。拉伸孔混炼单元对聚合物的混合性能要优于普通螺杆单元。