混沌转子的混合特性及其在ABS／Al2O3导热材料制备中的应用

金建立，马玉录，谢林生，陈 涛，廖洋威

（华东理工大学，绿色高效过程装备与节能教育部工程研究中心，上海200237）

加工与应用

混沌转子的混合特性及其在ABS／Al2O3导热材料制备中的应用

金建立，马玉录，谢林生＊，陈 涛，廖洋威

（华东理工大学，绿色高效过程装备与节能教育部工程研究中心，上海200237）

利用Polyflow软件对混沌转子及标准转子进行建模模拟，通过对流场的混合指数、累积解聚功及Lyapunov指数分布的分析，研究了2种转子的混炼流场特性以及转子构型和转子转速对其分散分布混合能力的影响，并制备了丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物／球形氧化铝（ABS／Al2O3）导热复合材料。研究了Al2O3粒径、转子结构与混炼工艺对复合材料导热性能的影响。结果表明，采用混沌转子及提高转速均可以获得更好的分散分布混合效果；当Al2O3含量为70%（质量分数，下同）时，采用混沌转子，转速为500r／min时获得最佳的导热及力学性能，所得到的材料的热导率可达1．3W／（m·K）；通过添加石墨（C）可以提高材料的热导率，当Al2O3含量为65%、C含量为5%时热导率可达2．1W／（m·K）。

混沌转子；球形氧化铝；热导率；力学性能；转子构型

0 前言

ABS易于模塑成型，其制品具有优异的综合性能，作为热塑性工程塑料主要应用于电子电器、汽车工业、建筑等领域。在家用电器领域，ABS在壳体的制作中同样得到广泛的应用。在电器使用过程中，电器产生的热量易造成热量积聚、温度升高，另一方面，由于ABS为热的不良导体，使得机体内的热量不易散发，长期处于这种环境会使ABS制品的使用寿命降低，造成塑料件失效。近年来通用级ABS的市场竞争日趋激烈，开发导热ABS材料成为人们关注的热点之一。

为了提高材料的导热性能，通常会在树脂中填充高导热的无机粒子，而粒子在树脂基体中的分散效果是影响复合材料综合性能的主要因素之一。采用高效的混炼装备和混炼工艺，是制备导热ABS材料的关键之一。双转子连续混炼机由于其优异的分散分布混合能力，在聚合物共混、造粒等方面得到了广泛应用。研究表明，转子构型是影响复合材料混炼效果的重要因素之一［1］。转子构型是影响双转子连续混炼机混合效果的关键，研究转子结构对混炼流场特性的影响，对于更加深入地探究双转子连续混炼机的混合特性、拓展其应用领域，解决ABS导热材料的制备难题，提高产品性能，具有极其重要的意义。本文通过模拟的方法研究了转子构型及转速对混炼流场混合特性的影响，并通过双转子连续混炼平台制备了ABS／Al2O3复合材料，研究了转子构型、转子转速以及工艺参数对复合材料导热及力学性能的影响。

1 混沌转子的混合特性分析

1．1 物理模型及特性参数

混沌转子及标准转子的结构如图1所示。转子均由两对旋向相反的螺棱构成，由图中可见，标准转子的正向输送段螺棱与反向输送段螺棱相接，而混沌转子则是由两对间断交错螺棱构成的。由于在左右混炼腔内存在周期性的横向流动，扰乱了物料原有的流动状态，形成周期性的紊流流动，导致整个流场出现混沌流动。相较于标准转子，混沌转子的正向螺棱和反向螺棱相互交错，因此在转子转动过程中，物料在螺棱交汇区会受到8条螺棱在不同区域的不同方向的扰动，使得流场的流线受到破坏并产生混沌流动，提高了流场的紊乱程度进而提高了转子的混合能力。笔者利用Gambit软件对两种转子进行建模，划分网格后导入Polyflow软件进行模拟计算，ABS符合Cross模型，其具体参数：零剪切黏度为2．6×105Pa·s、模型指数为0．86、特征时间为10s。通过流场的混合指数、累积解聚功及修正Lyapunov指数来表征转子的分散分布混合能力。

