通过拉伸剪切实现混合和熔融

作者:文/Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 文章来源:PT《现代塑料》2012年12月刊 发布时间:2012-12-19

拉伸剪切一般只与双螺杆挤出机相关。但是,通过改变垂直于流动方向的流场的几何形状,拉伸剪切也可以通过一个单一的动力(螺杆)而得到实现。

市场上有许多类型的单螺杆混合机,通常可以被归类为分配型和分散型,并且都有各自不同的程度。分配型混合是比较“宏观”的混合,即混合的组分被相等地分配。分散型混合往往更多地涉及“微观”层面,其中高应力通过周围聚合物的粘性剪切被施加给更少的组分,以获得高水平的混合。对于分散混合,除了简单剪切外,还要考虑第二个混合机理——拉伸剪切,它一般只与双螺杆挤出机相关。

然而,最近一些人在单螺杆混合中提倡这一概念。最初笔者对这个想法持怀疑态度,因为通常要产生这种混合,必须要有2个动力。

可是,在与Randcastle挤塑公司的Keith Luker交流后,笔者相信,可以通过改变垂直于流动方向的流场的几何形状,使拉伸剪切通过一个单一动力(螺杆)而得到实现。拉伸剪切的一个例子在纤维挤出所附的图示中有所描述。注意:模孔中的简单剪切以及拉伸剪切,其中拉伸剪切中的纤维横截面会通过牵伸不断地减小。

这种变化很重要,因为拉伸中聚合物的黏度大约是切向或简单剪切(特劳顿(Trouton)比)黏度的3倍。一种材料的黏度越高,把另一种材料混入其中就越有效。通过在拉伸模式下混合,这种较高(3倍)的黏度会大大增加分散效应,使混合物在3倍的剪切应力下分解成更小的组分。此外,拉伸剪切不会像简单剪切的剪切变稀那样使黏度降低。因此,即使在高剪切速率下,黏度仍然能保持在很高的水平。这对显示出高的非牛顿(剪切变稀)行为的聚合物特别有效。

Luker已经用单螺杆混合机来进一步发展了这个概念。这些单螺杆混合机专门被设计成既是主要的熔融装置也是强力混合机,它可应用拉伸剪切通过黏度乘数来增加粘性耗散。试验表明,在设计中采用拉伸剪切时,熔融能够在很短的距离内发生。这复制了发生在双螺杆中的拉伸剪切熔融,使得其中所有的固体可以在一个螺杆的直径中熔融。

这些混合机需要针对单螺杆的应用进行特殊设计。为了形成垂直于主要流场的任何强度的剪切场,熔体流动的形状必须有一个很大的变化。很难想象一根螺杆的几何形状——其中的聚合物在一维方向拉伸的同时也在另一个方向上压缩,且没有压力降。而且,由于螺杆相对于料筒旋转,拉伸剪切和发生在螺槽中的简单剪切将同时发生。

在这一点上,笔者可以想象不依靠由螺杆旋转导致的简单剪切,而仅靠一个压力降的做法来改变熔体流动的形状。Luker和Rauwendaal挤塑工程公司的Chris Rauwendaal,在他们的设计中采用一个压力降来做到这点。但是,压力下降限制了挤出量,并且由于螺槽中的压力流产生了过高的温度,所以添加这些设备时,要求整个螺杆设计中的变化是有效的。

笔者回想到曾在许多比较老的混合机和螺杆设计中看到过有关拉伸剪切流的证据,这或许可以解释混合和/或熔融是怎样在这么小的面积内产生一些非常惊人的效率。对于屏障型螺杆而言,使单螺杆挤出中的拉伸剪切流最大化可能是最重要的一步。

 

在纤维挤出中存在模孔中的简单剪切以及拉伸剪切,拉伸剪切中的纤维横截面会通过牵伸不断地变小

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