挤出成型原理3.

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,7,第七章 挤出成型原理,Chapter 7,Extrusion Theory,2,单螺杆挤出机基本结构及作用 ；,3,挤出成型原理。,本章教学内容,1,绪论 ；,7.3,挤出成型原理,固体输送区，,物料变形小,熔融区，压缩,变形大，熔融流动次要,熔体输送区，,熔融流动主要,(,一,),固体输送理论,目前关于固体输送区的理论有几种，下面将重点介绍较有代表性的达涅耳,(,Darnel,）,和莫耳（,Mol,）,1956,年提出的根据,固体对固体摩擦的静力平衡,为基础建立起来的固体输送理论。,1.,基本假设,1,、料筒与螺杆间的固体离子连续整齐地排列着，并塞满了螺槽，形成,“,弹性固体,”,。,塞子在与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺纹两个侧面）相接触，并,以恒速移动；,2,、忽略螺棱与机筒的间隙、物料重力、密度变化的影响；,3,、磨擦系数恒定，服从,F=f,P,，,fs,、,fb,可不同；压力是螺槽长度的函数；,4,、,螺槽为等距等深的矩形螺槽,.,2,固体流量方程的推导,V,X,-,螺杆斜棱对固体塞产生推力,P,，使之产生垂直于斜率方向的推力；此推力轴向的分力产生固体塞轴向的运动,Va,；,V,b,-,料筒相对于螺杆产生的切向运动速度；,V,b,-V,X,产生沿螺槽,Z,方向的运动,V,Z,.,受力情况：,Fs,螺杆对固体塞的摩擦力，推力；,Fb,料筒对固体塞的摩擦力，阻力。,Fbz,Fb,在,Z,轴方向上的分力,。,当,Fbz,=Fs=0,时，物料不发生任何移动；,Fbz,Fs,Q=V,v,a,Q,单位时间内固体物料的流动体积；,v,a,物料前进速度；,V,单位螺槽容积。,N,螺杆转数，,展开后的螺线角（移动角），, ,螺杆外径处的旋转角,，,+=90,o,，,l,螺杆转动一周物料移动距离的轴向投影。,3,提高固体输送量的方法,从螺杆的结构出发,1,、,通过加大加料段的螺槽深度来实现提高输送量,Qs,。,2,、,Qs,与 成正比。,（移动角），与螺杆、料筒的几何参数、摩擦系数和压力降均有关系,.,如螺杆与料筒间的摩擦系数大，物料包住螺杆，在轴向的流量为,0,，,=0,；反之，,=90,，流量达到理论上限；正常情况下，,0,90., ,螺杆旋转角，,（,1,）随着摩擦系数降低而增加，,对于大多数聚合物：,fs,在,0.250.5,，,螺杆旋转角,在,17,20,之间，一般取,1741,（,2,）略去压力影响，并,f,s,=f,b,，,作图,3,、,螺杆表面摩擦系数越小（料筒的摩擦系数越大），,QS,越大。,a,、增加螺杆表面光洁度；,b,、,通过在料筒加料段处,，,开纵向沟槽和加工出锥度,来实现提高输送量,Qs,。但料筒内壁仍应光滑,.,4,、增加加料段的长度会使产量的提高。,从挤出工艺出发,控制螺杆与机筒的温度,金属与聚合物的摩檫系数是温度的函数,而且有一个极大值,问题,1,、什么叫固体床,?,简述提高固体输送效率的方法。,2,、,PP,和,PE,与金属的摩擦系数,f ,温度,T,的图如下，粘附范围指摩擦系数,f,大于一定值，塑料才能与金属产生有效的粘附。请回答以下问题：,(8,分,),在正常的工艺条件下，用相同螺深和螺矩的螺杆挤出机挤出时，哪种塑料产量高？为什么？针对这种摩擦系数对产量的影响，工业上常采取什么措施？,？,(,二,),熔化理论,熔融理论又称为融化理论，相迁移理论，它是研究塑料从固态转变为熔融状态的过程，是建立在热力学第一流变学等基础上的一种理论。熔融理论主要用于指导螺杆熔融段的设计，作为改进设备和工艺的重要依据。