螺杆构型对PBAT/Talc复合材料性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.12.015

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (12): 101-108.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.12.015

螺杆构型对PBAT/Talc复合材料性能的影响

王从晓, 郑家欣, 赵玉印, 苏振乾, 任峰()

北京化工大学机电工程学院，北京 100029

收稿日期:2023-06-25 出版日期:2023-12-26 发布日期:2023-12-26
通讯作者: 任峰（1982—），男，副教授，研究方向为热塑性树脂基复合材料、生物基复合材料，Email: renfeng@mail.buct.edu.cn
E-mail:renfeng@mail.buct.edu.cn

Effect of screw configuration on properties of PBAT/Talc composites

WANG Congxiao, ZHENG Jiaxin, ZHAO Yuyin, SU Zhenqian, REN Feng()

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

Received:2023-06-25 Online:2023-12-26 Published:2023-12-26
Contact: REN Feng E-mail:renfeng@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过模拟和实验相结合的方式研究了不同混合段的螺杆构型对PBAT/Talc复合材料性能的影响。结果表明，物料中填料的分散均匀性与螺杆中分散分布混合螺纹元件个数成正相关的关系，但分散分布混合元件数量的增加会加剧聚合物的降解，导致力学性能下降；以先分布后分散的螺纹元件组合方式制备的复合材料展现了最佳性能。

关键词: 螺杆构型, 分散分布混合, 薄膜性能

Abstract:

T　he effect of screw configurations of mixing section on the performance of PBAT/Talc composites was investigated through a combination of simulation and experimentation. The results indicated that the uniform dispersion of fillers in the matrix was positively correlated with the number of mixing screw elements for dispersion distribution. However， an increase in the number of dispersion distribution elements accentuated the degradation of the PBAT matrix， leading to a decrease in the mechanical properties. This study demonstrated that the composites exhibited optimal performance when prepared through a combination of sequential distribution and dispersion of screw elements.

Key words: screw configuration, dispersed mixing, film performance

中图分类号:

TQ320.66⁺3

王从晓, 郑家欣, 赵玉印, 苏振乾, 任峰. 螺杆构型对PBAT/Talc复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(12): 101-108.

WANG Congxiao, ZHENG Jiaxin, ZHAO Yuyin, SU Zhenqian, REN Feng. Effect of screw configuration on properties of PBAT/Talc composites[J]. China Plastics, 2023, 37(12): 101-108.

图/表 13

实验编号	实验类型	编码
1^#	对照组	SE/36/36+SE/36/36+ SE/24/24+SE/24/24
2^#	分散混合	SE/36/36+SE/24/24+K45/5/24+K45/5/12+ K90/5/12+SE/24/12L
3^#	分布混合	SE/36/36+SE/24/24+SME+TME+SE/24/12L
4^#	先分散后分布	SE/36/36+K45/5/24+SE/24/24+TME+SE/24/12L
5^#	先分布后分散	SE/36/36+TME+SME+K45/5/24+K45/5/12L
6^#	分散分布交错布置	SE/24/24+K45/5/24+SME+TME+ K45/5/12+ K45/5/12

表1 各实验组螺杆构型

Tab.1 Screw configuration for each experimental group

边界	边界条件	代号	数值	单位
机筒壁面	壁面无相对运动	VB	0	m/s
左螺杆	转速	NL	150	r/min
右螺杆	转速	NR	150	r/min
流场入口	体积流率	Q	1.043×10^-6	m³/s
流量出口	出口压力	P	5	MPa

表2 边界条件的设定

Tab.2 Setting boundary conditions

图1 同向旋转双螺杆挤出机ZSK25的螺杆组合图

Fig.1 Schematic of the screw configuration of the co⁃rotating twin⁃screw extruder ZSK25

图2 6种不同螺杆组合下的剪切应力云图

Fig.2 Shear stress fields from the six different screw configurations，respectively

图3 6种不同螺杆组合下的累积最大剪切应力分布图

Fig.3 Cumulative maximum shear stress distribution by the six different screw configurations，respectively

