螺杆构型对PLA/PTW共混物性能影响的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.014

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (11): 127-134.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.014

螺杆构型对PLA/PTW共混物性能影响的研究

马秀清¹, 劳志超¹, 李明谦¹, 韩顺涛²(), 胡楠³()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.中国核电工程有限公司，北京 100840
^3.航天特种材料及工艺技术研究所，北京 100074

收稿日期:2023-06-13 出版日期:2023-11-26 发布日期:2023-11-22
通讯作者: 韩顺涛（1994—），男，助理工程师，从事材料改性研究，hanshuntaohst@163.com
胡楠（1996—），男，助理工程师，从事热塑/热固性复合材料先进制造技术研究，550704188@qq.com
E-mail:hanshuntaohst@163.com;550704188@qq.com

Effect of screw configuration on performance of PLA/PTW blends

MA Xiuqing¹, LAO Zhichao¹, LI Mingqian¹, HAN Shuntao²(), HU Nan³()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.China Nuclear Power Engineering Co，Ltd，Beijing 100840，China
^3.Research Institute of Aerospace Special Materials and Process Technology，Beijing 100074，China

Received:2023-06-13 Online:2023-11-26 Published:2023-11-22
Contact: HAN Shuntao, HU Nan E-mail:hanshuntaohst@163.com;550704188@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

选用剪切元件（KB元件）、拉伸元件（S元件）、常规螺纹元件（SE元件）和混合元件（SME元件）设计了4种啮合同向双螺杆挤出机混合段螺杆构型，模拟研究了螺杆构型对聚乳酸/乙烯⁃丙烯酸丁酯⁃甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物（PLA/PTW）共混体系混合效果的影响，分别通过出入口压差、加权平均剪切应力、累积最大剪切应力、回流系数和累积停留时间表征了螺杆构型的正向输送能力、分散混合能力和分布混合能力，并采用实验方法研究了复合材料的力学性能。结果表明，KB元件和SME元件分散布置时具有较强的分散混合和分布混合能力，PLA/PTW共混体系的混合效果更好，且能在PLA/PTW共混物拉伸强度基本不变的情况下进一步提高其冲击强度，同时，模拟结果和实验结果吻合，表明模拟可为混合段螺杆构型的优化提供指导。

关键词: 螺杆构型, 混合性能, 数值模拟, 力学性能

Abstract:

Four types of screw configurations in the mixing section were designed for a co⁃rotating twin screw extruder using shear elements （KB⁃elements）， tensile elements （S⁃elements）， conventional threaded elements （SE⁃elements）， and mixed elements （SME elements）. The influence of screw configuration on the mixing effect of poly（lactic acid） PLA/ethylene⁃butyl acrylate⁃glycidyl methacrylate copolymer （PTW） blends was simulated and studied. The forward conveying ability， dispersion mixing ability， and distribution mixing ability of the screw configuration were investigated through employing the pressure difference between the inlet and outlet， weight⁃average shear stress， cumulative maximum shear stress， backflow rate， and cumulative residence time， respectively. The mechanical properties of as⁃prepared composite materials were studied using an experimental method. The results indicated that KB elements and SME elements had strong dispersion and distribution mixing abilities， and the PLA/PTW blends obtained a better mixing effect. Such a screw configuration could further improve the impact strength of the composite materials， whereas their tensile strength almost kept stable. At the same time， the simulation results were consistent with the experimental ones， indicating that the simulation can provide guidance for optimizing the screw configuration in the mixing section.

Key words: screw configuration, mixing performance, numerical simulation, mechanical property

中图分类号:

TQ320.7

马秀清, 劳志超, 李明谦, 韩顺涛, 胡楠. 螺杆构型对PLA/PTW共混物性能影响的研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 127-134.

MA Xiuqing, LAO Zhichao, LI Mingqian, HAN Shuntao, HU Nan. Effect of screw configuration on performance of PLA/PTW blends[J]. China Plastics, 2023, 37(11): 127-134.

