螺槽深度对单螺杆挤出机熔融输送段熔融过程的影响

1、摘要: 建立了聚氯乙烯( PVC) 基木塑复合材料单螺杆挤出机熔融输送段不同螺槽深度的三维模型，使用网格重叠技术得到其网格文件。以PVC 木塑复合材料为原料，根据流变实验结果，通过Polymat 拟合得到物料的黏度模型参数，最后使Polyflow 软件进行数值模拟。结果表明，螺槽深度越浅，熔体热量的传递效果越好，速度流场波动越小，但是压力流场波动越大。木塑复合材料1主要是以热塑性塑料为基体以植物纤维素为填料并加入偶联剂与其他添加剂通过一定技术手段复合而成的新型复合材料。木塑复合材料拥有木材和塑料无法比拟的优势，因此应用广泛。该材料成型手段多样，可以通过挤出、热压、模压和注射进行成型加工。其中挤

2、出成型具有产品质量稳定、成本较低、投资相对较少等优点，因此应用极为广泛。目前，木塑挤出成型设备是在塑料挤出设备的基础上基于经验改进而成。由于其含有木粉，所以木塑复合材料与塑料有很大的不同，造成现有生产设备存在产量低、产品质量差等缺点，因此对现有设备的参数进行优化改进成为亟待解决的问题。文章以螺槽深度为研究对象，进行数值模拟，通过对比模拟结果得到螺槽深度对熔融输送段熔融过程的影响。1 模型1. 1 数学模型鉴于PVC 基木塑复合材料挤出成型加工过程中熔体流动的复杂性，综合螺杆和流道的几何形状、物料属性、流动特性以及加工条件等因素，做出如下假设: 1) 熔体为不可压缩的非牛顿黏性流体; 2) 流动

3、为非等温稳定层流流场; 3) 由于熔体的高黏性，惯性力和重力等体积力忽略不计; 4) 熔体与流道壁面间无滑移。熔体流动必须满足流体力学的三大基本方程: 质量守恒方程( 也称作连续性方程) 、动量守恒方程( 也称作运动方程) 和能量守恒方程。根据上述假设，熔体流动的连续性方程和运动方程可简化为:网格重叠技术2 ( MST) 适用于有转子参与运动的流场模拟，先分别对熔体区和运动部件进行单独的网格划分，通过特定的准则把它们组合在一起，生成新的组合网格文件，从而真实模拟运动部件在流道内的运动情况。由于螺槽深度差别不明显，这里只给出了一个组合网格图。AB1 为A1 和B1 组合得到的模型，以此类推，AB

4、2 是A2 和B2 组合得到的模型，AB3 是A3 和B3 组合得到的模型。2 物料参数和边界条件2. 1 物料参数木塑复合材料挤出成型过程中的流变行为主要包括剪切流动、黏性流动与弹性。在木塑复合材料的挤出成型过程中，物料在机筒中的流动形式是以剪切流动形式为主。影响熔体黏度的主要因素有温度和剪切速率。本文使用毛细管流变仪3，通过不同实验条件设置测得物料在不同剪切速率和温度下的黏度数据。采用的物料是PVC 木塑复合材料，其基本参数如表2 所示，实验结果如表3 所示。综合分析可知，PVC 木塑复合材料的黏度随着剪切速率的增加而减小，出现剪切变稀现象，呈现出明显的假塑性流动特性，并且该材料黏度较低，

5、弹性效益相对较弱。相对比较，在挤出成型工艺常用的剪切速率范围内( 102 104 s 1 ) ，幂律模型具有良好的精度，且计算比较方便，因此使用得最广泛。因此，本课题采用工程计算中广泛应用的power law 模型作为本构方程进行模拟，如式( 4) 所示: = K ( · ) n 1 ( 4)2. 2 边界条件Polyflow4软件有诸多类型的边界条件可供选择，为了防止模拟计算的发散或得到错误的结果，必须合理地设置边界条件。本课题研究的是单螺杆挤出成型三维非牛顿非等温黏流体流场，需要设置流动边界条件、热边界条件以及运动部件的运动条件，结合前文所做的假设设置边界条件如下:1) 流动边界

