不同滑移条件对聚乳酸在异向双螺杆中的挤出过程影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.018

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (12): 115-122.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.018

不同滑移条件对聚乳酸在异向双螺杆中的挤出过程影响

徐珍¹^,²(), 黄志刚¹^,²(), 程媛媛¹^,²

^1.北京工商大学人工智能学院，北京 100048
^2.塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048

收稿日期:2024-06-28 出版日期:2024-12-26 发布日期:2024-12-25
通讯作者: 黄志刚（1966-），男，北京工商大学教授，博士，huangzg@btbu.edu.cn
E-mail:842174296@qq.com;huangzg@btbu.edu.cn
作者简介:徐珍(2000-)，男，北京工商大学在读硕士研究生，842174296@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(32172277)

Influence of different slip conditions on the extruding process of PLA in counter⁃rotating twin screw

XU Zhen¹^,²(), HUANG Zhigang¹^,²(), CHENG Yuanyuan¹^,²

^1.School of Artificial Intelligence，Being Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Plastic Beijing Municipal Key Laboratory of Health and Safety Quality Evaluation Technology，Beijing 100048，China

Received:2024-06-28 Online:2024-12-26 Published:2024-12-25
Contact: HUANG Zhigang E-mail:842174296@qq.com;huangzg@btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

使用相对运动法推导出端面曲线并建立为三维模型，在Gambit软件中其网格划分后导入Ansys有限元仿真软件，通过在仿真运动过程中设定不同的滑移边界条件来模拟物料在机筒内壁面和螺杆表面上发生的滑移现象，将得到的相关物理场数据用后处理软件以云图和变化曲线形式展现后进行研究分析；计算不同条件下挤出过程的体积流率，并使用示踪粒子法探究物料在流道中的运动轨迹。结果表明，壁面滑移条件有利于提升异向双螺杆在螺杆啮合处的建压能力和剪切能力，螺杆滑移条件有利于挤出过程中流道内压力稳定，使局部高压现象消失，有利于延长机器使用寿命；两种滑移条件都会使异向双螺杆在螺杆与机筒间隙处剪切能力降低；两种滑移条件都会使异向双螺杆挤出流率下降，导致物料在挤出过程中的停留时间变长。

关键词: 双螺杆挤出机, 异向啮合, 聚乳酸, 滑移现象, 有限元分析

Abstract:

End curve is deduced and built in the method of relative motion for the 3 d model， after its meshing in Gambit software into the finite element simulation software Ansys， through the simulation process of motion are set up different slip boundary conditions to simulate the material in barrel inner surface and the screw on the surface of sliding phenomenon， The obtained physical field data were presented in the form of cloud chart and change curve by post⁃processing software for research and analysis. The volume flow rate of the extrusion process under different conditions was calculated， and the tracer particle method was used to explore the movement trajectory of the material in the flow channel. It is found that the wall slip condition is conducive to improving the pressure building ability and shear ability of the counter⁃rotating twin screw at the screw engagement， and the screw slip condition is conducive to the stability of the pressure in the flow channel during the extrusion process， so that the local high pressure phenomenon disappears and the service life of the machine is prolonged. The shear capacity of the counter⁃rotating twin screw decreases at the gap between the screw and the barrel under both sliding conditions. Both slip conditions will decrease the extruding flow rate of the hetero⁃twin screw， resulting in a longer residence time of the material during extrusion.

Key words: twin screw extruder, different meshing, polylactic acid, slip phenomenon, finite element analysis

中图分类号:

TQ320.66⁺3

徐珍, 黄志刚, 程媛媛. 不同滑移条件对聚乳酸在异向双螺杆中的挤出过程影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(12): 115-122.

XU Zhen, HUANG Zhigang, CHENG Yuanyuan. Influence of different slip conditions on the extruding process of PLA in counter⁃rotating twin screw[J]. China Plastics, 2024, 38(12): 115-122.

