在混合高粘度比的聚合物過程中，三角形排列的三螺桿擠出機(jī)的中心區(qū)域起著很大的拉伸作用。
三角形排列的三螺桿擠出機(jī)（TTSE），由姜南于2000年設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的混合性能，為納米改性及混合填充提供了便利。TTSE有三個(gè)嚙合區(qū)，一個(gè)中心區(qū)域，中心區(qū)域的熔融物料具有獨(dú)特的流動(dòng)特性（如圖1），其最大面積是最小面積的37倍，而且熔體經(jīng)過中心區(qū)域時(shí)產(chǎn)生拉伸流變，這優(yōu)于聚合物的共混剪切流變。
圖1 三角形排列的三螺桿擠出機(jī)（TTSE）中心區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)。
壓力產(chǎn)生和停留時(shí)間影響熔體輸送和物料熔融，并且通常用于評價(jià)混合性能。然而，到現(xiàn)在為止很少有研究考察了工藝參數(shù)對壓力產(chǎn)生和停留時(shí)間的影響。我們考慮了TTSE的中心區(qū)域后建立了數(shù)字模型，其可靠性我們已經(jīng)通過比較實(shí)驗(yàn)和模擬參數(shù)后證實(shí)。
我們用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序SolidWorks建立了TTSE中心區(qū)域的3D模型。為了方便建模，我們簡化了實(shí)際的中心區(qū)域（見圖1），等效為錐形模型（具有相同的截面積）。為方便數(shù)學(xué)計(jì)算，假定流動(dòng)為等溫牛頓流動(dòng)，我們計(jì)算出了剪切速率，拉伸率，和流場的平均停留時(shí)間。我們計(jì)算出面積變化的比例為6：1，并且還發(fā)現(xiàn)，該中心區(qū)域具有較強(qiáng)的逆流，這是對混合很有幫助的。由此我們得出結(jié)論，在混合高粘度比的聚合物過程中，三角形排列的三螺桿擠出機(jī)的中心區(qū)域起著很大的拉伸效果。
我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究了TTSE擠出聚丙烯（PP）和三元乙丙橡膠（EPDM）的分散混合效果。掃描電子顯微鏡圖像顯示平均EPDM粒徑較小，尺寸范圍比用雙螺桿擠出機(jī)（TSE）以相同的處理參數(shù)（如圖2）得到的更窄。該結(jié)果證實(shí)了TTSE混合性能比TSE的更好。但是，此處存在一個(gè)強(qiáng)烈的剪切作用，因此，我們不能得出關(guān)于TTSE中心區(qū)域混合作用的任何結(jié)論。
圖2 （a）TSE擠出的EPDM顆粒尺寸
（b）TTSE擠出的EPDM顆粒尺寸
對于這兩種實(shí)驗(yàn)和模擬，我們考慮并使用到了相同螺桿的元件，包括左旋螺桿元件（SME）等。我們通過不同的評價(jià)方法比較了不同螺紋元件的混合效果。結(jié)果表示，捏合段具有更強(qiáng)的剪切力和更好的拉伸效果，中央捏合段和左旋元件對回流有更好的效果。與螺紋元件相比，SME具有較低剪切能力，但具有更大的拉伸和回流效應(yīng)。
TTSE壓力產(chǎn)生和停留時(shí)間隨工藝參數(shù)變化而變化，如出口壓力和螺桿轉(zhuǎn)速。我們測量了全局停留時(shí)間，并與我們的模型計(jì)算的局部平均停留時(shí)間進(jìn)行了比較。我們只能計(jì)算流場的一部分，因?yàn)檎麄€(gè)流場的全局滯留時(shí)間在無法量化。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)和模擬的停留時(shí)間十分一致（如圖3）。因此，我們得出結(jié)論，模擬數(shù)據(jù)是可靠的，可作為進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。
圖3 模擬局部平均停留時(shí)間（a和c）及實(shí)驗(yàn)全局停留時(shí)間（b和d）與TTSE的入口流量、螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
我們的模擬表明，TTSE在混合的各個(gè)方面均優(yōu)于TSE。TTSE更容易產(chǎn)生高剪切、更理想的停留時(shí)間分布、更高的拉伸率（見圖4,圖5,圖6）
圖4 TTSE和TSE的最大剪切應(yīng)力模擬曲線
圖5 TTSE和TSE的停留時(shí)間分布曲線
圖6 TTSE和TSE拉伸率對比曲線
我們今后的工作將集中于中心區(qū)域的拉伸性能研究，以提高分散混合性能。我們正準(zhǔn)備用新的評價(jià)方法來對比直線排列的三螺桿擠出機(jī)（LTSE）和TSE、TTSE，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量來評估他們的壓力產(chǎn)生，混合性能，和能量消耗的差異。我們已經(jīng)研究出了帶有可視化機(jī)筒的設(shè)備以便更好地檢測加工過程，如圖7。我們還應(yīng)探討三螺桿擠出機(jī)的溫度變化和能源利用效率。為此，我們已經(jīng)開發(fā)了在線監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過的壓力和功率量綱參數(shù)的變化，并比較粘度的影響，螺桿速度，入口流率，和螺桿配置，來監(jiān)測輸送性能。
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