6、条件入口边界条件入口边界取流量边界条件，螺杆转速为20 r /min，入口体积流量为5. 246 9 × 10 5m3 /s。出口边界条件出口边界条件设置为outflow。机筒内壁面边界条件壁面处为无滑移边界条件，法向速度( vn) 和切向速度( vs) 为0。熔体与螺杆接触面熔体与螺杆进行同轴同速的旋转运动，旋转速度设置为20 r /min。2) 热边界条件入口边界条件入口温度设置为180 。机筒内壁面边界条件下机筒内壁面温度设置为了熔体与螺杆接触面绝热。3) 运动部件螺杆的运动条件定义螺杆为运动部件( Moving part#1) ，旋转中心坐标( 0，0，0) ，中心轴坐标(

7、0，0，1) ，坐标原点在熔体入口的中心位置，螺杆旋转速度设置为20 r /min。3 模拟结果及分析3. 1 压力场分析图2 图4 是熔体输送段在螺杆螺槽深度变化时熔体沿主流动方向的整体压力分布图、y = 0 截面压力场分布图、x = 45. 3 时沿z 轴方向压力分布图。由图2 和图3 可知，熔体出口处压力高于入口处压力，压力沿挤出方向有层次地逐渐增大，在螺棱推力面压力值较高，背面压力值较低，在螺棱处发生突变。模型AB1、AB2、AB3 的最大压力均出现在熔体出口处，分别为: 2. 11、2. 23、2. 84 MPa。模型AB1出口压力最小，模型AB3 出口压力最大。对比图4 各图得知，

8、熔体沿着挤出方向压力有所增加。模型AB1 熔体压力波动相对较大。由此可以得到螺杆的熔体输送段的螺槽深度过浅不利于熔体的平稳输送。图4 不同模型在x = 45. 3 时沿z 轴方向压力分布Fig 4 Pressure distribution of different models along the Z axisdirection on section x = 45. 33. 2 温度场分析图5 是熔体输送段在螺杆螺槽深度变化时熔体在y = 0 截面上的温度分布图，图6 是在y = 0 截面上沿挤出方向第二个螺槽内的温度分布放大图。从图6 可见，温度分布沿径向方向，从外到内逐渐减小，流道内机筒

9、内壁处熔体温度最高，螺杆表面处熔体温度最低。在螺槽内，沿着平行于挤出方向，温度有升高趋势，螺棱背面温度高于螺棱推进面。温度在螺棱推进面，高温层较薄，低温层较厚，而非螺棱推进面恰好相反。图6 不同模型在y = 0 截面上第二个螺槽内的温度分布图Fig 6 Temperature distribution of different models in the secondscrew groove on section y = 0图7 是螺杆表面温度分布图。从图7 可知，对于每一个螺杆，其表面温度分布是沿着挤出方向有逐渐增高的趋势。对于不同槽深的螺杆，当螺槽深度为4. 5 mm 时，螺棱最高温度为1

10、96 ，螺槽最高温度为157 ; 当螺槽深度为5 mm 时，螺棱最高温度为195 ，螺槽最高温度为156 ; 当螺槽深度为5. 5mm 时，螺棱最高温度为194 ，螺槽最高温度为152 。图8 不同模型在五条直线上的温度分布曲线图Fig 8 Temperature distribution curves of different modelson 5 lines图8 是在x = 40、42、43、44、45 处平行于z 轴直线上的温度分布曲线图。在图8 中，对比x = 40 处熔体温度可知，当螺槽深度为4. 5 mm 时，熔体平均温度大约是156 ; 当螺槽深度为5 mm 时，熔体平均温度大约

11、是155 ; 当螺槽深度为5. 5 mm 时，熔体平均温度大约是148 。因此，螺杆螺槽深度越浅对熔体热量的传递具有更好的效果。3. 3 速度场分析图9 是熔体输送段在螺杆螺槽深度变化时熔体在y = 0 截面上的速度云图，图10 是在y = 0 截面上沿挤出方向第二个螺槽内的熔体速度分布放大图。熔体在螺槽内的流动既有沿着挤出方向的流动，也有由于螺杆的转动而引起的周向转动，熔体在靠近螺杆表面处的速度较大，靠近机筒内壁表面处速度较小。通过对比图10 中各图可知，螺槽深度变大，螺槽底部物料速度变小，并且速度波动较大，说明螺槽不应太深，否则熔体输送不畅。4 总结本文通过实验获得了PVC 木塑复合材在不同温度和剪切力下的黏度值，使用Polyflow 中的Polymat模块进行拟合得到其黏度方程中的未知数，然后使用Polyflow 进