聚合物加工第五次课

1、2021-6-21高分子材料加工原理及设备1第五次课2021-6-21高分子材料加工原理及设备2第五章 熔融理论主要内容：熔融理论研究的实验设备及方法聚合物加工过程中熔融机理的分类单螺杆挤出过程的熔融理论双螺杆挤出过程熔融理论研究 在熔融过程中聚合物以固态和粘流态共存，热传导、粘性生热、熔融、混合同时发生。2021-6-21高分子材料加工原理及设备3熔融理论研究的难点熔融理论研究的难点塑化熔融是双螺杆挤出机的必须功能。但迄今为止熔融机理的研究却很少，其根本原因是人们对双螺杆挤出过程中聚合物熔融现象真实、全面地掌握比较困难，主要表现在以下三个方面：一、 1、由于在熔融过程中聚合物以固态与粘流态共

2、存，热传导、粘性生热、混合同时发生，因此熔融机理的研究需要有效的、精确的实验装备，来揭示熔融过程的真实现象，获取熔融机理研究所需的确切信息。二、 2、双螺杆挤出过程聚合物的熔融不仅与螺杆构型、操作条件密切相关，而且还取决于聚合物的性能；众所周知，啮合同向双螺杆挤出机的螺杆是积木式的，对于不同的被加工体系，螺杆构型与操作条件都可能不一样，其熔融过程也因此而不同；因而熔融机理研究的实验量大，统一的熔融物理模型建立较困难。 3、在熔融过程中聚合物由固态转变为粘流态，因而双螺杆挤出机中聚合物熔融过程的模型化不可能象熔体输送区那样，单纯借助流变学就能解决，而是需要考虑熔融过程中聚合物固体颗粒形态与结构的

3、变化、熔融边界的迁移、能量的产生与传递等等；而且还需考虑熔融区域中物料输送机理与边界条件复杂性，故熔融过程模型化十分复杂。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备4 实验设备：实验设备：剖分机筒、装有可视化玻璃视窗的挤出机、使用循环冷却系统的挤出机。 实验方法：实验方法： 1、剖分机筒法：剖分机筒法：机筒由上下两瓣组合而成，当挤出过程达到稳定状态后，紧急停车，骤冷机筒，将剖分机筒打开，取出物料进行分析。 优点：优点：可以对试样切片，准确地分析在螺杆任意轴向与周向位置、沿螺槽任意深度方向试样熔融状态的变化，属于静态、微观研究。 缺点：缺点：每一次紧急停车是随机的，且只能静态记录某一瞬时的聚合

4、物熔融状态。在紧急停车与骤冷过程中，聚合物的熔融状态可能已经发生了某种程度的变化，且为了区分冷却固化后聚合物试样中熔融状态的不同，往往需要在挤出过程中加示踪物质，而示踪物质对挤出过程也有较大的影响。第一节 熔融理论研究的实验设备及方法2021-6-21高分子材料加工原理及设备52、透明机筒法透明机筒法：这种挤出机是指在挤出机机筒上开设窗口，安装耐高温、耐高压的专用玻璃，根据聚合物发生熔融前后状态的不同，从玻璃视窗中可直观、动态、实时地获取挤出过程聚合物熔融的有关信息。属于动态、宏观研究。 优点：优点：动态、连续地获取聚合物熔融过程的信息。 缺点：缺点：对物料的选择性，一般适用于熔融前后某些性能

5、发生明显改变的聚合物体系；由于螺槽有一定深度，而且在不同的螺槽深度处聚合物的熔融状态一般地也不同，因而从玻璃视窗中观察到的图像是不同螺槽深度聚合物熔融状态的重叠。3、顶出螺杆法顶出螺杆法：在挤出过程稳定后紧急停车，骤冷机筒，在确保物料完全被冷却固化后，再重新对机筒进行短时间加热，使得沿机筒内表面处的物料被软化或熔融，以保证螺杆能被顺利抽出，然后从机筒中抽出螺杆，取下试样进行分析。 缺点：缺点：挤出机紧急停车、骤冷机筒、重新加热以及螺杆的强制抽出过程中，物料的原始状态都可能发生改变，实验的可靠性与准确性较差，很少使用。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备6聚合物熔融时必须遵循的能量平衡方

