PVC 木塑單螺桿擠出機(jī)熔融段的熔融過(guò)程

1、PVC 木塑單螺桿擠出機(jī)熔融段的熔融過(guò)程*摘要: 建立PVC 木塑單螺桿擠出機(jī)熔融段流道的三維模型，使用FLUENT 模擬PVC 木塑復(fù)合材料在熔融段流道內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和熔融過(guò)程，模擬分為考慮黏性耗散熱和不考慮黏性耗散熱2 種情況。通過(guò)分析模擬結(jié)果，得到物料的熔融過(guò)程以及流道內(nèi)各流場(chǎng)的變化過(guò)程，對(duì)比模擬的2 種情況，得到流體黏性耗散熱占流場(chǎng)總能量的百分比。木塑復(fù)合材料1，是在塑料基體中添加20% 85% 的木粉和各種加工助劑，利用高速混合機(jī)混合后，經(jīng)造粒而成的。是近年在國(guó)內(nèi)外蓬勃興起的新型復(fù)合材料，它兼有木材和塑料的優(yōu)良特性，還有塑料和木材不具有的優(yōu)點(diǎn)。其可以減少?gòu)U舊塑料對(duì)環(huán)境的危害，提高木材

2、的綜合利用率，并且其適用范圍廣，應(yīng)用市場(chǎng)大，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，所以近年來(lái)在國(guó)際上得到了廣泛關(guān)注，木塑產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用也得到迅速發(fā)展2。目前，木塑擠出成型設(shè)備是在塑料擠出設(shè)備的基礎(chǔ)上基于經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)而成。關(guān)于塑料擠出成型設(shè)備，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。國(guó)內(nèi)朱復(fù)華，袁明君等3 4對(duì)其熔融理論做了大量的研究，目前塑料擠出設(shè)備和理論已經(jīng)很完備，而木塑材料的熔融理論還沒(méi)有。由于其中含有木粉，所以木塑與塑料有很大不同，造成現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備存在產(chǎn)量低、產(chǎn)品質(zhì)量差等缺點(diǎn)。文章主要針對(duì)木塑材料，通過(guò)熔融段的數(shù)值模擬，了解木塑材料在單螺桿擠出機(jī)中的熔融過(guò)程和過(guò)程中流場(chǎng)的變化情況，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)和對(duì)木塑專(zhuān)用裝備的

3、開(kāi)發(fā)具有重要參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)促進(jìn)我國(guó)木塑行業(yè)發(fā)展也具有重大意義。1 熔融段流道的模型模擬選取的是一種漸變型螺桿。實(shí)際的熔融段長(zhǎng)度大約是螺桿外徑的5 倍，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這里只取了3 倍的螺距來(lái)進(jìn)行模擬5。熔融段流道的三維圖、截面圖、網(wǎng)格文件圖，如圖1 所示，流道的參數(shù)見(jiàn)表1。圖1( a) 中坐標(biāo)系的原點(diǎn)為螺槽較深端面的中心，x 軸和y 軸相互垂直，且位置可以互換?？紤]到PVC 木塑復(fù)合材料的特性和模擬軟件FLUENT 自身的一些限制，做出了如下的一些簡(jiǎn)化和假設(shè): 1) 物料在入口處處于壓實(shí)的狀態(tài); 2) 物料固體和熔體的一些特性參數(shù)值相同，如密度，并且都為常數(shù); 3) 熔體為不可壓縮熔體; 4)

