三螺杆挤出机混炼性能评价及剪切-拉伸交变流场作用机制研究

There is a totally new requirement for the compounding process and equipments with the rapid development of polymer multi-phase alloy and its nano-composites. We developed a novel lab triple screw extruder based on the concept of incorporation of energy input, residence time and controllable extensional flow field. An alternate distributive-dispersive blending model formed by unique shearing-extension alternating flow field was proposed. New mechanism of utilization of flow filed to precise control the size of dispersion phase will be investigated by build up the relationship between the hydrodynamic force acting on polymer melt and the parameters from equipments and process. The above relationship was constructed by the research of control model for the shearing-extension alternating flow field. An evaluation system for compounding equipments will also be build up, which take output per revolution, energy efficiency, residence time and pressure building up ability as the core. The system can provide the theory support both for enhancing the performances of existing equipments and for developing novel high performance compounding equipments. Compounding results from the polymer alloy with high viscosity ratio and its nano-composites, combined with the results from visualized simulation and CFD analyze, will be used to make a comparison study for the comprehensive performances of the different type of compounding extruders. The novel triple screw extruder will also be evaluated to promote its function and application in the preparation of polymer based new materials.

聚合物多相合金体系及其纳米复合材料的快速发展对混炼加工工艺和装备提出了全新的要求。本课题前期在基于构建可分别调控输入能量、停留时间及具有可控拉伸力场环境的思路指导下，研制开发了新型三螺杆实验挤出机；提出了剪切-拉伸交变流场所形成的分布-分散交替混合模型。通过研究交变流场的控制模式，将工艺和设备结构参数与对聚合物体系的流体作用力关联起来，探索利用外场实现分散相尺度精确控制的新机制。结合设备和工艺参数，建立一套以单转产量、能量效率、停留时间和建压能力为核心的混炼装备性能评价体系，将为优化现有混炼设备性能，进一步开发高性能混炼装备提供理论依据。以高黏度比两相聚合物合金和纳米复合体系为主要研究对象，结合可视化模拟实验和流体有限元分析，比较不同类型混炼挤出机的综合性能，并对新型三螺杆挤出机混炼性能进行全面评价，从而推动这种混炼装备在聚合物新材料体系的加工中发挥积极的作用。

聚合物共混过程通常是在加工设备所构建的流场作用下完成的，因此流场形式及其作用机制的研究对于深入理解混合机理，控制和预测混炼效果具有重要的科学意义和工程应用价值。. 本项目通过建立三角形三螺杆挤出机的流场模型，计算获得了各参数对拉伸流场的影响规律，为构建可控拉伸流场奠定了理论基础。利用流体有限元模拟对流场的理论模型进行了验证，同时将该理论模型与吴守恒方程相结合，成功预测了聚酰胺（PA66）/聚苯醚（PPO）体系分散相的直径分布，并得到实验验证，阐明了三螺杆挤出机剪切-交变流场作用机制。. 项目建设了小型可视化综合实验平台，依托该平台系统开展了混炼设备性能评价方面的研究，通过建立涵盖建压、输送和混合的无量纲参数评价体系，最大限度消除不同设备之间结构、尺寸、加工物料等的差异，为实现共混设备综合性能评价和比较奠定基础。.项目开展了三螺杆挤出装备对不同复杂共混体系的实验研究，重点涉及极高黏度比PA66/PPO合金共混、原位成纤复合体系、玻纤增强体系、纳米复合体系等的研究，充分体现了三螺杆挤出技术在共混和复合材料制备领域的优势和发展潜力。. 通过项目组的努力，完成项目的研究目标，获得如下重要结果：.（1）.通过三螺杆挤出机构建了可控拉伸流场，数值模拟与实验明确了其剪切-拉伸交变的作用机制。流场平均拉伸速率较双螺杆挤出机提升50%，中心区最高拉伸速率达到平均值的25倍。.（2）.无量纲评价体系的研究表明三螺杆挤出机输送能力较双螺杆提升50%以上，能效水平降低20%，制品的综合力学性能提升近100%。.（3）.改善多种复杂体系共混合金及复合材料制备工艺和材料性能，推动其在更多先进材料制备领域进行应用。. 项目共发表相关论文17篇（含已录用），其中SCI收录5篇；申请发明专利2项，其中1项获得授权；培养研究生6人，其中博士3名，硕士3名；举办两次国际和国内学术会议，参加三次国内学术会议并作大会报告，该技术已经在三个设备制造厂家进行了成果转化与应用，相关装备已经在广州金发，江苏精良等进行使用。