图/表 27

螺杆外径/mm	螺杆内径/mm	中心距/mm	导程/mm	头数/个
25	16	21	25	2

表1 螺杆元件几何参数

Tab.1 Screw element geometric parameters

图1 三维螺杆模型

Fig.1 3D screw model

图2 向内转动

Fig.2 Turn inward

图3 向外转动

Fig.3 Turn outward

图4 螺杆共轭配合

Fig.4 Screw conjugate fit

图5 螺杆非共轭配合

Fig.5 Screw non⁃conjugate fit

机筒内径/mm	中心距/mm	长度/mm
26	21	25

表2 流道区域几何参数

Tab.2 Flow channel area geometric parameters

图6 三维流道模型

Fig.6 3D flow channel model

零剪切黏度

$η 0$ /Pa·S

相关松弛时间

$λ$ /s

非牛顿指数n

无穷剪切黏度

η ∞

/Pa

2 504.235

0.060 7

0.253

表3 聚乳酸在190℃下的熔融体特性参数

Tab.3 Characteristic parameters of PLA melt at 190℃

表3 聚乳酸在190℃下的熔融体特性参数

Tab.3 Characteristic parameters of PLA melt at 190℃

图7 异向双螺杆挤出模型

Fig.7 Counter⁃rotating twin screw extrusion model

图8 螺杆与机筒间隙处

Fig.8 Gap between screw and barrel

图9 螺杆啮合处

Fig.9 Screw engagement

图10 壁面滑移条件下流道内压力云图

Fig.10 Pressure cloud image in flow channel under wall slip condition

图11 螺杆滑移条件下流道内压力云图

Fig.11 Pressure cloud image in flow channel under screw slip condition

图12 不同滑移条件下螺杆啮合处压力变化曲线

Fig.12 Pressure variation curves at screw meshing under different slip conditions

图13 不同滑移条件下螺杆与机筒间隙处压力变化曲线

Fig.13 Pressure variation curves at the gap between screw and barrel under different slip conditions

图14 壁面滑移条件下流道内剪切速率云图

Fig.14 Shear rate cloud image in flow channel under wall slip condition

图15 螺杆滑移条件下流道内剪切速率云图

Fig.15 Shear rate cloud image in flow channel under screw slip condition

图16 不同滑移条件下螺杆啮合处剪切速率变化曲线

Fig.16 Shear rate variation curves at screw meshing under different slip conditions

图17 不同滑移条件下螺杆与机筒间隙处剪切速率变化曲线

Fig.17 Shear rate variation curves at the gap between screw and barrel under different slip conditions

图18 壁面滑移条件下流道内黏度云图

Fig.18 Viscosity cloud image in flow channel under wall slip condition

图19 螺杆滑移条件下流道内黏度云图

Fig.19 Viscosity cloud image in flow channel under screw slip condition

图20 不同滑移条件下螺杆啮合处黏度变化曲线

Fig.20 Viscosity variation curves at screw meshing under different slip conditions

图21 不同滑移条件下螺杆与机筒间隙处黏度变化曲线

Fig.21 Viscosity variation curves at the gap between screw and barrel under different slip conditions

图22 不同滑移条件下挤出过程体积流率变化曲线

Fig.22 Flow rate variation curves during extrusion under different slip conditions