,物料在熔融区存在固体和熔融料两相结构，在流动和输送过程中存在相转变，过程十分复杂，到目前为止，仍处于发展阶段。这里重点介绍,Tadmor,所建立的熔融理论。,1.,熔融理论的物理模型,该熔融理论是在挤出机上进行的大量冷却实验的基础上提出来的。,（,1,）冷却实验是这样的：将着色物料（或炭黑）和本色物料加入挤出机中，待挤出过程稳定后，快速停车并骤冷料筒（如果可能，也冷却螺杆），,（,2,）抽出螺杆（如果是部分料筒可将料筒打开），将螺旋状的已冷却的物料（塑料）带从螺杆上剥下，这时可以发现，已熔融的和局部混合的物料呈现流线，而未熔的物料将保持初始的固态。,（,3,）然后垂直于螺纹方向切取截面，可以看到一个截面内有三个区域：,固态床,、,熔池,和,接近料筒表面的熔膜。,熔融过程,熔融起点,熔融终点,随着物料向前输送，熔池逐渐加宽，固体床相应变窄，直到最后，熔体充满整个螺槽，固体床消失。,熔融模型：,塑料在挤出过程中，在接近加料段的末端，与机筒相接触的塑料已开始熔融而形成了一层熔膜。当熔膜厚度超过螺杆与机筒的间隙时，螺杆顶面把熔膜从机筒内壁径向的刮向螺杆底部，强制积存于螺纹推力面的前方，而形成了熔池。 在螺槽的前移过程中，固体床宽度会逐渐减少，直至全部消失，即完全熔化,。,X,W,Vbx,熔膜,熔池,推力面,熔膜形成后的固体熔融是在熔膜和固体床的界面处发生的,塑料熔融的热源主要有两个：,一是 从外加热器得到的外热（传导热）,二是熔融流动过程中，由于速度差异产生的粘性耗散热（剪切热）以及挤压和压缩作用，其能量来源是电动机的机械能。,从熔化开始到固体床宽度下降为,0,的螺杆长度即为熔化区长度,。,2,、,熔融过程数学分析,基本假定,1,、建立直角坐标系，将螺杆和机筒沿,Z,方向展开，认为螺杆不动，机筒平移方向：与螺杆转动方向相反。大小：,V,b,=nD,b,2,、在熔融区固体、熔体共存，有明显分界面􀂾 固体床（逐渐减小，,X=W 0,）,；,􀂾 熔体熔膜：紧贴料筒壁处物料先熔融,；,熔池：随着熔膜的发展，形成熔池,3,、,挤出过程是稳定的。即在挤出过程中，螺槽中的固液相分界面保持不变。固相以稳定不变的速度,Vsy,在分界面熔融，,物料前进速度不随时间而变,固体,熔体分界面不随时间而变,4,、,整个固相为均一的连续体。（忽略固体床破碎的可能性）。,5,、塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。熔体为牛顿流体,6,、螺槽和固体床的横断面都是矩形，外热和内热是通过固液相分界面传递，其它没有热交换,固相分布函数的求解,研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度,X,沿螺槽方向,Z,的变化规律 即分布函数,X=F（Z）,对熔融理论的物理模型进行下列三个方面的平衡分析，即可求出固相分布函数,X=F（Z）,的解析式。这些平衡是：固相的质量平衡 ，熔膜的质量平衡 ，固液相分布截面的热量平衡,1） 固相的质量平衡,=,dz,段上分界面处固相融化量,即：,流入,-,流出,=,融化量,写成微分形式：,其中,s,-,固相密度,V,SZ,Z,方向固相移动速 度,d,(HX),断面单位面积,W-,单位螺槽长度上的固,体熔化率,H,2,）熔膜的质量平衡,根据假设，认为固相只在,Y,方向熔融，而不在,X,方向熔融。同时，熔膜只有,X,方向的流动。因而可以得出：,H,V,bx,W,X,Y,熔膜质量平衡,在距离,dz,段上，单位时间内在,Y,方向由固相加入熔膜的新熔融的熔料量, = ,由熔膜流入熔池的熔料量, = ,单位螺槽长度上的熔融速率,与长度,dz,的乘积,即,式中,s,固相密度,V,by,机筒在,X,方向的分速度。,V,sy,固相在,Y,方向的融化速度。