螺杆组合对PP/PET共混体系混合效果影响的研究

王文飞,罗兵,毕超,袁捷朝,谢兆兴

(北京化工大学机电工程学院,北京100029)

螺杆组合对PP/PET共混体系混合效果影响的研究

王文飞,罗兵＊,毕超,袁捷朝,谢兆兴

(北京化工大学机电工程学院,北京100029)

对啮合同向双螺杆挤出机捏合块的2种组合进行了流场模拟和统计学分析。通过对2种组合在不同转速下的模拟,计算了流道内停留时间分布、最大剪切速率分布以及累积应变分布,并对分析结果进行了分析和实验研究。结果表明,分散型构型获得的聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PP/PET)共混体系的拉伸强度较好;PP/PET共混体系中PET粒径大小影响冲击强度,PET粒径过小会降低冲击强度。

啮合同向双螺杆挤出机;螺杆组合;数值模拟;聚丙烯;聚对苯二甲酸乙二醇酯;共混体系

0 前言

PP具有相对密度小,加工性能优良,屈服强度、拉伸强度和弹性模量均较高,无毒、光泽好等优点,被广泛应用于汽车、机械、家电等领域。但PP也存在低温脆性、成型收缩率大等缺点,限制了PP的进一步应用。PET是一种重要的工程塑料,主要用于合成纤维、双轴拉伸薄膜和中空容器等领域。但PET的玻璃化温度和熔点高,在通常加工温度下结晶速度慢,阻碍了PET在某些领域的应用。通过PET对PP进行改性,能够提高PP的流动性和冲击强度[1-3]。在PET对PP改性的研究中,对不同相容剂与PP及PET以不同比例进行共混的研究已经有了很多成果[4],在使用同向双螺杆挤出机进行PP/PET共混改性时,螺杆组合对共混体系的性能也有着至关重要的作用。在同向双螺杆挤出机的螺杆组合中常用混合元件为捏合块元件,经过合理组合能够得到不同的分布混合和分散混合能力[5]。在挤出过程中物料所受到的剪切速率随螺杆转速的提高而增大,回流量随着螺杆转速的提高而增大[5]。本文使用Polyflow软件对自行设计的2种螺杆组合中的捏合块组合流道进行模拟,通过最大剪切速率分布、停留时间分布和平均累积应变等参数讨论螺杆组合的混合能力,并进行相关实验研究。

1 理论研究

1.1 螺杆组合的选择

捏合块的宽度和错列角度不同,在混合过程中所表现的分布混合和分散混合能力不同。对于不同宽度的捏合块,宽度大的捏合块比宽度窄的捏合块分散能力强,宽度窄的捏合块比宽度大的捏合块分布能力强[6]。对于不同错列角的捏合块,错列角为30°和反向60°的捏合块元件具有较强的分散混合能力;错列角为60°和90°的捏合块分布混合能力较好[7]。本文将不同角度和不同厚度的捏合块进行组合,螺杆构型如图1所示。图1中虚线部分为置换部分,有A和B 2种构型,构型编号方式[8]和组合方式如表1所示。其中A构型为分散型:正向宽捏合块+反向窄捏合块+正向宽捏合块+反向宽捏合块;B构型为分布型:正向宽捏合块+正向宽捏合块+正向宽捏合块+反向窄捏合块。

表1 螺杆组合方式Tab.1 Configuration of screw elements

图1 螺杆组合构型Fig.1 Screw configuration

1.2 数学模型

建立数学模型时引入假设,采用Cross模型[9]。模拟中Cross模型参数为:零切黏度(η0)=402 Pa·s;时间常数(λ)=0.3648;Cross模型指数(m)=0.6669。

1.3 边界条件

模拟时流道的边界可如图2所示,采用的边界条件为:(1)机筒壁面无滑移,机筒内壁上的物料速度为0;(2)螺杆表面无滑移,螺杆表面上的物料速度为螺杆表面速度,模拟时选定的螺杆转速为90、120 r/min;(3)入口边界给定入口流量条件,选定的流量为8 kg/h;(4)出口边界给定出口压力条件,模拟时设定的出口压力为0。实验时选用与模拟相同的螺杆转速和流量。

图2 捏合块组合构型Fig.2 Kneading block configuration

2 实验部分

2.1 主要原料

PET,FE19051 B K507,美国杜邦公司;

PP,M1008,中国石油化工股份有限公司北京分公司;

马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SEBS-g-MA H),Pro200956113737,南京德巴化工有限公司。

2.2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机,LSM30/34,德国Lestritz公司;万能试验机,XWW,承德市金建检测仪;

塑料摆锤冲击试验机,ZBC 1400-2,深圳市新三思材料检测有限公司;

高速混合机,GH-10,北京塑料机械厂;

台式干燥箱,DG20-002,重庆实验设备厂;

扫描电子显微镜(SEM),Cambridge S250,英国剑桥仪器厂。

2.3 样品制备

将PET在140℃下干燥4 h,然后以22%PET,65%PP和13%SEBS-g-MAH的配比在高速搅拌机中预混1 min;按表2所示温度调整双螺杆挤出机加工温度,得到PP/PET共混体系。

表2 挤出机各段机筒温度Tab.2 Temperature of the co-rotating twin screw extruder

2.4 性能测试与结构表征

拉伸强度按GB/T 1040—1996进行测试,拉伸速度50 mm/min;

悬臂梁缺口冲击强度按GB/T 1843—1996进行测试,V形缺口;

