第三节-熔融理论课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,1.Todmor,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。,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），,1.Todmor熔融理论的物理模型,1,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。,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：,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,2,（,1,）,固态塑料,，我们称为固态床,（,2,）,熔池,（,3,）,接近料筒表面的熔膜。,通过切取不同的截面，我们看到“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。,（1）固态塑料，我们称为固态床 通过切取不同的截面，我们看到,3,基于以上的实验观察,Todmor,建立下面的熔融模型：,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，而形成了熔池。,H,Vsy,W,X,基于以上的实验观察Todmor建立下面的熔融模型：塑料在挤,4,挤出方向,螺杆轴线,计量段,Z,X,X,Vbz,Vbx,Vb,熔融段,加料段,A,B,加料口,W,e,挤出方向 螺杆轴线,5,随着熔融过程的不断进行，自熔融区,A,点（相变开始点）起，固态床宽度,X,逐渐减小，液相宽度逐渐增加，至熔融区终点,B,（,相变结束点）时，固态床宽度减小到零，即,X/W=1 X/W=0,，,熔融塑料充满了整个螺棱，熔融区宣布结束,。,随着熔融过程的不断进行，自熔融区A点（相变开始点）起，固态床,6,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），其能量来源是电动机的机械能。,塑料熔融的热源主要有两个：,7,2,基本假定,1,）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，,2,）整个固相为均一的连续体。（忽略固体床破碎的可能性）。,3,）塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。,2基本假定1）挤出过程是稳定的。即在挤出过程中，螺槽中的,8,4,）螺槽和固体床的横断面都是矩形,5,）外热和内热是通过固液相分界面传递，其它没有热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）,6,）塑料流体与牛顿流体，即,7,）相筒,转动而螺杆相对的静止不动。,4）螺槽和固体床的横断面都是矩形,9,3.,固相分布函数的求解,我们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，即可求出故乡分布函数,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,3.固相分布函数的求解 我们研究熔融理论的目的，就是为了找,10,1）,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,1）固相的质量平衡=dz段上分界面处固相融化量即：,11,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,写成微分形式：其中 s-固相密度H,12,2）,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,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,13,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。,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,14,3）固液相分界面上的热量平衡,根据假设，固相只在,R,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,3）固液相分界面上的热量平衡 根据假设，固相只在R方向熔融，,15,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。,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,16,4,）,求解固相分布函数,由上述三个平衡方程组，通过适当的变换后，我们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。,4）求解固相分布函数 等深螺槽 式中：融,17,4,结论,我们研究熔融理论的目的，就是使设计的螺杆熔融段“高生产能力,G,，,低熔融长度,Zt,，,通过分析，我们可以得出下面的结论：,1,）,运转工艺条件的影响,（1）,挤出质量,G,由公式,，可知,G,增大,减小,Z,T,增大,4结论 我们研究熔融理论的目,18,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,提高转速,N,，,将使,G,点增加，使,Zt,加长，同时能加强剪切，又使,Zt,变短，因此，,N,高时，需增加背后装置，以使,Zt,的长度得到控制，保证挤出质量。,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,19,（3）,料筒温度,Tb,Tb,增加,有利于熔融物料（,Zt,减少）,但,Tb,太高，将使,F,降低，减少剪切和摩擦，不利于,Zt,减少,Tb存在一个最佳值。,（4）,提高料温,Ts,Ts,增加 Zt减少 还可消除物料中的水分。,（3）料筒温度Tb,20,2）螺杆几何参数的影响：,（1）,槽深,H,：,通常认为在实用范围内,H,大些为好。影响较复杂，过深过浅都不好。,（2）,螺旋角,：,与,H,对,Zt,的影响相似。过大过小都不利于,Zt,减少。,（,3）,螺纹头数,：,的增加，仅使,Zt,略微减小，影响不大。,2）螺杆几何参数的影响：,21,（4）,螺棱与机筒间隙,：,增大,熔膜增厚,不利于热传导,Zt,增大,增大,剪切作用降低,Zt,增大。即,增大，不利用物料的熔融。,（5）,Z,与X/W的关系图,如图所示：,一般要求挤出机工作时，为保证熔融塑化质量和挤出质量，应使,ZtZ,AB,应加背压装置，使相变结束点B重新移到B点以内。否则将使物料得不到较好的熔融，混合。,（4）螺棱与机筒间隙：增大 熔膜增厚 不,22,以上简单介绍了熔融理论的基本内容。这个理论到今天为止还不是很完善，应当指示，它的提高对挤出理论的发展起着巨大的推动作用。,X/W,A,O,A,B,B,B,Z,A,B,加料段,熔融段,计量段,以上简单介绍了熔融理论的基本内容。这个理论到今天为止还不是,23,