,3,）固液相分界面上的热量平衡,根据假设，固相只在,Y,方向熔融，因此热量也只在,Y,方向传递。由此得出：在单位时间内在单位面积上。,经熔膜流入分界面的热量,-,流出分界面进入固相的热量,=,塑料熔融消耗的热量,根据傅立叶导热定律，流体流过不同温度的固体壁面时，产生热交换，换热量由下式计算：,/,温度梯度 其中,K,为导热系数,得出下列公式,式中,分界面液相一侧的温度梯度,分界面固相一侧的温度梯度,液相的热传导率,固相的热传导率,塑料的熔融潜热，即融化单位质量的塑,料所需要热量。,4),求解固相分布函数,可以求出固相的分布函数如下：,等深螺槽,式中：,融化系数,G,生产能力,H,熔槽深度,Z,固相熔融长度（螺槽展开）,上式中当,X=0,（,即固相熔融结束）时，即可得到熔融总长度。,3,、,熔融过程影响因素,-,操作条件,（1） 挤出质量,G,由公式 ， 可知,G,增大,减小,Z,T,增大,即挤出量的增大，将导致熔融的发生和终了均延迟，实践证明，在其他条件不变的情况下，,G,点的增加，将使产品质量变坏。,（,2,）螺杆转速,n,􀂾,高阻力机头：,nG,变化很小，,，,ZT,􀂾,低阻力机头：,nG,，, ?, ZT, ZT,机头阻力,ZT,提高机头压力，有助于物料熔融塑化,（,3,）机筒温度,Tb,Tb ,，, Z,T,熔膜, Z,T,（,Tb,有最佳值）,3,、,熔融过程影响因素,-,螺杆结构,（,1,）等深螺杆与渐变螺杆的比较,ZT,（渐变）, ZT,（等深）,，,相同,在熔融区，螺杆渐变对熔融有利，,（,2,）渐变度,A,的影响,渐变度,A ,对熔融有利,，,对输送不利,，,只能适度,（三）熔体输送理论,常规的全螺纹单螺杆均化段的熔体输送理论已得到很好的发展，与其他两个理论相比，它建立的最早。1953年它首先在两个无限大的平板之间，假定熔体为等温牛顿流体的条件下建立起来，后来又进行了修正,。,熔料在螺槽中的流动实际上有以下几种运动合成：,a.,正流（曳流）：,是由物料受机筒的摩擦拖曳引起的，产生沿螺槽向机头方向的运动，是螺杆斜棱在,Z,轴方向作用的结果，实质是拖曳流动，起挤出物料作用，流量用,Qd,表示。,(,如图）,1,、,熔体在螺槽内的运动分析,倒流（压力流）：,由机头，口型等阻力元件产生的压力引起的回流。方向与正流方向相反，流量为,Q,P,.,横流（环流）：,由螺棱对物料的推挤作用和料筒的拖曳作用共同引起,，,（如图),使物料在螺槽内产生翻转运动。对生产能力没有影响，但能促进物料的混合、搅拌和热交换，流量,Qc=0.,漏流：,由机筒与螺棱间隙,处形成的倒流。方向沿螺杆轴线方向，并由机头向后。流量用,Q,L,表示。,实际上螺槽中熔体的总的流动是这几种流动的总和，挤出机的生产能力即等于正流、压力流、漏流的总和,Q=,Q,d,-,Q,p,-,Q,l,2,、,生产率的基本方程,Q=,Q,d,-,Q,p,-,Q,l,y,螺槽内的物料粘度,y,f,间隙,f,内物料粘度,P1,均化段开始处的熔融体压力,P2,均化段结束处的熔体压力,式中第一项为正流流率，第二项倒流，第三项漏流,若考虑聚合物流体的非牛顿性，并略去漏流的影响，则,与上式比较可发现，聚合物流体的流变性能很大程度取决于逆流,。,3,、,流率公式的启示,1,、若塑料的流动性好，粘度小或,k,值大，则,Q,P,对压力敏感，不宜挤压成型；,2,、正流与螺槽深度成正比，而逆流与螺槽深度的三次方或多次方成正比；,a,浅螺槽对压力敏感不显著，能在压力波动下挤出均匀制品,b,压力较低时，浅螺槽的挤出量低于深螺槽，而压力大时,相反,.,1,、说明熔体输送理论中，,Qp/Qd,变化对熔体沿螺杆,Z,向流动速度（,Vz,）分布的影响。,2,、塑料熔体在挤出机均化段螺槽内有几种流动形式？