图4 不同螺杆构型下流道中流体的回流量

Fig.4 Return flow of fluid in the channel by the different screw configurations，respectively

图5 示踪粒子在流场中的停留时间分布及其概率密度

Fig.5 Distribution of residence time of tracer particles in the flow field and their probability density

图6 不同螺杆构型下的PBAT/Talc共混料的SEM照片

Fig.6 SEM diagram of PBAT/Talc blend under different screw combinations

图7 滑石粉在PBAT基体中的分布均匀性对比

Fig.7 Comparison of the distribution uniformity of talc in PBAT matrix

图8 PBAT/Talc复合共混料的流变曲线图

Fig.8 Rheological curve of a PBAT/Talc complex

图9 螺杆构型对PBAT/改性Talc复合薄膜的拉伸性能的影响

Fig.9 Effect of screw configuration on tensile properties of PBAT/modified talc composite film

样品	平均剪切应力/MPa	平均停留时间/s	回流量/ cm³·s^-1	拉伸强度/ MPa	断裂伸长率/%
1^#	0.216	39.7	4.34	33.8	426
2^#	0.218	49.0	5.20	34.3	527
3^#	0.232	45.3	4.98	34.2	457
4^#	0.234	46.9	4.71	32.7	410
5^#	0.230	49.6	5.61	35.4	489
6^#	0.228	47.9	6.07	34.5	507