用SEM观察冲击断口切片的形貌。

3 结果与讨论

3.1 模拟结果

3.1.1 累积最大剪切速率分布

统计示踪粒子在流道中所经受的最大剪切速率,可以得到最大剪切速率分布,如图3所示。若曲线上某一点的横坐标为a,纵坐标为b,则说明有b%的粒子经受的最大剪切速率不大于a。从图3中可以看出,同转速下,A构型的分布曲线比B构型偏右,说明A构型流道内物料剪切能力比B构型的强;同一构型时,随着螺杆转速的提高,分布曲线向右移,说明流道内产生的剪切速率随着转速的提高而增强。B构型最大剪切速率分布比A构型分布窄,所提供的剪切速率大小比较集中。

图3 最大剪切速率分布Fig.3 Density distribution of max shear rate

3.1.2 停留时间分布

停留时间分布反映了物料在流道中的时间,统计所有粒子从入口到出口的停留时间可以得到停留时间分布,如图4所示。停留时间分布曲线的分布宽窄反映了纵向混合量的大小。由图4可知,A构型与B构型的停留时间分布曲线都随着螺杆转速的提高而波峰宽度增大,说明随着螺杆转速的提高,粒子在流道中纵向混合量增大。这是因为随着螺杆转速的提高,流量不变的情况下物料在流道内循环流动增大。从图4还可以看出,同转速情况下A构型分布曲线的波峰宽度要大于B构型的,说明有2个反向元件的A构型的纵向混合量要大于B构型。

3.1.3 平均累积应变分布

应变是评价混合性能的一个关键变量,通过应变分布能够整体上评价混合效果的好坏。本文中应变等于粒子所经受的剪切速率与经历的时间的乘积,对所有粒子在流道内所经受的总应变进行统计得出粒子所经受累积应变平均值,如图5所示。从图5可以看出,同种构型下随着螺杆转速的提高,平均累积剪切应变增大;在相同转速下,A构型所经受的平均累积剪切应变要比B构型的大。

图4 停留时间分布Fig.4 Residence time distribution

图5 平均累积应变Fig.5 The average of strain

从以上分析可以看出,构型A提供的剪切速率较高,物料在流道内停留时间较长,因此对物料施加较大应变,有利于提高混合效果。

3.2 分析与讨论

从图6可以看出,同转速下A构型制备的PP/PET共混体系中,小粒径的PET颗粒数量要多于B构型中的,粒径大小也比B构型的均匀。在相同构型不同转速的断面图中,随着螺杆转速的提高,粒径大小分布得更加均匀。正如前面所分析的随着转速的提高,剪切增强,分散能力提高,粒径减小。

从图7(a)可以看出,在同转速下,A构型制备的PP/PET共混体系的拉伸强度要高于B构型,相同构型提高转速,其拉伸强度也随之提高。结果表明,PET在PP中分散的粒径越小、分布越均匀,其拉伸强度越高;其拉伸性能随着转速的提高而提高。

从图7(b)可以看出,尽管A构型所获得的共混体系两相分布较均匀,但在相同条件下,由B构型所得到的材料的冲击强度要大于A构型的,相同构型提高转速后,2种构型所得材料的冲击强度均有所提高。图7表明,由于分散相PET有较好的韧性,可以提高共混体系的抗冲性能,但并不是颗粒越小越好,在共混体系中分布一些粒径稍大的PET颗粒,可使材料受到冲击时能够承受较大的力,提高材料的冲击性能;同时提高转速使共混体系中PET的粒径大小变得更加均匀,可进一步提高材料的韧性。

图6 PP/PET共混体系断面的SEM照片Fig.6 SEM micrographs for fractured surfaces of PP/PET blends

图7 PP/PET共混体系的力学性能Fig.7 Mechanical properties of PP/PET blends

流场模拟和实验观察结果均可表明,A构型能够提供较高的剪切,物料在流道内停留时间较长,物料所受应变大,具有较好的混合性能;B构型最大剪切速率分布窄,停留时间和总应变均小于A构型;随着转速的提高,2种构型的混合性能都有所提升。实验表明,在PP/PET共混体系中,分散相粒径越小越均匀、材料的拉伸强度越高;PP基体中存在一定大小的PET颗粒能够提高共混体系的韧性,其粒径越均匀,韧性越好。

4 结论

(1)分散型构型中2个反向捏合块使得螺杆剪切性能提高,纵向混合量增大,共混体系经受的平均应变增大,混合性能好;

(2)PP/PET共混体系中PET粒径大小影响其冲击强度,PET粒径过小则冲击强度小;PET粒径越小、越均匀,共混体系的拉伸强度越好。

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Mixing Effect of Screw Configuration on the PP/PET Blends

WAN G Wenfei,LUO Bing＊,BI Chao,YUAN Jiechao,XIE Zhaoxing

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

Statistic analysis was applied on the flow field of two configurations of kneading blocks.Based on the flow field simulation of the two configurations at different rotational speeds,the maximum shear rate distribution,RTD and strain distribution were simulated.Meanwhile an experiment was made to validate the analysis result.Results showed that the dispersive configuration made the tensile strength of PP/PET blend better.The diameters of PET particles affect the impact strength in the PP/PET blend.T oo small diameters of PET particles made low impact strength.

meshing twin screw extruder;screw configuration;numerical analysis;polypropylene;poly(ethylene terephthalate);blend

TQ325.1+4

B

1001-9278(2011)02-0108-04

2010-09-09

中央高校基本科研业务费项目(ZZ0913)

＊联系人,emstudent@163.com