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在聚合物加工过程中,常常需要加入一些添加剂或改性剂,以改善高分子树脂的某些性能,或将几种聚合物进行共混,形成一种新的、具有一定的综合性能的共混材料。所有这些操作工艺过程,都要求以附聚体形态加入的添加剂在连续相中能够解聚分散,并分布均匀。对于某些需要有特殊性能的材料,还要求分散相以某种特定的织构形态存在于连续相之中。这就对混炼设备提出了较高的要求。双转子连续混炼机作为一种新型连续混炼设备,具有优异的混炼特性。
本文以球形颗粒附聚体在简单剪切熔体流场中的破裂及磨蚀能量的理论分析、高聚物专用流体力学有限元计算分析软件POLYFLOW、骤停冷冻取样分析的间断式可视化实验方法及混沌理论的应用等四大手段,系统研究了双转子连续混炼机共混熔体流场的分布特性、固体添加剂附聚体破裂磨蚀的分散混合过程及附聚体解聚后混沌均布的分布混合过程；首次提出表征混炼机分散混合能力的参量解聚功率密度Nmix和平均解聚功Mmix,提出以物料平均停留时间为基准的修正Lyapunov指数来表征混炼机分散相均匀分布的能力；创建了一种具有高分散混合能力的楔形螺棱转子结构的双转子连续混炼机。具体分述如下：
1.作者运用能量法对固体附聚体的解聚过程进行了分析,导出了一个描述解聚速率的动力学方程,-e-d/et=Nmix/a/d-,提出了用描述流场聚合物熔体推动附聚体解聚的能力大小的参数Nmix(解聚功率密度)来表征附聚体的解聚速率。运用数值计算的方法,可以对双转子连续混炼机混炼流场各部位的这一新的评判指标进行分析,以评价、改进混炼机流场各点的分散混合能力。
2.作者采用拉格朗日法,提出了一个描述单位体积物料在整个混炼过程中所承受到流场给与的解聚功的大小的指标--平均解聚功Mmix,以表征附聚体在混炼机的实际解聚分散过程中所受到的能量。实验表明：物料所经受的平均解聚功越大,最终共混物中附聚体的尺寸越小,分散混合效果越好。
3.作者采用物料的停留时间作为参考时间,修正了无限长时间的混沌流动特征参量Lyapunov指数,并提出用该参量(修正Lyapunov指数)来表征混炼流场的拉伸速率和折叠作用的大小,经过计算机数值模拟计算发现,混炼流场的绝大部分的修正Lypapunm,指数均远远大于0,证明了双转子连续混炼机的混炼过程为混沌混合过程。并从实验和数值模拟两个方面证实了双转子连续混炼机混炼流场具有混沌流动特性(即存在S.Small旋涡),导致共混物容易形成相互交错的网络状微观相织构与相形态。
4.作者采用冷冻可视化的实验方法,对双转子连续混炼机的耗散熔融混炼过程进行了实验研究。提出：聚合物在熔融过程中没有形成明显的熔池结构,而是始终以固--液混杂的形式存在,固体熔融的所需要的热量是由转子反向输送来的高温聚合物熔体在高剪切和强拉伸变形下所产生的粘性耗散热所提供。同时,在混炼腔的C形区,聚合物的混炼过程带有非常明显的层状拉伸折叠流动特点,该流动特点赋予了设备非常有益的分散和分布混合特性。
5.作者依据混炼流场中解聚功率密度分布的特点,提出了一种楔形螺棱转子截面结构。该结构一方面优化了聚合物熔体在混炼过程中沿着转子表面的流动,防止物料随着转子一起在混炼腔内空转,使得物料能够沿着转子螺棱的推进面循序进入高剪切区,提高了混炼效率；另一方面,增加了螺棱顶部物料的流动速度和通过次数,减少物料每次在螺棱顶部的停留时间,防止聚合物熔体过热,避免了聚合物在高剪切区经受过度的剪切而导致其降解和大分子链的过度断裂,也避免了对添加剂原始颗粒的表面特性产生过多的损害,降低了混炼功率消耗。
该转子结构已经获得了国家发明专利,并且成功地运用于多套由作者自行开发的双转子连续混炼造粒机组中,使得开发的设备较进口同类设备产能提高了20％,取得了良好的社会和经济效益。