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聚合物叶片挤出机熔体正位移输送和混合特性研究

作　者: 杨智韬
导　师: 瞿金平
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 叶片挤出机正位移输运熔体输送拉伸流变正应力场
分类号: TQ320.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高分子材料成型加工是高能耗过程作业,目前普遍采用螺杆机械,如螺杆挤出机、螺杆注射机等,在螺杆机械中物料塑化输运主要是靠螺杆旋转时对物料的拖曳作用,固体输送为摩擦拖曳,熔体输送为粘性拖曳,物料的速度梯度与其流动和变形方向垂直,这种流动与变形受剪切应力支配,所以当前的高分子材料加工方法普遍存在物料塑化输运所经历的热机械历程长、能耗高、设备结构大、对物料特性依赖性强等缺陷。华南理工大学瞿金平教授创造性发明了拉伸流变控制的高分子材料塑化输运方法及设备(叶片挤出理论设备),使得物料在塑化输送过程中受拉伸应力支配,尝试从塑化输运机理上解决当前高分子材料成型加工过程中物料经历的热机械历程长、能耗高的问题。这一独特的加工方法深刻地影响了聚合物塑化挤出过程,使得聚合物的加工应用和理论都发生了巨大的变化。因此从理论和实验上深刻地揭示这种改变对聚合物产生的影响就具有重要的科学意义和现实意义。本文对基于拉伸流变的聚合物塑化输运设备和方法进行了原理分析,对聚合物熔体在叶片单元中的塑化输运过程进行了深入的分析讨论,首次提出了聚合物熔体在叶片挤出机输送过程相应的物理模型和数学模型,得出了叶片挤出机中熔体周向和轴向速度分布、压力分布、应力分布,分析聚合物在拉伸场支配的多物理场耦合作用下塑化输运过程参数与工艺条件、结构参数、材料特性参数之间的定量关系;首次对叶片塑化挤出过程中拉伸场的存在进行了定量描述,证实了聚合物熔体在叶片挤出机中的塑化输运过程受拉伸流变支配。并根据流场分析,讨论了周期性正应力场和拉伸场对聚合物微观结构、分子运动的影响,指出叶片挤出机中存在的拉伸流场和周期性正应力场对聚合物塑化输运能起到节能高效的效果。同时本文对叶片挤出机输送能力和制品测试进行了大量的实验研究。分别利用转子直径为? 40、长径比为10的叶片挤出机和螺杆直径为? 45,长径比为20的传统单螺杆挤出机进行HDPE、LDPE和PP输送特性实验研究,同时对叶片挤出和螺杆挤出LDPE、PP以及LDPE/纳米CaCO3和PP/纳米CaCO3在相同产量下的制品进行了力学性能、热性能、微观凝聚态结构测试。对叶片挤出设备的生产能力、挤出功耗与螺杆挤出设备进行了比较,同时对于叶片挤出制品与螺杆挤出制品的各项性能也进行了实验比较。试验研究表明:聚合物叶片挤出机具有良好的正位移输送特性,在输送物料具有高效、低耗、输送特性“硬”等优点的同时,还能保证挤出制品良好的制品质量。与螺杆挤出相比,叶片挤出机输送效率更高,对模头压力敏感性低,单产功耗更低,节能降耗效果更好;在制品性能测试中发现,与螺杆挤出片材相比,叶片挤出机挤出LDPE、PP以及纳米CaCO3填充LDPE和PP体系片材的力学性能明显好于螺杆挤出片材,并且在制品热性能和微观形态上也有一定改善,同时发现叶片挤出能将获得最佳填充体系力学性能填充比提高2%～3%。实验结果与理论推导和理论预测相吻合,证明了本文理论推导的正确性。叶片挤出理论和设备是一种全新的聚合物加工理论和设备,本文提出了叶片挤出熔体输运流变模型,为进一步研究叶片塑化挤出理论打下了良好的基础。这些研究为将来聚合物叶片塑化输运理论及设备的推广提供了重要的理论和实验依据。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-18
第一章绪论  18-37
  1.1 概述  18-19
  1.2 正位移输运机理在聚合物加工中的应用  19-26
    1.2.1 两板间对挤流动  20-21
    1.2.2 柱塞挤出机正位移输送  21-22
    1.2.3 啮合型双螺杆挤出机正位移输送  22-24
    1.2.4 齿轮泵正位移输送  24-26
  1.3 拉伸流场在聚合物塑化混合加工中的应用  26-34
    1.3.1 聚合物加工的流场类型  26-27
    1.3.2 聚合物拉伸流变机理  27-28
    1.3.3 拉伸流场对聚合物填充体系的影响研究  28-31
    1.3.4 拉伸流场的实现  31-34