4、 熔體流動(dòng)為層流流動(dòng)，壁面無(wú)滑移，忽略重力; 5) 熔融相變發(fā)生在一定的溫度范圍內(nèi)。描述聚合物熔融的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，如公式( 1) ( 3) 所示。2 模擬參數(shù)設(shè)置模擬計(jì)算采用的物料是PVC 木塑復(fù)合材料，它的塑料機(jī)體是聚氯乙烯，由于木粉的加入導(dǎo)致木塑的參數(shù)相對(duì)于聚氯乙烯都有所改變，木塑的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，其參數(shù)如表2 所示。木塑復(fù)合材料熔體為非牛頓流體，且為冪律流體，所以黏度模型選用FLUENT 中的非牛頓冪律模型，黏度方程為:式中: k 為稠度指數(shù)的量度; n 是與滿(mǎn)足冪律的牛頓流體背離程度的量度; T0為參考溫度; 為剪切速率; 為黏度值6。根據(jù)流變實(shí)驗(yàn)所得到的黏度數(shù)據(jù)，如

5、表3，使用MATLAB 軟件，擬合得到黏度方程式中的未知參數(shù)。邊界參數(shù)如表4，使用壓力基求解器，運(yùn)用SIMPLEC 算法耦合求解壓力和速度，動(dòng)量和能量采用一階迎風(fēng)離散方法，殘差曲線(xiàn)的精度設(shè)為0. 001，能量曲線(xiàn)設(shè)為1 × 10 6 ，使用瞬態(tài)方法進(jìn)行模擬6。3 模擬結(jié)果及分析3. 1 熔融趨勢(shì)分析1) 取30 s 時(shí)，從入口到出口各個(gè)軸向截面上的液體分?jǐn)?shù)分布云圖進(jìn)行對(duì)比，相鄰兩面距離為0. 01 m。從圖2 的液體分?jǐn)?shù)分布云圖可以看出，入口螺槽內(nèi)的液體分?jǐn)?shù)基本為零，螺棱與機(jī)筒的間隙處不為零，說(shuō)明物料在螺棱與機(jī)筒之間最先熔融。z = 0. 01 時(shí)，機(jī)筒內(nèi)壁出現(xiàn)了熔膜，螺桿推進(jìn)面附近

6、的熔膜比拖曳面附近的厚。隨著z 值的增大，熔膜厚度增加，由于螺桿與機(jī)筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熔膜被刮到螺桿推進(jìn)面附近，不斷積累，形成熔池。從z = 0. 02 和z = 0. 03 可以看出，隨著熔池的積累和螺桿表面溫度的升高，螺桿表面的物料也逐漸熔融，隨著z 值的不斷增大，螺桿表面熔融程度不斷增大，然后接近螺桿推進(jìn)面附近的螺槽中部物料也不斷熔融，熔融從螺桿推進(jìn)面到拖曳面和從機(jī)筒表面以及螺桿表面向中部不斷蔓延，接著拖曳面附近的流道中部也逐漸熔融，逐漸形成環(huán)流。隨z 值增大，各部分熔融程度不斷增加，到z = 0. 17 時(shí)，物料達(dá)到了完全熔融，后面的一些面也都完全熔融。熔融的先后順序?yàn)槁堇馀c機(jī)筒之間的部分

7、，機(jī)筒內(nèi)壁，螺桿推進(jìn)面，螺桿表面，拖曳面和螺槽中部最后熔融4，7。由于木粉的加入，導(dǎo)致和塑料相比，物料的完全熔融程度降低，達(dá)到完全熔融所需的時(shí)間增加。2) 取z = 0. 2 截面從1 24 s 的液體分?jǐn)?shù)分布云圖進(jìn)行對(duì)比，時(shí)間間隔為1 s，這是在螺桿軸向一個(gè)固定位置處熔融情況隨時(shí)間的變化情況，在24 s 時(shí)此面已達(dá)到完全熔融。觀察圖3 中z = 0. 2 截面不同時(shí)刻的液體分?jǐn)?shù)分布云圖，可以看出其熔融過(guò)程與t = 30 s 不同面上的相同。所以以上2 種方式都能反映出熔融段流道的熔融過(guò)程。3. 2 流場(chǎng)分析取1 25 s 之間，間隔為2 s 的13 個(gè)時(shí)刻，以及z = 0 到z =0. 27

