选对双螺杆挤出机螺杆组合，碳纤维增强PA6混合、分散效果稳了

碳纤维增强树脂基复合材料由于其具有比重小、刚度好、强度高和耐高温等优点，被广泛应用于航空领域，医疗领域和汽车及船舶制造中。

双螺杆挤出工艺出色的混炼技术、自洁以及高产低耗等优点，并且在注塑和模压技术越发成熟后，双螺杆挤出的熔体能够根据不同的工况要求模压出不同的适用模型，使其成为碳纤维增强树脂基复合材料最主要的制备方式。

1.1螺纹元件的排列组合

如图1所示，螺杆为同向啮合双螺杆，布局采用常规的增强螺杆布局。

如a组螺杆所示，螺杆按功能的不同分为5个区，从1区箭头处开始进料，物料经过螺距递减的正螺纹元件传输后不断压实并进入2区；2区主要由3组45°啮合块组成，形成高压高剪切区域，主要起到熔融物料和初步剪切的作用；剪切后的物料经过3区的输送进入到4区，4区为排气段，反螺纹元件起到建压、密封熔体的作用，大螺距螺纹则有利于物料平铺在排气段，形成低充满度，更方便排出水汽以及分解气；在完成排气后，物料则会通过5区小螺距传输元件挤出流体区域。由于3组啮合块的作用，a组螺杆能完成对大部分物料的初步剪切，但相应的缺乏进一步剪切以及混合的能力。

在a组螺杆的基础上，通过对螺杆的剪切和混合能力进行优化，分别设计b、c、d 3组螺杆。螺杆的进料段、排气段等都与初始螺杆保持一致，对3区的正螺纹元件进行改装，将第3、4对32mm的正螺纹元件分别替换成30°啮合块+22 mm正螺纹元件、两组90°啮合块元件、两组开槽螺纹元件3种不同的组合，探讨相比于初始a组螺杆，经过优化改装的b、c、d3组螺杆是否能进行进一步的剪切和混合作用。

1.2样品制备将

PA6树脂放在110℃真空干燥箱中6h进行干燥脱水，干燥完成后与5股的碳纤维从1区进料口加入到双螺杆挤出机中，根据上述4种螺杆组合依次制备样品。其中螺杆转速为160 r/min，PA 6进料速率为2.5 Hz，挤出温度根据螺杆不同区段的作用设置为5个温度段，分别为240、245、250、245、240℃。最后制成40%（质量分数）的碳纤维增强PA 6复合材料的圆柱形样条并记录物料在螺杆中的停留时间，将其用切粒机剪切成圆柱形颗粒，干燥后用于后续实验。

1.3性能测试与结构表征

碳纤维长度均匀性测试：

将挤出的粒料用马弗炉在850℃高温下烧30 min，去除树脂成分，用乙醇和离心机将碳纤维灰分进行分散，取出部分碳纤维放在载玻片上，干燥后用徕卡显微镜观察碳纤维的保留长度，最后用Image Pro Plus进行测量和分析；

碳纤维分布情况测试：

将干燥后的粒料试样用镶嵌料进行镶嵌，镶嵌完成后依次用1 000目和1 200目的砂纸对观测表面进行预打磨，打磨后使用3μm聚金刚石悬浮液在150 r/min和20 N的条件下进行自动抛光30 min，最后使用0.05μm的氧化铝悬浮液以150 r/min和15 N的参数条件进行30 min抛光制样，镶嵌试样以a、b、c、d组分别依次对应4组不同的螺杆组合，最后用徕卡显微镜对抛光面进行观察。

2.1停留时间分析

延长熔体在双螺杆机筒内停留时间，可以使其被充分地搅拌混合。从进料口到出料口的螺杆长度为74 cm，以碳纤维进入流体空间剪切开始计时，到出料孔出现夹杂碳纤维PA6熔体结束计时，得到如下物料停留时间图。

双螺杆挤出机中影响熔体停留时间主要因素有螺杆转速和加料量，螺杆转速和加料量增加都将使停留时间显著减少。相比而言，不同螺杆元件主要是因建压和输送能力的差异造成停留时间不同，所以产生的影响相对较小。