图1 混沌转子和标准转子的物理模型Fig．1 Model of chaos and standard rotors

1．2 基本假设

数值模拟作如下假设：

（1）假定流场为稳定的等温流场；

（2）假定熔体为不可压缩流体，熔体在流道内完全充满；

（3）假定流动过程为稳定的层流，熔体与流道壁面无滑移，忽略重力和惯性力的影响。

1．3 模拟结果

本节以转子螺棱交点所在平面为参考面，主要通过混合指数、累积解聚功及修正Lyapunov指数来对转子的分散分布混合能力进行表征。

图2 两种构型转子的混合指数分布图Fig．2 Mixing index distribution of standard an chaos rotors

混合指数（λ）是对物料在混炼机筒内被拉伸和剪切的程度进行综合衡量的一个参数。λ是采用拉伸速率张量同拉伸速率张量和旋转张量之和的比值来定义的［23］。λ的大小变化范围为0～1；对于纯旋转运动λ＝0，对于简单剪切运动λ＝0．5，对于纯拉伸流动λ＝1。从图2中可以看出，2种构型的转子流场中的λ分布均呈相似的趋势，主要分布在0．5～0．7之间，以简单剪切运动为主。相比标准转子，混沌转子流场中低于0．5的λ所占的体积分数更小，物料承受更多的拉伸和剪切作用，具有更好的混合性能。从图3中可以看出，在不同相位角下，对于标准转子，大于0．6的λ主要集中分布在混炼相互作用窗内，对于混沌转子，在一定的相位角下左右混炼腔内均出现较大范围的高混合指数的区域，如图3（d）所示，表明相较于标准转子，混沌转子的整个流场均能受到较好的剪切和拉伸作用，混沌转子的这种特性极大促进了整个流场的均匀分散效果，提高了转子的分散分布混合效果。

累积解聚功［4］是表征物料在混合过程中流场对团聚体总解聚作用的参量。不同转子转速条件下，标准转子与混沌转子混炼流场中的物料所经历的累积解聚功分布如图4所示。如图中所示，随着转子转速的提高，混炼流场的累积解聚功分布曲线往右偏移，物料受到的累积解聚功分布范围更广，表明随着转速的提高，受到高解聚作用的粒子的数量增加，流场对团聚体的解聚作用逐渐增强。相比标准转子，混沌转子在400、500r／min时的曲线峰值更小，在600r／min时曲线往右偏移，说明比起标准转子，混沌转子流场中流体受到更高的累积解聚功作用，因此混沌转子具有更好的分散混合效果。

图3 不同相位角下参考面的混合指数Fig．3 Mixing index on reference face under different phases

图4 两种构型转子在不同转速下的累积解聚功分布Fig．4 Cumulative deagglomerating energy distribution of standard and chaos rotors at different speed

修正Lyapunov指数是反映物料在混炼过程中经历的拉伸应变的大小。物料的修正Lyapunov指数越大，意味着混合过程中发生的拉伸应变越大，所经历的拉伸与折叠过程越强烈，分布混合能力越好。不同转速时的物料所经历的修正Lyapunov指数如图5所示。由图中可见，随着转子转速的提高，修正Lyapunov指数提高，表明物料受到的拉伸与折叠总用增强，更加有利于物料的分散与分布混合。此外，相较于标准转子，混沌转子的曲线向右偏移，表明混沌转子的分布混合能力相较于标准转子具有一定的提升。

图5 两种构型转子在不同转速下的修正Lyapunov指数分布Fig．5 The modified Lyapunov exponent distribution of standard and chaos rotors at different speed

2 实验部分

2．1 主要原料

ABS，日本东丽470Y－X68，东莞市楹圣塑胶化工有限公司；

马来酸酐接枝ABS，335K，东莞市樟木头恒泰塑胶原料经营部；

球形Al2O3，粒径分别为5、45μm，郑州市三禾新材料有限公司；

乙撑双硬脂酰胺（EBS－SF），东莞市常平昱塑化经营部；

C，粒径为7μm，上海卡吉特化工科技有限公司；

抗氧剂，1098、168，深圳市滔滔塑化有限公司。

2．2 主要设备及仪器

双转子连续混炼机实验平台，ECM30，自制；

三维高效混合器，GH－5，上海振春粉体设备有限公司；

平板硫化机，YT－LH102A，东莞市仪器检测设备有限公司；

真空干燥箱，DXF－6050，上海新苗医疗器械制造有限公司；

真空扫描式电子显微镜，S－3400N，日本Hitachi公司；

万能试验机，CMT4204，深圳新三思材料检测有限公司；

激光导热仪，LFA447，德国Netzsch公司。

2．3 样品制备

将ABS及Al2O3在80℃下烘干10h，按ABS为27%，Al2O3＋C为70%（其中粒径为45μm和5μm Al2O3质量比为7∶3），其他助剂为3%，称取各原料在高速混合器中混合20min，利用双转子连续混炼机挤出造粒，喂料速度为6kg／h，转子转速分别为400、500、600r／min，卸料门开启度为33%；之后用平板硫化机模压成型，压片温度为200℃，压力为10MPa，热压5min，冷压2min，制成样条用于性能测试。