  1.4 课题研究的目的和意义  34-35
  1.5 课题研究的主要内容  35-36
  1.6 本章小结  36-37
第二章聚合物叶片挤出塑化输运设备原理和结构  37-46
  2.1 叶片塑化输运单元的工作原理和结构特征  37-39
    2.1.1 结构特征  37-38
    2.1.2 工作原理  38-39
  2.2 叶片塑化单元应用于聚合物加工设备  39-43
    2.2.1 叶片挤出机  39-41
    2.2.2 叶片单螺杆组合挤出机  41-42
    2.2.3 叶片注塑机  42-43
  2.3 叶片塑化输运挤出机其它主要部件  43-45
    2.3.1 屏障混炼塑化单元  43-44
    2.3.2 销钉混合均化单元  44-45
  2.4 本章小结  45-46
第三章叶片塑化输运单元熔体输送过程研究  46-80
  3.1 叶片单元基本参数  46-50
    3.1.1 叶片矢径  46-48
    3.1.2 叶片单元偏心距  48
    3.1.3 叶片封闭腔容积  48-50
  3.2 叶片单元熔体输运流场  50-73
    3.2.1 叶片塑化输运单元中熔体周向收敛流动  51-60
    3.2.2 叶片单元中熔体轴向挤压流动  60-73
  3.3 叶片单元流量分析  73-77
    3.3.1 叶片单元正流量  74
    3.3.2 叶片单元回流量  74
    3.3.3 叶片单元漏流量  74-77
    3.3.4 总流量  77
  3.4 叶片单元熔体输送的驱动功率  77-78
  3.5 本章小结  78-80
第四章叶片塑化挤出机输送特性研究  80-94
  4.1 实验部分  80-83
    4.1.1 实验目的和内容  80
    4.1.2 实验设备和仪器  80-82
    4.1.3 实验原料  82
    4.1.4 工艺参数  82-83
    4.1.5 实验方案  83
  4.2 试验结果与讨论  83-93
    4.2.1 理论产量与实际产量比较  83-84
    4.2.2 物料特性对产量影响  84-86
    4.2.3 叶片挤出产量与螺杆挤出产量对比研究  86-88
    4.2.4 叶片挤出机能耗分析  88-93
  4.3 本章小结  93-94
第五章叶片塑化挤出对物料塑化混合特性的影响  94-104
  5.1 聚合物叶片塑化输运性能微观研究  94-99
    5.1.1 聚合物分子的特性及直接加热对分子塑化性能的影响  94-96
    5.1.2 周期性正应力场对聚合物材料塑化性能的影响  96-97
    5.1.3 拉伸场对聚合物材料塑化性能的影响  97-99
  5.2 叶片挤出混合机理研究  99-103
    5.2.1 叶片挤出对聚合物加工混合特性的影响  99-100
    5.2.2 叶片挤出拉伸力场强度  100-101
    5.2.3 叶片挤出物料停留时间  101-103
  5.3 本章小结  103-104
第六章叶片塑化挤出制品试样性能与凝聚态结构  104-133
  6.1 实验部分  104-107
    6.1.1 实验原料  104
    6.1.2 实验设备  104-105
    6.1.3 加工参数  105
    6.1.4 实验方案  105-107
  6.2 叶片挤出LDPE、PP 制品实验结果及讨论  107-115
    6.2.1 拉伸力学性能测试  107-110
    6.2.2 维卡软化点测试  110-111
    6.2.3 DSC 测试  111-114
    6.2.4 SEM 测试  114-115
  6.3 叶片挤出填充体系制品实验结果及讨论  115-131
    6.3.1 拉伸力学性能测试  116-122
    6.3.2 维卡软化点测试  122-123
    6.3.3 DSC 测试  123-127
    6.3.4 SEM 测试  127-131
  6.4 本章小结  131-133
结论  133-134
参考文献  134-139
攻读博士学位期间发表的学术论文  139-141
致谢  141

聚合物叶片挤出机熔体正位移输送和混合特性研究

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