8、 間隔為0. 03 的10 個(gè)面，通過(guò)fluent 后處理得到各個(gè)面在不同時(shí)刻各流場(chǎng)的面積加權(quán)平均值，將數(shù)據(jù)平滑連接得到曲線(xiàn)圖4 6。3. 2. 1 壓力場(chǎng)分析從圖4 可以看出，初始時(shí)刻，面積加權(quán)平均壓力隨z 值的增大而減小，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)刻以后，壓力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)壓力先增大后減小，壓力最大處出現(xiàn)在z = 0. 21 附近，入口的壓力小于出口的壓力。從圖5 可以看出，除出口外，每個(gè)面上的面積加權(quán)平均壓力都是隨時(shí)間先減小后達(dá)到穩(wěn)定，越接近出口，壓力達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越短。從圖6 可以看出，流道整體壓力也是按先減小后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)發(fā)展的。3. 2. 2 速度場(chǎng)分析取y = 0. 045，y = 0

9、. 043，y = 0. 041，螺桿表面，x = 0，z 從0 到0. 27 的4 條直線(xiàn)，得到軸向方向直線(xiàn)的速度變化如圖7 所示。由圖7 得出不同方向上的速度分量變化規(guī)律如下。1) x 向速度: 由于材料沿x 軸運(yùn)動(dòng)的方向與x 軸正向相反，所以速度都為負(fù)值。同一直線(xiàn)上x(chóng) 向速度的大小在螺槽內(nèi)隨z值的增大而增大，螺桿推進(jìn)面和拖曳面附近的速度從螺槽底部到螺棱表面逐漸增大，螺棱表面的速度最大，不同直線(xiàn)上的螺棱表面的速度大小相同。2) y 向速度: 模擬發(fā)現(xiàn)y 向速度值較小，說(shuō)明螺槽內(nèi)部的徑向運(yùn)動(dòng)不是很強(qiáng)烈。在螺桿推進(jìn)面和拖曳面附近的速度值較大，螺桿推進(jìn)面附近的y 向速度為負(fù)值，說(shuō)明熔體是從機(jī)筒內(nèi)

10、壁向螺桿表面運(yùn)動(dòng)，拖曳面附近為正值，說(shuō)明熔體是從螺桿表面向機(jī)筒內(nèi)壁運(yùn)動(dòng);3) z 向速度: y 值越大，z 向速度值越小。螺桿表面z 方向的速度分量為0，其他直線(xiàn)上z 向速度在螺槽內(nèi)隨著z 值的增大而增大，螺桿推進(jìn)面和拖曳面附近的速度從螺槽底部到螺棱表面逐漸增大，螺棱表面的速度最小，為零，說(shuō)明螺棱與機(jī)筒內(nèi)壁之間的物料沒(méi)有z 方向的運(yùn)動(dòng);4) 總體速度: 在螺槽內(nèi)總體速度變化趨勢(shì)是隨z 值增大而增大的，螺桿推進(jìn)面和拖曳面附近的速度從螺槽底部到螺棱表面逐漸增大，螺棱表面的速度最大，螺棱表面的速度大小相同。取z = 0. 06，z = 0. 09，z = 0. 15，z = 0. 18，z = 0.

11、 24 這5 個(gè)截面上，x = 0，y 從0 到0. 0453 這5 條直線(xiàn)，得到徑向方向直線(xiàn)的速度分布如圖8，圖9 為1 個(gè)螺距范圍內(nèi)徑向直線(xiàn)的y 向速度變化的對(duì)比圖。結(jié)合圖8、9 可以得出徑向方向直線(xiàn)的速度分量變化規(guī)律，由于螺槽深度不同，所以不同直線(xiàn)的起點(diǎn)不同，但終點(diǎn)相同:5) x 向速度: 徑向方向直線(xiàn)的x 向速度變化趨勢(shì)相同，都是隨著y 值的增大而減小，但不是線(xiàn)性減小。y 值相同時(shí)，z 值越大，速度值越大;6) y 向速度: 圖9( a) 中兩條直線(xiàn)都處于螺桿推進(jìn)面附近，表明螺桿推進(jìn)面附近的直線(xiàn)，y 向速度都為負(fù)值，說(shuō)明螺桿推進(jìn)面附近的熔體都是從機(jī)筒內(nèi)壁向螺桿表面運(yùn)動(dòng)，趨勢(shì)為隨y 值的