2．4 性能测试与结构表征

按GB／T 1040—1992测试拉伸性能，拉伸速率为20mm／min，试验结果每组测试5次取平均值；

按GB／T 9341—2000测试弯曲性能，弯曲速率为2mm／min，试验结果每组测试5次取平均值；

按ASTM D5470测试导热性能，测试温度为25℃，同一个样品测试4次。

3 结果与讨论

3．1 转子构型与转速对ABS／Al2O3复合材料性能的影响

影响复合材料导热性能的因素有很多，包括填料的种类及尺寸［5］、填料的分散状态、聚合物 －填料界面结合等等。研究表明，当导热填料达到较高含量时，填料才能够在聚合物基质中形成导热网络。此外，当采用不同粒径填料进行填充时，增加大小粒径颗粒尺寸的比例有助于增加堆积密度，能够形成更多的导热通路从而改善复合材料的热导率［6］。为了获得较好的堆积密度［7］，较小颗粒尺寸应小于较大颗粒尺寸的1／8。将大小粒径填料进行配比［8］时，当大小粒径质量比为7∶3时，可以获得最高的热导率。

从图6可以看出，当转子转速低于500r／min时，ABS／Al2O3复合材料的热导率随着转速的提高而提高，且采用混沌转子制备的复合材料性能优于标准转子制备的复合材料。图7表明，随着转速的升高，Al2O3在ABS中的分散性越好，与模拟结果相符。当转速为400r／min时，采用混沌转子制备的ABS／Al2O3复合材料热导率达1．259W／（m·K），相比纯ABS提高了649%，相比标准转子提高了2%。当转速提升至500r／min时，复合材料的热导率达到1．322W／（m·K），相比400r／min提高了5%，相比纯ABS提高了687%。而当转速继续提高时，热导率下降，这是由于本研究采用的Al2O3粒径较大，ABS黏度较高，继续提高转速会加剧剪切作用以及Al2O3、ABS与筒壁之间的摩擦，导致生热更加迅速，引起ABS的降解，最终影响ABS／Al2O3复合材料的力学和导热性能。

图6 ABS／Al2O3复合材料的热导率Fig．6 Thermal conductivity of ABS／Al2O3composites

图8表明，当转子转速从400r／min提高至500r／min时，混沌转子制备的复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度分别达到10．61MPa、8．88%和21．36MPa，相比400r／min时提高了1%、6．3%和7%，相比标准转子分别提高了4．8%、1%和4．7%。继续提高转速至600r／min时，复合材料的性能下降，这是由于高剪切以及大粒径填充引起ABS的生热降解所引起的。

图7 ABS／Al2O3复合材料的SEM照片Fig．7 SEM of ABS／Al2O3composites

图8 ABS／Al2O3复合材料的力学性能与转速的关系Fig．8 Mechanical properties of ABS／Al2O3composites at different speed

3．2 C与Al2O3复配对ABS性能的影响

诸多研究均表明，采用不同种类［9］、形状［10－13］的导热填料进行复配可以对复合材料的导热性能具有明显的提升作用。本文采用C与Al2O3复配研究不同种类填料复配对复合材料的导热性能的影响。

图9 ABS／C／Al2O3复合材料的热导率Fig．9 Thermal conductivity of ABS／C／Al2O3composites

由图9可以看出，通过Al2O3与C复配可以较为显著的提高复合材料的热导率。当Al2O3含量为65%，C含量为5%时，复合材料的热导率达到2．058W／（m·K），相比ABS／Al2O3复合材料提高了55．7%。ABS／C／Al2O3复合材料的SEM照片如图10所示，通过替换部分Al2O3为C，将C作为连接Al2O3的桥梁，由此在聚合物基体中形成更多的导热通路，以此改善复合材料的导热性能。

ABS／C／Al2O3复合材料的力学性能如图11所示。由图中可见，通过替换部分的Al2O3为C，复合材料的力学性能得到了改善。相比ABS／Al2O3复合材料，ABS／C／Al2O3复合材料的拉伸及弯曲强度均有所提升，而断裂伸长率降低。当替换0．5%Al2O3时，复合材料的拉伸强度达15．24MPa，相比ABS／Al2O3复合材料提升了39．4%，弯曲强度达28．06MPa，相比提高了25．94%。

图10 不同C含量时ABS／C／Al2O3复合材料的SEM照片Fig．10 SEM of ABS／C／Al2O3composites with different content of C

图11 ABS／C／Al2O3复合材料的力学性能Fig．11 Mechanical properties of ABS／C／Al2O3composites

4 结论

（1）混沌转子相对于标准转子具有更好的分散分布混合能力，而且，随着转子转速的提高，转子的分散分布混合能力越好；采用混沌转子制备的ABS／Al2O3相较于标准转子具有更好的导热及力学性能；

（2）当转速为500r／min时，ABS／Al2O3复合材料热导率达1．3W／（m·K），而当转子转速高于500r／min时，实验结果与模拟结果出现偏差，可以通过填充不同粒径的纳米Al2O3对复合材料的导热及力学性能进行改善；