图/表 16

编号	螺杆构型	类型
B1	KB/60/60°⁃SE/20/30⁃SME/20/60	KB/SME，分散布置
B2	SE/20/30⁃KB/60/60°⁃SME/20/60	KB/SME，集中布置
B3	S/2/60⁃SE/20/30⁃SME/20/60	S/SME，分散布置
B4	SE/20/30⁃S/2/60⁃SME/20/60	S/SME，集中布置

表1 混合段螺杆构型

Tab.1 Configuration of the mixing section screws

Polyflow

网格重叠

机筒

六面体

Gambit

表2 网格划分方法

Tab.2 Grid division strategy

区域	T₁	T₂	T₃	T₄	T₅	T₆	T₇
加工温度/ $℃$	150	160	170	180	180	170	155

区域	T₁	T₂	T₃	T₄	T₅	T₆	T₇
加工温度/ $℃$	150	160	170	180	180	170	155

表3 机筒各段温度设定值

Tab.3 Temperature setting value of each section of the barrel

表3 机筒各段温度设定值

Tab.3 Temperature setting value of each section of the barrel

图1 螺杆构型示意图

Fig.1 Schematic diagram of the screw configuration

类别

喷嘴温度/

$℃$

填充率/

打印速率/

mm $∙$ s^-1

打印平台温度/

$℃$

类别

喷嘴温度/

$℃$

填充率/

打印速率/

mm $∙$ s^-1

打印平台温度/

$℃$

拉伸试样制备

210

冲击试样制备

210

100

表4 3D打印机工艺参数

Tab.4 3D printer process parameter

表4 3D打印机工艺参数

Tab.4 3D printer process parameter

图2 4种螺杆构型的压力云图

Fig.2 Pressure clouds images of the four screw configurations

图3 4种螺杆构型的出入口压力差

Fig.3 Pressure difference of inlet and outlet of the four screw configurations

图4 4种螺杆构型的剪切应力云图

Fig.4 Shear stress cloud images of the four screw configurations

图5 4种螺杆构型的加权平均剪切应力

Fig.5 Weighted average shear stress of the four screw configurations

图6 4种螺杆构型的回流系数

Fig.6 Backflow rate of the four screw configurations

图7 4种螺杆构型的80 %粒子的累积停留时间

Fig.7 Cumulative residence time of 80 % particles of the four screw configurations

图8 4种螺杆构型时80 %粒子的累积最大剪切应力

Fig.8 Cumulative maximum shear stress of 80 % particles prepared with four screw configurations， respectively

螺杆构型	$N 1$	$N 2$	$N 3$
B1	0.352 7	0.729 9	1.082 6
B2	0.347 7	0.710 6	1.058 3
B3	0.304 3	0.685 1	0.989 4
B4	0.302 9	0.646 3	0.949 2

螺杆构型	$N 1$	$N 2$	$N 3$
B1	0.352 7	0.729 9	1.082 6
B2	0.347 7	0.710 6	1.058 3
B3	0.304 3	0.685 1	0.989 4
B4	0.302 9	0.646 3	0.949 2

表5 4种螺杆构型下PLA/PTW共混体系的混合系数

Tab.5 Mixing coefficients of PLA/PTW blends under four screw configurations， respectively

表5 4种螺杆构型下PLA/PTW共混体系的混合系数

Tab.5 Mixing coefficients of PLA/PTW blends under four screw configurations， respectively

图9 4种螺杆构型下PLA/PTW共混物的力学性能

Fig.9 Mechanical properties of PLA/PTW composites under four screw configurations， respectively

螺杆构型	冲击强度/kJ·m^-2	拉伸强度/MPa	$N 4$
B1	28.02	18.81	46.83
B2	25.69	18.64	44.33
B3	19.32	18.24	37.56
B4	18.25	18.05	36.30

螺杆构型	冲击强度/kJ·m^-2	拉伸强度/MPa	$N 4$
B1	28.02	18.81	46.83
B2	25.69	18.64	44.33
B3	19.32	18.24	37.56
B4	18.25	18.05	36.30

表6 4种螺杆构型下PLA/PTW共混物的综合力学性能指数

Tab.6 Comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations， respectively

表6 4种螺杆构型下PLA/PTW共混物的综合力学性能指数

Tab.6 Comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations， respectively

螺杆构型	$N 1$	$N 4$
B1	1.082 6	46.83
B2	1.058 3	44.33
B3	0.986 9	37.56
B4	0.949 4	36.30

螺杆构型	$N 1$	$N 4$
B1	1.082 6	46.83
B2	1.058 3	44.33
B3	0.986 9	37.56
B4	0.949 4	36.30

表7 4种螺杆构型下PLA/PTW共混物的综合混合系数和综合力学性能指数

Tab.7 Comprehensive mixing coefficient and comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations， respectively

表7 4种螺杆构型下PLA/PTW共混物的综合混合系数和综合力学性能指数

Tab.7 Comprehensive mixing coefficient and comprehensive mechanical property index of PLA/PTW composites under four screw configurations， respectively

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