从图2中可以看出，物料在不同型号螺杆中的实际停留时间为开槽螺纹>90°啮合块>30°啮合块>正螺纹。这是因为在相同螺杆转速下，啮合块的错列角导致相邻的啮合盘之间出现物料交换。正向啮合块中，连续排列的啮合盘形成类似螺纹的螺旋角，使得物料可以沿挤出方向输送。然而，由于啮合盘之间存在空隙，物料在通过啮合块时会在这些空隙中回流。啮合块的错列角越大，相邻啮合盘之间的空隙越大，回流现象越严重，导致物料输送能力下降和停留时间增加。90°的啮合块相比30°的啮合块，停留时间增加了10 s。对于开槽螺纹，其独特结构导致熔体在沟槽内产生回流，从而降低了其建压输送能力并延长了停留时间。

从图中可见，开槽螺纹对物料停留时间的延长效果最好，这表明与啮合盘空隙导致的回流相比，开槽螺纹沟槽产生的回流更多，停留时间更长。

2.2纤维分布分析

通过徕卡显微镜观测抛光面的纤维分布如图3、图4所示，图3为粒料在50倍下的整体示意图。

从图3的整体分布情况可以看出粒料的皮芯也存在差异，粒料边缘部分的碳纤维分布较密集，相比之下粒料中心则因为孔洞的存在使碳纤维分布较稀疏，这是因为虽然排气段能通过低充满度的物料平铺方式排除大部分水汽，但相比于注塑机，挤出机所提供的压力较小，仍会有小部分水汽残留在粒料中形成孔洞，在一定程度上降低其均匀性和力学性能。

图4为200倍下的示意图，图中（a）、（b）、（c）、（d）图依次为a、b、c、d这4组试样在200倍下部分纤维的细致分布情况。通过对比图4中200倍下边缘不同组别的碳纤维分布情况可以发现，a、b两组试样碳纤维分布存在较明显的密集区和稀疏区，分散较为杂乱，相比之下，c、d两组试样各个部分的碳纤维分布相对均一，其均匀性差距较小，具体原因主要为开槽螺纹和90°啮合块大幅延长物料的停留时间，并能分别使物料做分流合并运动和拉伸运动，从而大幅提升物料的均匀性。

2.3纤维长度分析

图5为不同螺杆组合下的碳纤维保留长度图，图中可以看出相比于a、c、d 3组试样，b组中纤维的保留长度更短。说明相比于其他螺纹元件，b组对应的30°啮合块的剪切强度最大，能够在a组螺杆的基础上进一步的剪短碳纤维，虽然在一定程度上增加了纤维的数量，但较短的纤维整体上也有利于其分散混合，从而提升物料的均匀性。

将所得数据按100μm的区间进行分布统计得到图6。a组、c组、d组纤维保留长度的分布趋势具有一定的相似性，都为0~600μm之间的正态分布，且曲线峰都位于100~300μm之间，差别在于对应的峰值不一样。c组、d组碳纤维保留长度在100~300μm之间分布的更多，a组分布较少，相反，a组纤维保留长度在300~600μm之间分布较多。这说明相比于初始螺杆中的45°啮合块元件，90°啮合块和开槽螺纹并不能提供更强的剪切应力，但能够通过延长物料的停留时间将遗漏的较长纤维进行更加充分的剪切，使其保留长度分布的更集中，这样同时也有利于碳纤维在熔体中分散混合。b组所对应的碳纤维保留长度的百分比分布则呈随长度增长而下降的趋势，在0~100μm区间分布最多。即30°啮合块的剪切强度要高于45°啮合块，除了能够适当延长停留时间，充分剪切碳纤维外，还起到将100~300μm区间的碳纤维进一步剪断的作用。

（1）在混合性能方面开槽螺纹>90°啮合块>30°啮合块>正螺纹。

开槽螺纹和90°啮合块能延长物料的停留时间，并能分别使物料做分流合并运动和拉伸运动，从而大幅提升物料的均匀性。

30°啮合块对停留时间的影响较小，但能通过更大的剪切应力进一步剪切纤维，使其变得更短，从而在一定程度上更有利于在熔体中的混合。

（2）在剪切强度方面，30°啮合块剪切应力最大，剩下3组螺杆剪切强度没有太大差异。

从纤维保留长度分布情况以及数均长度可以看出30°啮合块能进一步的剪短碳纤维，开槽螺纹螺杆和90°啮合块螺杆只能在初始螺杆的剪切基础上，利用停留时间的优势更加充分地剪切遗漏的长纤维。

（3）综合比较，带有开槽螺纹的d组螺杆最有利于提升物料的均匀性，相比于初始螺杆提升了52%。