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双螺杆捏合挤出设备的研究现状及发展趋势

聚合物反应加工通常处于高温、高压和高剪切条件下,对熔体在此过程中所受的应变、应力、压力等微观物理量以及停留时间分布、最大拉伸速率、各个参数阶段的百分比数等过程统计量通过实验进行研究是十分困难的。通过实验方法只能测量单位时间内输送量、输送性能、介质流变性能等宏观性能的数据:通过解析法可以分析一些螺杆型线简单、单一物料的捏合与挤出特性,但大多常规螺杆形状复杂,使得物料的流动呈三维状态,用解析法求解几乎是不可能的。目前应用较多的是数值计算法,利用计算机仿真技术对聚合物加工反应机理进行分析,观察流场局部微观的流变行为,并实现双螺杆捏合机在设计阶段的质量预报和控制。

Shon等学者研究了聚丙烯和聚酞胺以3:1的比例在组合式啮合同向旋转双螺杆捏合机及异向旋转双螺杆捏合机、Bs捏合机以及TEX- T Kobelco搅拌机等几种可连续工作的捏合机中的混合状态。研究表明:同向旋转双螺杆元件具有最优的分布混合性能,而异向旋转双螺杆元件具有较大的轴向输送能力。韩国三洋研究中心的yu等基于对流 Maxwell模型利用数值方法模拟了螺杆转子在同时做旋转运动和振荡运动时非线性黏弹性流体在Buss捏合机中的热力耦合效应,发现螺纹元件的泵送能力随物料黏度及捏合时间变化而变化。日本学者%。等이利用解析法分析了同向双螺杆捏合机中物料的流动模式及混合机理。

Lombois- Burger等22利用数值方法分析了聚合物的捏合及挤出特性。 Bakalis等对同向自清洁型双螺杆捏合机啮合区域物料流动特性进行了研究。 Kumar等学者构建了理想状态下高黏度流体在双螺杆捏合机中的时间分布模型。 Eitzlmayr等学者业采用光滑粒子流体动力学( smoothed particle hydrodynamics,SP)法分别研究了同向双螺杆捏合机中的流体动力学特性和混合特性:Fard等学者利用面映射法结合有限元法计算得到的速度场,分别对螺纹元件、混合元件的分散性能进行分析。

国内学者也在各方面对同向双螺杆螺纹元件进行了研究。胡冬冬等运用Polyflon分别对同向和异向螺杆捏合机中聚合物混合状态进行统计学分析,结果得出同向双螺杆捏合机在混合性能方面优于异向双螺杆捏合机。张先明概述了时间停留分布研究的进展,并通过解析法、实验法及数值计算法三方面研究了挤出停留时间分布,并利用数值计算法得到表征混合特性的参数对双螺杆捏合机的混合特性并与实验结果比较,结果显示数值模拟法有较高的准确性。龙志斌等的运用Poly1ow对双螺杆驼峰元件进行数值模拟,从元件建压能力、剪切能力及轴向回流三个角度对比驼峰元件与常规双头螺纹元件的性能,证明驼峰元件建压能力及轴向混合能力较好,且具有弱剪切作用,适用于生物降解等热敏性和剪敏性的高速挤出和混合。石保虎等对同向双螺杆捏合机中新型元件的结构进行了详细阐述并对其性能进行比较研究。彭涛、黄风春等对不同螺纹元件混炼效果进行了研究。喻慧文等根据相对运动原理设计了差速型同向双螺杆端面型线,对非对称同向双螺杆端面对混合行为的影响进行了研究,指出同向差速螺杆转子混合中混沌现象的存在。毕超等基于Boy螺杆啮合理论从螺杆装配及加工角度,分别运用 Ansys及 Polyflon有限元软件,分析了法向等间隙修正法和中心距修正法修正后的螺杆对轴承箱轴承受力、螺杆扭转变形量、比能耗、停留时间分布等力学性能和混合性能参数,得出由中心距修正法得到的螺杆元件在力学性能上略好,但在比产量、比能耗方面不如法向等间隙修正得到的螺杆元件。