用于制备纤维复合材料的三螺杆挤出机新型混炼元件及螺杆组合的研究

摘要

螺杆挤出机是高聚物加工行业最主要的设备之一，广泛应用于聚合物共混造粒、成型挤出等。螺杆是挤出机中的核心部件，聚合物经过转动螺杆的剪切、挤压、拉伸等作用，完成其配混工作。螺杆结构直接影响共混物及复合材料的结构和性能，螺杆组合构型的设计不合理，将导致挤出过程的流场、温度、压力波动进而影响挤出物质量和制品机械性能。尤其对于纤维增强复合材料制备来讲，螺杆元件结构以及螺杆组合构型对纤维保留长度及纤维在聚合物中的分布具有重要影响，因此，进行新型混炼元件与螺杆组合的优化设计对提高纤维增强复合材料性能至关重要。
　　本文首先借助DOE实验设计方法开展了纤维增强复合材料挤出加工工艺优化实验研究。分析了加工温度、螺杆转速、喂料量等工艺参数对纤维保留长度及复合材料性能的影响规律，并建立模型用于预测和调控复合材料的性能。研究结果表明:随着温度、转速、喂料量三个工艺的增大，纤维保留长度线性变化，而力学强度则呈现出先大后减小的趋势。优化的工艺条件为:温度274℃、螺杆转速162r/min、加料速度12Kg/h时，制品拉伸强度为105.6MPa。
　　利用UG8.0软件设计两类具有较低剪切速率和高混合性能的新型混炼元件（SME和TKD），并采用Polyflow软件对混炼元件的流场进行仿真计算，研究混炼元件的结构参数对元件压力场、剪切速率场、混合指数等的影响，同时结合实验研究验证了模拟计算的可靠性。结果表明:SME元件的周向开槽数量、开槽螺旋指数以及开槽结构都在一定程度上带来螺棱长度、推力面和拖曳面面积的变化，周向开槽数量、开槽螺旋指数、槽宽及槽深的增加，会导致螺棱长度、推力面和拖曳面面积的缩减，因而建压能力和加权平均剪切速率随之减小，而混合指数随之增大。
　　设计了多组剪切能力不同的螺杆组合，用于制备GF/PPO/HIPS和CF/PA66复合材料，系统的分析螺杆构型与纤维保留长度、制品性能相对应的关系，发现最适合GF/PPO/HIPS复合材料加工的是7＃螺杆组合(TKD+SME)，复合材料的纤维长度、拉伸、弯曲及冲击性能较传统混炼元件的1#螺杆分别有26.60％、8.45％、11.45％和13.75％的提升;而最适合加工CF/PA66复合材料的螺杆组合为剪切速率最低的6#螺杆组合(SME×2)，复合材料的纤维长度、拉伸、弯曲及冲击性能较传统混炼元件的1#螺杆分别有55.55％、14.82％、8.10％、20.22％的提升。
　　不同性能的纤维适合采用不同流场的螺杆成型，但是在加工纤维增强类复合材料均应该采用适当弱化剪切场、拉伸场强化的螺杆组合来成型，以在保证混合效果的前提下，尽可能提升残余纤维长度，进而促进制品性能的提升。本文的优化结果对倒三角形三螺杆挤出机的应用有一定的推动作用，同时也对实际生产有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 混炼挤出成型设备发展历程

1．1．2 混练挤出成型设备在复合材料行业的应用

1．1．3 分散混合与分布混合机理

1．2 国内外研究现状

1．2．1 三螺杆挤出机的发展与研究

1．2．2 螺杆元件的开发与研究

1．2．3 混合性能的数值模拟研究

1．2．4 纤维增强热望性复合材料研究

1．3 本课题研究的内容、目的和意义

1．3．1 课题研究内容

1．3．2 目的和意义

第二章 实验条件

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．3 实验工艺流程

2．4 制件性能表征

2．4．1 纤维质量含量

2．4．2 残余纤维长度及长度分布

2．4．3 比能耗

2．4．4 力学性能

2．4．5 微观形貌

第三章 三螺杆挤出工艺研究

3．1 配方体系

3．2 加工工艺研究的正交实验

3．2．1 DOE实验设计

3．2．2 传递函数的分析

3．2．3 实验模型的验证

3．2．4 微观形貌观测

3．2．5 玻纤含量插补拟合研究

3．3 双、三螺杆挤出机制备复合材料性能的对比实验

3．3．1 样品制备

3．3．2 测试结果对比

3．4 本章小节

第四章 新型混炼元件流场模拟及优化设计

4．1 新型元件结构设计

4．2 CFD求解方法

4．2．2 有限元模型的构建

4．2．3 边界条件的设定

4．3 统计后处理方法

4．4 边界条件及物性参数

4．5 开槽螺纹元件模拟结果分析

4．5．1 周向开槽数及开槽螺旋升角对流场特性的影响

4．5．2 开槽结构对流场特性的影响

4．6 SME、TKD及啮合块元件稳态流场对比分析

4．6．1 压力场

4．6．2 剪切场

4．6．3 混合指数

4．7 模型可靠性验证

4．7．1 混合段螺杆组合数值模拟

4．7．2 验证实验设计

4．7．3 实验条件

4．7．4 实验结果分析

4．8 本章小结

第五章 螺杆组合对复合材料结构及性能的影响研究

5．1 螺杆组合设计

5．2 GF／PPO／HIPS螺杆组合研究

5．2．1 实验方案

5．2．2 实验结果及讨论

5．2．3 进一步优化螺杆组合

5．3 CF／PA66螺杆组合研究

5．3．1 实验方案

5．3．2 实验结果及讨论

5．4 两种体系对比分析

5．5 本章小结

第六章 全文总结

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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