图23 累积停留时间概率分布曲线

Fig.23 Cumulative residence time probability distribution curve

图24 停留时间概率密度分布曲线

Fig.24 Probability density distribution curve of residence time

参考文献 20

1	刘丰颉，李伟，彭新洋，等. 聚乳酸的制备、改性及应用进展研究［J］. 塑料科技， 2024， 52（05）： 156⁃160.
	LIU F J， LI W， PENG X Y，et al. Preparation， modification and application progress of polylactic acid ［J］. Plastics Science and Technology， 2024， 52（05）： 156⁃160.
2	李欣，郑化安，付东升. 聚乳酸材料的合成、改性及应用［J］. 橡塑资源利用， 2015（02）： 18⁃22.
	LI X， ZHENG H A， FU D S. Synthesis， modification and application of polylactic acid materials ［J］. Rubber & Plastic Resources Utilization， 2015（02）： 18⁃22.
3	黄志刚，蒋卫鑫，李鑫，等. 啮合异向双螺杆挤出机仿真研究［J］. 包装学报， 2019， 11（03）： 9⁃15.
	HUANG Z G， JIANG W X， LI X，et al. Simulation research on meshing contrastive twin⁃screw extruder［J］. Journal of Packaging， 2019， 11（03）： 9⁃15.
4	KUMAR P S R， ARUMUGAM S K. Non⁃Newtonian and non⁃isothermal numerical modelling of a twin screw hydrogen extruder with slip imposed boundary condition on the screw surface ［J］. Fusion Engineering and Design， 2020：161.
5	LEWANDOWSKI A， WILCZYNSKI K. Global modeling of single screw extrusion with slip effects ［J］. International Polymer Processing， 2019， 34（1）： 81⁃90.
6	曹英寒，陈晋南. 壁面条件对异向锥形双螺杆挤出硬质聚氯乙烯过程的影响［J］. 科技导报， 2010， 28（12）： 61⁃65.
	CAO Y H， CHEN J N. Effect of wall conditions on the extrusion process of rigid polyvinyl chloride by an eccentric conical twin screw ［J］. Science and Technology Review， 2010， 28（12）： 61⁃65.
7	MALIK M， KALYON D M， GOLBA J C， J R. Simulation of Co⁃Rotating Twin Screw Extrusion Process Subject to Pressure⁃Dependent Wall Slip at Barrel and Screw Surfaces： 3D FEM Analysis for Combinations of Forward⁃ and Reverse⁃Conveying Screw Elements ［J］. International Polymer Processing， 2014， 29（1）： 51⁃62.
8	ROBERT L， VERGNES B， DEMAY Y. Flow birefringence study of the stick⁃slip instability during extrusion of high⁃density polyethylenes ［J］. Journal of Non⁃Newtonian Fluid Mechanics， 2003， 112（1）： 27⁃42.
9	魏静，梁新龙，陈大兵，等. 异向啮合型双螺杆捏合机转子型线演化及其混合性能［J］. 机械工程学报， 2014， 50（15）： 34⁃44.
	WEI J， LIANG X L， CHEN D B， et al. Evolution of rotor profile and mixing performance of differential meshing twin⁃screw kneader ［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（15）： 34⁃44.
10	WILCZYNSKI K， NASTAJ A， LEWANDOWSKI A， et al. Fundamentals of Global Modeling for Polymer Extrusion ［J］. Polymers， 2019， 11（12）.
11	陈龙，董力群，张亚军，等. 基于SolidWorks API的异向双螺杆的参数化设计［J］. 中国塑料， 2018， 32（01）： 120⁃124.
	CHEN L， DONG L Q， ZHANG Y J，et al. Parametric design of heterodirectional twin screw based on solidWorks API ［J］. China Plastics， 2018， 32（01）： 120⁃124.
12	王从晓，郑家欣，赵玉印，等. 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 C X， ZHENG J X， ZHAO Y Y， et al. Effect of screw configuration on properties of PBAT/Talc composites ［J］. China Plastics， 2023， 37（12）： 101⁃108.
13	朱向哲，石兆东. 非啮合双螺杆挤出机三维流场数值模拟［J］. 机械设计与制造， 2007（05）： 177⁃179.
	ZHU X Z， SHI Z D. Numerical simulation of three⁃dimensional flow field of non⁃meshing twin⁃screw extruder ［J］. Machinery Design & Manufacture， 2007（05）： 177⁃179.
14	罗恒煜，李俊宇，刘方，等. 挤出过程中热塑性弹性体SIS剪切粘度的研究［J］. 特种橡胶制品， 2024， 45（03）： 62⁃68.
	LUO H Y， LI J Y， LIU F， et al. Study on SIS shear viscosity of Thermoplastic elastoids during extrusion process ［J］. Special Rubber Products， 2024， 45（03）： 62⁃68.
15	LE CORRE A S， BRISSET A. Twin⁃screw extrusion ［J］. Manufacturing Confectioner， 2008， 88（3）： 62⁃64.
16	耿孝正. 双螺杆挤出机及其应用［J］. 中国塑料， 2005（02）： 73.
	geng x Z. Twin⁃screw extruder and its application ［J］. China Plastics， 2005（02）： 73.
17	WHITE J L， KEUM J， JUNG H， et al. Corotating twin⁃screw extrusion reactive extrusion⁃devolatilization model and software ［J］. Polymer⁃Plastics Technology and Engineering， 2006， 45（4）： 539⁃548.
18	安琪，黄志刚，胡淑珍，等. 适应性网格技术在异向双螺杆挤出机中的仿真［J］. 食品与机械， 2021， 37（04）： 91⁃97.
	AN Q， HUANG Z G， HU S Z， et al. Simulation of adaptive grid technology in different twin screw extruder ［J］. Food and Machinery， 2021， 37（04）： 91⁃97.
19	纪占国. 分层界面滑移对聚合物共挤成型过程影响的数值模拟研究［D］. 2008.
20	MERCIER M， HOPPE S， HU G H， et al. Local residence time distributions in an intermeshing corotating twin screw extruder ［J］. Chemie Ingenieur Technik， 2001， 73（6）： 659.

