聚合物微纳层叠挤出过程无机粒子混合效果的仿真分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.11.012

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (11): 70-75.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.11.012

聚合物微纳层叠挤出过程无机粒子混合效果的仿真分析

张莉彦(), 杜翔宇, 丁玉梅, 杨卫民, 焦志伟(), 何伟

北京化工大学机电工程学院，北京 100029

收稿日期:2024-03-11 出版日期:2024-11-26 发布日期:2024-11-21
通讯作者: 焦志伟（1985—），男，教授，从事聚合物加工成型新原理与装备研究， jiaozw@mail.buct.edu.cn
E-mail:zhangly@mail.buct.edu.cn;jiaozw@mail.buct.edu.cn
作者简介:张莉彦（1966—），女，副教授，从事高分子材料先进制造技术研究，zhangly@mail.buct.edu.cn

Simulation analysis of mixing effect of inorganic particles in polymer microlayer⁃stacking extrusion process

ZHANG Liyan(), DU Xiangyu, DING Yumei, YANG Weimin, JIAO Zhiwei(), HE Wei

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

Received:2024-03-11 Online:2024-11-26 Published:2024-11-21
Contact: JIAO Zhiwei E-mail:zhangly@mail.buct.edu.cn;jiaozw@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于具有自主知识产权的扭转式微纳层叠方法，利用粒子示踪技术分析了微纳层叠单元对无机粒子的分散调控作用，并在相同流场条件下，将其与双螺杆混合进行对比。结果显示：本文中所使用的微纳层叠单元因其独特的扭转结构，流道内存在强剪切应力，在相同条件下，其平均剪切应力是双螺杆的几十倍；微纳层叠单元出口粒径在小尺寸区域占比更多，且峰值密度达0.09，较双螺杆高出0.07。所以综合各表征结果发现，本文所使用的微纳层叠单元对无机粒子有较强的分散调控能力，能够使粒子在聚合物基体中实现较好的分散混合。本文证实了微纳层叠装置对无机粒子与聚合物熔体的混合作用。

关键词: 聚合物, 微纳层叠, 仿真模拟, 无机粒子, 混合效果

Abstract:

Based on the torsional micro⁃nano stacking method with the state proprietary intellectual property rights， the dispersive regulation of inorganic particles by micro⁃nano stacking units was analyzed using a particle tracer technology， and it was compared with the twin⁃screw mixing effect under the same flow field. The results indicated that the micro⁃nano laminated element used in this study had a strong shear stress in the flow channel because of its unique torsional structure. Under the same conditions， the average shear stress was dozens of times as much as that of the twin⁃screw mixing. The outlet particle size of the micro⁃nano laminated unit had a larger proportion in the small size area， and its peak density was 0.09， which was 0.07 higher than that of the twin⁃screw mixing. Based on these characterization results， the used micro⁃nano stacked units exhibited a strong ability to disperse and regulate inorganic particles， resulting in better dispersion and mixing of particles in the polymer matrix. The mixing effect of inorganic particles and polymer melt by micro⁃nano lamination device was also verified.

Key words: polymer, microlayer co?extrusion, simulation, inorganic particle, mixing effect

中图分类号:

TQ315

张莉彦, 杜翔宇, 丁玉梅, 杨卫民, 焦志伟, 何伟. 聚合物微纳层叠挤出过程无机粒子混合效果的仿真分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(11): 70-75.

ZHANG Liyan, DU Xiangyu, DING Yumei, YANG Weimin, JIAO Zhiwei, HE Wei. Simulation analysis of mixing effect of inorganic particles in polymer microlayer⁃stacking extrusion process[J]. China Plastics, 2024, 38(11): 70-75.

图/表 15

图1 一分四层叠流道模型

Fig.1 Model of the one⁃quarter four⁃layer runner

图2 层叠流道几何模型

Fig.2 Model of the layer⁃stacking element runner

入口长

（L₁）

入口宽（W₁）

出口长

（L₂）

出口宽

（W₂）

流道长度

（L）

100

110

表1 流道结构参数 (mm)

Tab.1 Flow channel structure parameters

图3 分散、分布混合原理图

Fig.3 Schematic diagram of mechanism of dispersion and distribution mixing

图4 微纳层叠单元剪切应力云图

Fig.4 Shear stress cloud image of the micronano laminated elements

图5 最大剪切应力分布密度

Fig.5 Maximum shear stress distribution density

流道类型	平均剪切应力
双螺杆	61 636
层叠	5 068 985

表2 不同工艺的平均剪切应力 (Pa)

Tab.2 Average shear stress of different processes

图6 出口粒径分布密度曲线

Fig.6 Diameter distribution density curves at the outlet

图7 微纳层叠单元中心截面剪切速率云图

Fig.7 Shear rate cloud image of central section of the micronano laminated element

图8 微纳层叠单元不同截面剪切速率云图

Fig.8 Shear rate cloud image of the micronano laminated element with different sections

图9 微纳层叠单元内分子取向示意图

Fig.9 Schematic diagram of the molecular orientation in layer⁃stacking element runner

图10 分布指数曲线

Fig.10 Distribution index curves

图11 微纳层叠单元速度云图

Fig.11 Velocity cloud image of the layer⁃stacking element runner

图12 分离尺度曲线

Fig.12 Separation scale curves

图13 2种粒子的分布混合过程

Fig.13 Distribution mixing process of the two particle

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