随着高附加值应用领域（如汽车行业）对可持续材料的需求不断增长，推动了以可再生或可回收基体为基材、天然纤维为增强相的生物复合材料的研发。在此背景下，本案例以玄武岩短纤维增强生物基 PA11为研究对象，通过一维双螺杆挤出全工艺仿真软件Ludovic优化挤出工艺条件，预测纤维尺寸，最大限度减少挤出过程中纤维的过度断裂。通过工艺条件优化，制备出力学性能与热性能（拉伸性能、弯曲性能、热变形温度）均得到提升的复合材料。挤出机：COMAC EBC 25HT双螺杆挤出机，直径25mm,长径比（L/D）为44，11段机筒。材料2：玄武岩纤维（basalt fibers），标称长度为 6mm，平均弹性模量为 80GPa。工艺条件：
DOE分析：
需优化工艺条件（自变量）：螺杆转速、喂料量
螺杆转速：160 – 320 [rpm] 分为11组喂料口1流量：3 – 12 [kg/h] 分为11组玻纤长度 | 最大可能值 |
停留时间 (s) | < 40 |
温度T > 230°C 的时间(s) | < 10 |
粘度 (Pa·s) | 至少300 |
| |
SME (kWh/t) | 最小可能值 |
最优工艺条件选定
螺杆转速：224rpm，喂料口1流量：11.1kg/h
按照Ludovic软件筛选出的工艺条件进行实验测试，对比实验和仿真结果。Ludovic仿真预测玄武岩纤维长度分布。(a) 挤出前；(b) 喂料后；(c) 经第一组混合元件后。熔体经机头挤出后，纤维实际长度分布与仿真预测长度分布的对比结果。（红色-实验结果，蓝色-仿真结果）。1、Ludovic 仿真对纤维断裂的模拟结果偏乐观，所得纤维长度分布曲线与实验数据存在轻微偏差。2、纤维平均长度基本相当，实验测得的平均值略偏低。3、纤维长度分布的形态则呈现显著差异：仿真模拟结果显示分布范围更广，且存在更长尺寸的纤维，而此类纤维在实验结果中并未检测到。4、Ludovic软件对挤出工艺的优化效果显著，可预测挤出加工过程中的纤维断裂行为，实现复合材料性能的优化。Gigante V , Cartoni F , Pont B D ,et al.Extrusion Parameters Optimization and Mechanical Properties of Bio-Polyamide 11-Based Biocomposites Reinforced with Short Basalt Fibers[J].Polymers, 2024, 16.DOI:10.3390/polym16213092.