[1]	崔豹, 杨建军, 吴庆云, 吴明元, 张建安, 刘久逸. 聚乳酸复合材料共混改性研究及应用进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 129-136.
[2]	丁馨怡, 顿东星, 秦骏熙, 陈钰蕾, 韩羽菲, 张玉霞, 周洪福. 成核剂ST⁃NAB3改性扩链聚乳酸的微观结构与性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 41-46.
[3]	邹晓月, 徐佳慧, 陈振树, 杨友强, 陆湛泉, 贾雨欣, 李成, 叶南飚, 曹堃. 口罩过滤材料及其驻极技术的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 47-53.
[4]	董光, 侯仰喆, 袁洪跃, 刘宪虎, 潘亚敏. 多孔聚乳酸材料的制备及结构性能优化进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(8): 132-140.
[5]	胡永祥, 谢纪岭, 李伟铭, 张璐, 汤香港, 吕亿同, 申红望, 鞠冠男. 马来酸酐接枝改性GTR对聚乳酸性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 20-24.
[6]	王杰, 辛德华, 李晖, 蒋洪石, 周洪福, 赵建国. 纳米黏土与二氧化硅协同改性聚乳酸研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 43-48.
[7]	杨超永, 郭金强, 王富玉, 张玉霞. 挤出吹塑工艺对PBAT/PLA共混体系微观结构与性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 82-87.
[8]	孛海娃, 赵中国, 王筹萱, 薛嵘. 高导电、低逾渗PLA/CNTs导电复合材料的结构设计及性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 13-18.
[9]	沈丹彤, 薛雨亭, 李荣杰, 徐芳, 翁云宣. 聚乳酸基水性聚氨酯的制备及其在合成革中的应用研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 19-25.
[10]	陈浩, 杨卫民, 寻尚伦, 张海涛, 焦志伟. 双螺杆挤出机塑化系统电磁加热过程的数值模拟与实验研究及应用[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 101-108.
[11]	戚士界, 游翔宇, 王瑞晨, 周琳菲, 张慧洁. 高木质素含量聚乳酸共混材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 45-51.
[12]	谭晶, 王智, 王朔, 付宏岩, 李长金, 李好义, 杨卫民, 张杨. 树枝状聚合物对聚乳酸熔体微分电纺纤维膜的增韧改性研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 7-13.
[13]	马秀清, 劳志超, 李明谦, 韩顺涛, 胡楠. 3D打印工艺参数对PLA/PTW共混物力学性能影响的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 70-75.
[14]	任思颖, 杜佳慧, 孙滔, 吴怡锋, 郭久实, 云雪艳. PLLA/PDBI共混薄膜的热学、力学及阻隔性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(12): 60-65.
[15]	徐珍黄志刚程媛媛. 不同滑移条件对聚乳酸在异向双螺杆中的挤出过程影响[J]. , 2024, (12): 0-0.

不同滑移条件对聚乳酸在异向双螺杆中的挤出过程影响

Influence of different slip conditions on the extruding process of PLA in counter⁃rotating twin screw

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 27

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价