6、程： 第二节 聚合物加工过程中熔融机理的分类 Tadmor和Gogos将能量方程与聚合物熔融过程的特征相结合，并根据到七十年代末为止聚合物成型理论的研究进展，在总结单螺杆塑化熔融机理等研究的基础上，提出了聚合物成型加工中五种可能的熔融机理： 1、无熔体移走的传导熔融： 熔融全部热量由与物料接触的高温表面(如即同内表面)经传导或由非接触表面的热辐射与热空气对流提供，熔融速率由材料热传导能力决定。由于聚合物在固态及粘流态下的导热系数均较小，因此该机理的熔融效率较低，通常适用于制品的二次成型或后处理等工艺流程。SVVTPTqDtDTCV:2021-6-21高分子材料加工原理及设备72、由强制熔体移走

7、的传导熔融： 在固体床与高温接触表面间形成一层熔体薄膜，由于新产生的熔体薄膜能够及时地被带走，使得熔膜厚度保持相对稳定，从而确保高温表面与固体床有较大的温度梯度。由于能将所产生的熔体层及时移走，因此熔融效率大大提高，并且避免了聚合物熔体长期处于高温区与高温表面接触而导致热降解的危险。熔融的能量一部分来源于接触表面的热传导，一部分来源于熔模中的粘性耗散生热，因而熔融效率由热传导效率、熔体移走及粘性耗散生热效率共同决定。产生熔体强制移走的机理通常有两种：一是拖曳流动机理，即通过高温接触表面与固体床表面间的相对平行移动来实现，一是压力诱导流动。3、耗散混合熔融： 熔融的主要能量来源于转子轴输入的机械

8、能，即通过单个粒子的变形、粒子间、颗粒与设备高温表面间的摩擦以及熔融区的粘性耗散生热将机械能转化为聚合物的内能。由于实现了以固体颗粒的形变、粘性耗散取代低热传导率的传导熔融，因而熔融效率高，可望实现快速、低温熔融。4、利用电学、化学或其它的能源实现的耗散熔融机理5、压缩熔融机理2021-6-21高分子材料加工原理及设备8后来Gogos将能量方程进行了修改：vnpfFddtdSVVTPTqDtDTCndVP:dVddtdvnpfFn：聚合物颗粒的塑性能量耗散项，表示挤出过程中由于聚合物颗粒的不可逆塑性变型所造成聚合物内能的增加，其中V为产生聚合物颗粒不可逆变形的应力，为颗粒的有效形变。：固体摩擦

9、能量耗散项，聚合物颗粒在固态摩擦时所产生的能量，n为每个聚合物颗粒与其它颗粒间的接触点数量，p为单元体积中的聚合物颗粒数目，f为颗粒间的动摩擦系数，Fn为法向力，v为单元体积中聚合物颗粒间的相对平均速度。2021-6-21高分子材料加工原理及设备9第三节 单螺杆挤出机中的熔融理论单螺杆挤出过程熔融机理的研究先驱当属Z.Tadmor，他利用骤冷机筒、强制抽出螺杆与试样切片方法，在大量实验研究的基础上，提出了固体床薄膜熔池熔融模型。该模型的特征是：1)1、假设在单螺杆挤出过程中固体聚合物在固体输送段被压实成固体塞；2)2、与机筒内表面接触的聚合物在机筒热传导的作用下首先被熔融且形成熔膜；3)3、当

10、熔膜的厚度达到一定程度时，熔膜中的熔体在螺棱的刮擦作用下汇集到螺棱的推进面，形成带环流的熔池；4)4、在机筒热传导与粘性耗散生热的共同作用下，固体床的尺寸不断减少而熔池的尺寸逐渐增大，直至整个固体床消失。 单螺杆熔融模型建立的前提是在固体输送段中聚合物颗粒形成被压实的固体床，这与单螺杆挤出机的拖曳摩擦输送机理密切相关；并且其熔融效率取决于机筒内表面与熔膜中熔体的温度梯度及熔膜中的粘性耗散热的大小。一旦这种输送机理不存在，聚合物的熔融机理也将会发生变化。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备10机筒熔池熔膜固体床螺杆单螺杆熔融模型 熔体层 残留固相层 机筒内表面 简化熔融模型2021-6-

11、21高分子材料加工原理及设备11第四节 双螺杆挤出过程熔融理论研究双螺杆挤出过程熔融理论研究的难点双螺杆挤出过程熔融理论研究的难点 塑化熔融是双螺杆挤出机的必须功能。但迄今为止熔融机理的研究却很少，其根本原因是人们对双螺杆挤出过程中聚合物熔融现象真实、全面地掌握比较困难，主要表现在以下三个方面： 1、由于在熔融过程中聚合物以固态与粘流态共存，热传导、粘性生热、混合同时发生，因此熔融机理的研究需要有效的、精确的实验装备，来揭示熔融过程的真实现象，获取熔融机理研究所需的确切信息。 2、双螺杆挤出过程聚合物的熔融不仅与螺杆构型、操作条件密切相关，而且还取决于聚合物的性能；众所周知，啮合同向双螺杆挤出