（3）通过C与Al2O3复配对复合材料的性能进行进一步改善，当C含量为0．5%，复合材料的力学性能最佳，且热导率达2．1W／（m·K）。

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埃克森美孚与赢泰达成战略合作 携手助推中国塑料加工行业转型升级

在第31届中国国际塑料橡胶工业展览会期间，埃克森美孚（中国）投资有限公司与恩格尔注塑机械（常州）限公司共同签署战略协议，埃克森美孚将与恩格尔旗下赢泰品牌正式结为战略合作伙伴。恩格尔注塑机械（常州有限公司销售及售后服务总裁冯骁先生和埃克森美孚（中国）投资有限公司副总经理黄卫防先生莅临签约仪式场，就双方未来的合作进行了深入交流。共同签署战略合作协议。恩格尔注塑机械（常州）有限公司作为恩格尔团全资子公司，出产的赢泰品牌是服务于中国及海外新兴市场的新创品牌，专注于为大批量生产标准产品的厂提供高品质、可靠耐用的注塑机。根据协议，埃克森美孚将携手赢泰，为塑机终端用户提供全面的润滑解决方案助力高产量塑料加工厂商实现降本增效，节能减排，同时进一步提升加工稳定性和产品质量。此外，双方将在品合作、市场开发和市场资源支持、润滑油技术交流、润滑油产品供应和服务等方面共同建立长期稳定、优势互补战略合作伙伴关系。

在此背景下，定位于标准化商业应用，并具有高性价比的赢泰注塑机，将帮助塑料加工企业在产业转型中取先机，转向更高质量的注塑生产。而作为润滑油行业的领先者，埃克森美孚则始终致力于提供高性能的润滑产及创新升级的技术服务，帮助塑料加工设备高效稳定运行。旗下美孚DTE 10超凡TM系列液压油，具有卓越的清性能和耐用性，能够帮助延长设备的使用寿命；出色的剪切稳定性和高粘度指数有助于提升液压系统效率，降低备的能源消耗，为终端用户节省运行成本，有效提升企业生产力，帮助企业从竞争日益激烈的市场中脱颖而出。泰的销售及售后服务总裁冯骁先生在签约仪式上表示：“依托于恩格尔的集团优势，赢泰坚持以高品质的产品和信赖的服务为宗旨，不遗余力地打造高效稳定的注塑设备和严谨务实的服务理念。此次与埃克森美孚结为战略作伙伴，希望双方能够携手共进，互惠互利，助推中国塑料加工行业的转型发展。”“在‘工业4．0’和‘中国制025’的大背景下，如何满足用户对于高品质塑料制品的需求是对塑料加工企业的严峻挑战。”埃克森美孚（中国投资有限公司副总经理黄卫防先生说道，“拥有超过150年的润滑管理经验，埃克森美孚不仅为合作伙伴提供全的润滑产品和专业的服务，更能充分认识到合作伙伴所面临的各种需求和挑战。此次埃克森美孚与赢泰签署战合作协议，双方将强强联手，共同帮助塑料加工企业降本增效，不断提升自身生产力，让终端用户生意更顺心。”

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Mixing Characteristics of a Chaos Rotor and Its Application for Preparation of Thermally Conductive ABS／Al2O3Composites

JIN Jianli，MA Yulu，XIE Linsheng＊，CHEN Tao，LIAO Yangwei
（Engineering Center of Efficient Green Process Equipment and Energy Conservation of Ministry of Education，East China University，Shanghai 200237，China）

Models for chaos rotors and standard rotors are established by a Polyflow software．Effects of rotor configuration and rotor speed on dispersive and distributive mixing capabilities were investigated through mixing index，cumulative deagglomerating energy and Lyapunov index of flow fields．ABS／Al2O3composites were also prepared to study effects of particle size，rotor structure and mixing process on their thermal conduction．The results indicated that a better dispersion could be achieved by using the chaotic rotors and increasing rotating speed．Composites containing 70wt%of Al2O3achieved the maximum thermal conductivity and mechanical properties when the chaotic rotor was used at a rotating speed of 500r／min，and the thermal conductivity reached 1．3W／（m·K）．In addition，the addition of graphite fiber could improve thermal conductivity of the composites，and the thermal conductivity reaches 2．1W／（m·K）when 65wt%of Al2O3and 5wt%of graphite fiber were incorporated．

chaos rotor；spherical alumina；thermal conductivity；mechanical property；rotor configuration

TQ320．66＋3

B

1001－9278（2017）07－0075－07

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．013

2017－01－23

国家自然科学基金（51273065）

＊联系人，clxw＠ecust．edu．cn