造成这几种流动的主要原因是什么？,问题,3,、设计能力为,0.06kg/r,的螺杆，如何满足,0.09kg/r,的生产要求，反之亦然？,4,、不考虑熔体密度差异，用相同直径单螺杆挤出机挤出非晶和结晶塑料，螺杆深度和转速的差异？,（四）螺杆和口模特征曲线,螺杆特性曲线,牛顿型熔体,Q=AN-P(B/),非牛顿型熔体,Q=AN-BK(P),m,QP,在一定的,N,下绘出曲线。,nAn ,螺杆特性线截距, ,螺杆特性线斜率,若螺杆不变，改变螺杆转速。则得到一组相互平行的螺杆特性线。还反映螺杆均化段熔体的流率与压力的关系。随着机头压力的升高，挤出量降低，,螺杆特性线,n,1,n,2,n,3,n,4,n,5,V,V,V,V,A,B,P,Q,口模特性曲线,牛顿型熔体,Q= K(P /),非牛顿型熔体,Q=KK(P),m,k/,大，阻力小，低阻力机头,k/,小，阻力大，高阻力机头,挤出机的工作点,牛顿型熔体,Q= K(P /),Q=AN-P(B/),非牛顿型熔体,Q=KK(P),m,Q=AN-BK(P),m,带机头和口模的挤出机的挤出量与物料的粘度无关,。,（五）挤出流量的影响因素,均化段螺槽深度,1,、螺槽深度过大或过浅均不利，,深度过大,使其潜在的熔体输送能力大于熔体熔融能力，压缩段未熔融的物料会进入该段，残留的固相碎片若得不到进一步均匀塑化而挤入机头，会影响制品质量。,螺槽太浅,，产量就会降低，而且熔体会受到过大的剪切，熔体的温度会变得过高，非但不能获得低温挤出，甚至会引起过热分解。,2,、,均化段螺槽深度的选择还应当与使用的机头相匹配：,若想获得高的挤出量，,高压机头,应当与,浅的均化段螺槽,的螺杆相匹配，,低压机头,应当与,均化段螺槽深,的螺杆相匹配。,3,、,均化段螺槽深度,h,3,的确定比较复杂，目前仍以经验方法确定。,h,3,=（0.020.06）D,螺杆直径较小者，,h,3,取大值，反之，取小值。,均化段的长度,1,、,L3,长一些，可以使物料得到相对长一些的均化时间，也可以减少压力、产量、温度的波动。,2,、,但,L3,不能过长，否则会使压缩段和加料段在螺杆全长中占的比例变小，不利于物料的熔融，或使螺杆加长。,影响较复杂，,n,、,k,一定时，可证明：,，,Q,最大,多数螺杆,S=D,，, = 1741,机头阻力的影响,1,、,N,增加,-Q,增加，,N,不变，口模尺寸下降,-,机头压力增加,-Q,下降。若想,Q,不变，在,口模尺寸下降时，需压力降增加,.,2、,物料所受机头阻力与口模的截面积成反比，与口模的长度成正比,.,阻力越小，挤出量受压力影响越大,.,Q,P,A,B,C,口模阻力,A,B,C,（六）螺杆设计要点,在设计螺杆的三段的长度和螺槽深度时，应充分考虑螺杆转速、料筒温度、熔体温度、需要产率以及功率消耗量等问题,.,三段流量的要求是,Q1,Q2,Q3,，但不能相差太大,.,在设计过程中应先解决熔化段的问题，使之达到最大限度，而后用固体输送和熔体输送这两方面来加以配合,.,1,、,由于熔化段的熔化能力取决于螺杆转速和料筒温度，所以应先确定这两值的最佳值，估算熔化能力,.,2,、,固体输送能力取决于螺杆转速、螺槽深度、料筒温度和沿螺槽方向上的压力梯度,.,加料段的深度应稍大于熔化段的熔化能力，,螺槽太深：,a,压力梯度大，固体输送量下降；,b,受扭矩限制；,c,会增加熔化段螺杆的锥度,.,3,、,计量段的熔体输送能力主要取决于螺杆转速和螺槽深度，受料筒温度影响较小,.,螺槽的深度主要考虑其计量能力的大小，而计量能力需与熔化能力匹配,.,计量段的长度应满足使得熔体充分塑化均匀的要求，以使得可以减少压力波动对挤出产量稳定性的影响,4,、,对于熔化段，需注意其长度和其他两段螺槽深度的关系，这主题是基于锥度设计的考虑,.,问题,