同向双螺杆挤出机下落机头的流道设计

张磊，薛凯，李海明

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060；2.中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏 仪征 211900)

2020年初，新冠肺炎疫情席卷全球，病毒以空气为介质传播、蔓延，为了有效防止病毒传播，口罩一时间成为了最有效的防疫用品。而口罩核心层的熔喷布与常规无纺布有很大不同，其所采用的熔喷布的熔融指数一般达到800～1 800 g/10 min，远高于普通无纺布的原料熔指，提升聚丙烯熔喷料的熔融指数尤为关键。

将聚丙烯粉料与过氧化物通过双螺杆挤出机充分反应混合后，通过下落机头挤出、水冷却成条造粒、干燥脱水至掺混储存，可制备熔融指数较高的聚丙烯熔喷料。

高熔指聚丙烯通过下落机头挤出至水槽时，由于物料韧性差，且机头较宽，需改进机头结构，使得物料流动均匀分布，各模孔均匀出条，才能达到使用要求[1]。本文通过数值模拟的手段改进机头的流道，保证挤出制品的质量。

1 二维模型

下图为下落机头二维模型示意图，聚丙烯熔体经过挤出机反应混合后，依次流经过渡体、机头体，由模板挤出。由A-A剖面图可以看出，机头流道相比与过渡体流道有很明显加宽。流道在机头体后板中扩大的角度约为120°，有利于流体向机头两侧流动；机头体前板中的凹槽深度由中间向两侧逐渐变浅，有利于增加流体在机头两侧的流动速度。

图1 自落式拉条机头结构示意图

2 几何模型

机头入口直径56 mm，模板总宽674 mm，其上均布49个Φ5.0×10的模孔。由于流道十分对称，为了节省机时和提高计算精度，取机头流道的1/2进行计算。采用四面体单元划分网格[2]，在模孔和节流环周围进行网格加密，最后网格数为147 726。图2给出了机头流道的几何模型和网格划分。

图2 机头几何模型和网格划分

3 本构方程和边界条件

基于同向双螺杆挤出聚合物熔体的流动过程，可做出以下假设：

（1）物料为不可压缩纯黏性非牛顿流体，不考虑熔体弹性和拉伸黏度。

（2）物料在螺杆流道内是三维等温稳态层流，流道全充满。

（3）流道壁面为全滑移条件。

在以上假设条件下，描述机头流道内物料熔体等温流动的控制方程为

式中：

η——黏度，本文中物料PP的黏度不随剪切速率的变化而变化，即PP的黏度为常数，取值为200 Pa.s。

按照500 kg/h的进料量，计算得出机头入口流量为1.477 5 m3/s，出口为自由出流，流道壁面全滑移，即广义Navier's定律：

式中：

e——指数，e=1时为线性滑移，e≠1为非线性滑移，本文取线性滑移条件。

4 数值计算结果

通过数值计算得到了机头流道内PP熔体的压力场，速度场，剪切速率场和黏度场[3]。选择出口截面为参考面，分析数值计算结果。

表1给出了机头流道内PP熔体各物理量的最值。

表1 机头流道内PP熔体各物理量的最值

5 例子示踪分析

由图3可知，出口截面上，熔体的压力沿模头径向变化不大；对于每一个模孔而言，熔体的压力沿径向逐渐增大，即模孔中心处熔体的压力最大，越靠近孔壁压力越小。

图3 出口截面PP熔体的压力场

由图4可知，出口截面上，熔体的速度沿模头径向变化不大；对于每一个模孔而言，熔体的速度沿径向逐渐减小，即模孔中心处熔体的速度最大，越靠近孔壁速度越小。

图4 出口截面PP熔体的速度场

由图5可知，出口截面上，熔体的剪切速率沿模头径向变化不大；对于每一个模孔而言，熔体的最大剪切速率沿径向略微增大，即模孔中心处熔体的剪切速率最大，越靠近孔壁剪切速率越小。

由图6可知，模头中心孔和最外围孔熔体的最大速度均为0.030 m/s，最小速度均为0.002 m/s，熔体流速在合理的速度差范围内。

综上所述，机头的流道设计比较合理，模孔出口熔体流动比较均匀，有利于挤出质量较好的制品。

图5 出口截面PP熔体的剪切速率场

图6 机头模板中心孔和最外围孔熔体速度分布的比较