表3 部分模拟结果与薄膜拉伸性能数据统计

Tab.3 Part simulation results and film tensile performance statistics

图10 模拟结果与拉伸强度之间的关系

Fig.10 Relationship between simulation results and tensile strength

参考文献 17

1	张婷，张彩丽，宋鑫宇，翁云宣. PBAT薄膜的制备及应用研究进展［J］. 中国塑料， 2021， 35（7）： 115⁃125.
	ZHANG T， ZHANG C L， SONG X Y， WENG Y X. Research progress in preparation and applications of PBAT films［J］. China Plastics， 2021， 35（7）： 115⁃125.
2	CHEN J H， CHEN C C， YANG M C. Characterization of nanocomposites of poly（butylene adipate⁃co⁃terephthalate） blending with organoclay［J］. Journal of Polymer Research， 2011， 18（6）： 2 151⁃2 159.
3	YESMINE F， QUIM T， PERé M， et al. PBAT/thermoplastic starch blends： Effect of compatibilizers on the rheological， mechanical and morphological properties［J］. Carbohydrate Polymers， 2018， 199： 51⁃57.
4	JEAN MARIE R， YOGARAJ N， RAMANI N， et al. Novel high⁃performance talc/poly［（butylene adipate）⁃co⁃terephthalate］ hybrid materials［J］. Macromolecular Materials and Engineering， 2008， 293（4）： 310⁃320.
5	孙静，黄安荣，罗珊珊，等. 扩链剂对PBAT/Talc复合材料性能影响研究［J］. 塑料科技， 2021， 49（8）： 1⁃6.
	SUN J， HUANG A R， LUO S S， SHI M， LUO H. Effect of chain extender on the properties of PBAT/talc composites［J］. Plastics Science and Technology， 2021， 49（8）： 1⁃6.
6	ZHANG X X， ZHANG W， SU J S， et al. Preparation， characterization， and properties of polyethylene composites highly filled with calcium carbonate through co⁃rotating conical twin⁃screw extrusion（Article）［J］. Journal of Vinyl and Additive Technology， 2014， 20（2）： 108⁃115.
7	耿孝正. 双螺杆挤出机及其应用［M］. 2003.
8	黄丽，郑旖旎，吕亚非，等. 不同混合方式对超高分子量聚乙烯复合材料中填料粒子分散性的影响［J］. 北京化工大学学报（自然科学版）， 2006，（1）： 105⁃107，111.
	HUANG L， ZHENG Y N， LV Y F， et al. Effects of different mixing methods on properties of UHMWPE⁃based composites［J］. Journal of Beijing University of Chemical T Echnology， 2006，（1）： 105⁃107，111.
9	李彦辉，马秀清，武学伟，等. 啮合异向双螺杆挤出机中捏合块元件对PE⁃HD/PS不相容体系混合效果的研究［J］. 中国塑料， 2010， 24（9）： 94⁃98.
	LI Y H， MA X Q， WU X W， TIAN J. Influence of kneading blocks on the mixing effect of PE⁃HD/PS immiscible blend in intermeshing counter⁃rotating twin screw extruder［J］. China Plastics， 2010， 24（9）： 94⁃98.
10	BERNARDO F， COVAS J， EACUTE， et al. On⁃line optical monitoring of the mixing performance in co⁃rotating twin⁃screw extruders［J］. Polymers， 2022， 14（6）： 1 152.
11	KOKI M， TATSUYA T. A modified blister mixing element for generating extensional flow in a twin⁃screw extruder： Process characterization and dispersion state of carbon nanotubes in cyclo⁃olefin polymer［J］. Polymer Engineering & Science， 2022， 62（4）： 1 223⁃1 238.
12	赵勃. 挤出工艺条件对玻纤增强聚丙烯复合材料中玻纤保留长度的影响［J］. 上海塑料， 2021， 49（4）： 51⁃54.
	ZHAO B. Effect of extrusion conditions on glass fiber retention length of glass fiber reinforced polypropylene composites［J］. Shanghai Plastics， 2021， 49（4）： 51⁃54.
13	张俊义，马秀清. 斜齿齿形盘与直齿齿形盘混合性能的对比研究［J］. 中国塑料， 2004， 18（3）： 83⁃87.
	ZHANG J Y， MA X Q. Contrast of mixing results of TME and ZME in co⁃rotating twin screw extruders［J］.China Plastics，2004，18（3）：83⁃87.
14	岳进峰. 基于含能材料的同向双螺杆挤出大型机的研究［D］. 北京：北京化工大学， 2020.
15	CHAO Z， LING Z， NICOLIN G， et al. DEM analysis of residence time distribution during twin screw granulation［J］. Powder Technology， 2021， 377： 924⁃938.
16	MOHAMMADI M， M⁃C HEUZEY， CARREAU P J， et al. Interfacial localization of CNCs in PLA/PBAT blends and its effect on rheological， thermal， and mechanical properties［J］. Polymer， 2021， 233.
17	STEENE S V D， RENTERGHEM J V， VANHOORNE V， et al. Identification of continuous twin⁃screw melt granulation mechanisms for different screw configurations， process settings and formulation［J］. International Journal of Pharmaceutics， 2022， 630： 122322.

[1]	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.
[2]	陈佳楠李翱. 热熔挤出中吲哚美辛熔化和混合机理的研究[J]. 中国塑料, 2018, 32(09): 90-95.
[3]	方辉, 吴方娟. 螺杆构型对反应挤出制备聚乙烯/聚酰胺6原位合金的影响[J]. 中国塑料, 2015, 29(10): 98-102 .
[4]	崔同伟, 马秀清. 螺杆构型对PA6/PE-LD共混体系性能的影响[J]. 中国塑料, 2015, 29(07): 104-111 .
[5]	田军马秀清武学伟李彦辉. 捏合盘错列角和厚度对聚丙烯降解的影响[J]. 中国塑料, 2010, 24(08): 99-102 .
[6]	刘志忠汪克风陶巍王成望. 啮合同向双螺杆挤出机的螺杆构型对玻璃纤维增强PA66/PA6合金力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2009, 23(10): 92-96 .
[7]	胥伟伟马秀清王小武王录国. 螺杆构型对PP/PA6共混物性能和相态结构的影响[J]. 中国塑料, 2009, 23(08): 95-100 .
[8]	操彬, 马秀清, 方辉, 周新慧. 不同螺杆构型下充满度与接枝反应接枝率关系的研究[J]. 中国塑料, 2007, 21(7): 77-82.

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