用于制備纖維復(fù)合材料的三螺桿擠出機(jī)新型混煉元件及螺桿組合的研究.pdf

1、螺桿擠出機(jī)是高聚物加工行業(yè)最主要的設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于聚合物共混造粒、成型擠出等。螺桿是擠出機(jī)中的核心部件，聚合物經(jīng)過轉(zhuǎn)動螺桿的剪切、擠壓、拉伸等作用，完成其配混工作。螺桿結(jié)構(gòu)直接影響共混物及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能，螺桿組合構(gòu)型的設(shè)計不合理，將導(dǎo)致擠出過程的流場、溫度、壓力波動進(jìn)而影響擠出物質(zhì)量和制品機(jī)械性能。尤其對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備來講，螺桿元件結(jié)構(gòu)以及螺桿組合構(gòu)型對纖維保留長度及纖維在聚合物中的分布具有重要影響，因此，進(jìn)行新型混煉

2、元件與螺桿組合的優(yōu)化設(shè)計對提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能至關(guān)重要。
　　本文首先借助DOE實驗設(shè)計方法開展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠出加工工藝優(yōu)化實驗研究。分析了加工溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、喂料量等工藝參數(shù)對纖維保留長度及復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，并建立模型用于預(yù)測和調(diào)控復(fù)合材料的性能。研究結(jié)果表明:隨著溫度、轉(zhuǎn)速、喂料量三個工藝的增大，纖維保留長度線性變化，而力學(xué)強(qiáng)度則呈現(xiàn)出先大后減小的趨勢。優(yōu)化的工藝條件為:溫度274℃、螺桿轉(zhuǎn)速162r/min、

3、加料速度12Kg/h時，制品拉伸強(qiáng)度為105.6MPa。
　　利用UG8.0軟件設(shè)計兩類具有較低剪切速率和高混合性能的新型混煉元件（SME和TKD），并采用Polyflow軟件對混煉元件的流場進(jìn)行仿真計算，研究混煉元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對元件壓力場、剪切速率場、混合指數(shù)等的影響，同時結(jié)合實驗研究驗證了模擬計算的可靠性。結(jié)果表明:SME元件的周向開槽數(shù)量、開槽螺旋指數(shù)以及開槽結(jié)構(gòu)都在一定程度上帶來螺棱長度、推力面和拖曳面面積的變化，周向開槽

4、數(shù)量、開槽螺旋指數(shù)、槽寬及槽深的增加，會導(dǎo)致螺棱長度、推力面和拖曳面面積的縮減，因而建壓能力和加權(quán)平均剪切速率隨之減小，而混合指數(shù)隨之增大。
　　設(shè)計了多組剪切能力不同的螺桿組合，用于制備GF/PPO/HIPS和CF/PA66復(fù)合材料，系統(tǒng)的分析螺桿構(gòu)型與纖維保留長度、制品性能相對應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最適合GF/PPO/HIPS復(fù)合材料加工的是7＃螺桿組合(TKD+SME)，復(fù)合材料的纖維長度、拉伸、彎曲及沖擊性能較傳統(tǒng)混煉元件的1#螺

5、桿分別有26.60％、8.45％、11.45％和13.75％的提升;而最適合加工CF/PA66復(fù)合材料的螺桿組合為剪切速率最低的6#螺桿組合(SME×2)，復(fù)合材料的纖維長度、拉伸、彎曲及沖擊性能較傳統(tǒng)混煉元件的1#螺桿分別有55.55％、14.82％、8.10％、20.22％的提升。
　　不同性能的纖維適合采用不同流場的螺桿成型，但是在加工纖維增強(qiáng)類復(fù)合材料均應(yīng)該采用適當(dāng)弱化剪切場、拉伸場強(qiáng)化的螺桿組合來成型，以在保證混合效果的