12、增大速度值先增大后減小，螺槽中部的y 向速度值最大。螺桿推進(jìn)面附近直線(xiàn)y 向速度值較大，比其他直線(xiàn)上的速度大一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖9( b) 為拖曳面附近的直線(xiàn)，y 向速度都為正值，說(shuō)明拖曳面附近的熔體都是從螺桿表面向機(jī)筒內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，趨勢(shì)為隨y 值的增大，y 向速度值先增大后減小，螺槽中部的y 向速度值最大。其他段的結(jié)果顯示，螺槽中間直線(xiàn)上的y 方向速度的變化趨勢(shì)沒(méi)有一定的規(guī)律，但y 向速度值大多都為正值，速度值較小，說(shuō)明螺槽中部材料徑向方向的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺穆輻U表面到機(jī)筒內(nèi)壁，徑向運(yùn)動(dòng)不明顯。7) z 向速度: 由于螺槽深度是漸變的，所以y 的變化范圍隨z 值的增大而減小。z 向速度值隨著y 值的增大先增

13、大后減小，螺槽中部值最大。隨z 值的增大，z 向速度的峰值也隨之增大;8) 整體速度: 整體速度是3 個(gè)方向速度的矢量疊加，其變化趨勢(shì)是隨著y 值的增大而減小，但不是線(xiàn)性減小。3. 2. 3 液體分?jǐn)?shù)分析從圖10 看出，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)刻，液體分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)逐漸重合，說(shuō)明液體分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)液體分?jǐn)?shù)先增大后趨于穩(wěn)定，z 值較大的一些面達(dá)到了完全熔融。從圖11 看出，同一面的液體分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是先增大后達(dá)到平穩(wěn)，z 值越大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定時(shí)的液體分?jǐn)?shù)越高。從圖12 看出，流道整體的液體分?jǐn)?shù)隨時(shí)間先增大后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明流道的液體分?jǐn)?shù)達(dá)到一定時(shí)刻趨于穩(wěn)定，逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)。3. 2.

14、 4 溫度場(chǎng)和熱焓分析由圖13 得出，初始階段，溫度從入口到出口呈增大趨勢(shì)，入口和出口幅度較大，中間部分增加幅度較小，一定時(shí)刻后，溫度先增大后減小，溫度最大處出現(xiàn)在z = 0. 24 平面上，后面的溫度曲線(xiàn)逐漸重合，說(shuō)明溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定。由圖14 得出，入口處由于溫度邊界條件的設(shè)置，溫度不變，其它面上的溫度隨時(shí)間先增大后趨于穩(wěn)定。z 值越大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定時(shí)的溫度越高。由圖15 得出，流道整體面積加權(quán)平均溫度隨時(shí)間先增大后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明流道的溫度一定時(shí)刻后會(huì)趨于穩(wěn)定8。由圖16 得出整體熱焓的變化趨勢(shì)同溫度相同，也是先增大后達(dá)到穩(wěn)定。3. 2. 5 黏性耗散熱分析圖18 為考慮和不考慮黏性耗散熱2 種情況下的熱焓值對(duì)比，從差值來(lái)看，黏性耗散熱隨著時(shí)間的增加也在不斷增加。但從圖17 可以看出，黏性耗散熱占考慮黏性耗散熱情況下總的熱焓值的比例隨著時(shí)間的增加越來(lái)越小，變化幅度越來(lái)越小，由于總體熱焓值會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定，所以此百分比也會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，所以可以得到，在此邊界條件設(shè)置下，穩(wěn)定時(shí)黏性耗散熱百分比大概在10 %左右5。4 結(jié)論1) 流道熔融