12、机的螺杆是积木式的，对于不同的被加工体系，螺杆构型与操作条件都可能不一样，其熔融过程也因此而不同；因而熔融机理研究的实验量大，统一的熔融物理模型建立较困难。 3、在熔融过程中聚合物由固态转变为粘流态，因而双螺杆挤出机中聚合物熔融过程的模型化不可能象熔体输送区那样，单纯借助流变学就能解决，而是需要考虑熔融过程中聚合物固体颗粒形态与结构的变化、熔融边界的迁移、能量的产生与传递等等；而且还需考虑熔融区域中物料输送机理与边界条件复杂性，故熔融过程模型化十分复杂。2021-6-21高分子材料加工原理及设备12 双螺杆挤出过程熔融机理研究的最终目的是在已知螺杆构型、操作条件与聚合物性能的前提下预测聚合物熔

13、融的整个过程，即对熔融起始点与结束点、熔融长度、熔融形态、熔融过程中的能量平衡等进行预测。 实验设备：实验设备：2021-6-21高分子材料加工原理及设备13 带玻璃视窗的可视化机筒左图是上视窗可视化机筒，右图是侧视窗可视化机筒2021-6-21高分子材料加工原理及设备14剖分式实验机筒2021-6-21高分子材料加工原理及设备15可视化挤出机玻璃视窗摄像机计算机 可视化挤出过程图像传送及处理2021-6-21高分子材料加工原理及设备16实验因素螺杆构型设计操作条件设计聚合物类型简单构型复合构型加料量螺杆转速机筒温度实验方法可视化实验剖分机筒实验可视化照片切片试样照片主机功耗螺杆扭矩熔体温度实

14、验分析熔融过程的模型化单 相 聚 合单 相 聚 合物 颗 粒 熔物 颗 粒 熔融 过 程 实融 过 程 实验流程图验流程图 2021-6-21高分子材料加工原理及设备17正向捏合块聚合物颗粒熔融可视化照片：侧视窗中观察到的现象上视窗中观察到的现象2021-6-21高分子材料加工原理及设备18反向捏合块聚合物颗粒熔融可视化照片：2021-6-21高分子材料加工原理及设备19 螺纹元件中观察到的熔融现象2021-6-21高分子材料加工原理及设备20 复杂螺杆构型下观察到的熔融现象 剖分式机筒实验中沿螺杆轴向分布照片 2021-6-21高分子材料加工原理及设备21固相密集海岛熔融子区：固相密集海岛熔

15、融子区： 熔融子区子区特征：子区特征：聚合物固液两相共存，螺槽全充满；聚合物熔体为连续相但为少组份相，固态聚合物为分散相且为多组份相，即密集的聚合物固体颗粒漂浮在连续的熔体中形成类似于海岛的结构 (岛占的比例较大) 。熔融热源：熔融热源：熔融过程的主要热源是聚合物熔体的粘性耗散、颗粒的塑性耗散与机筒的热传导 。熔融过程描述：熔融过程描述：聚合物残留固相在其周围高温熔体热传导的作用下被加热，但由于聚合物固液两相混合物中熔体的比例较小，虽然熔体粘性耗散能够产生大量的热量，但仍不足以使多组份残留固相的温度达到熔点。该过程中，聚合物固相主要处于被加热与塑性变形阶段，固液两相混合物中残留固相的比例减小得

16、很慢。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备22固相稀疏海岛熔融子区：固相稀疏海岛熔融子区： 子区特征子区特征：螺槽全充满；聚合物残留固相为少组份相且为分散相，漂浮在连续的聚合物熔体中；聚合物残留固相间的相互作用小，即以相对独立的颗粒存在 。熔融热源熔融热源：主要是聚合物熔体的粘性耗散与机筒热传导 。熔融过程描述熔融过程描述：聚合物熔体的粘性耗散产生大量的热量，并通过热传导将热量传给聚合物残留固相，促使其快速熔融，聚合物固液两相混合物中残留固相的尺寸迅速减小直至完全消失 。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备23子区特征子区特征：螺槽被聚合物熔体部分充满，聚合物残留固相悬浮在连续

17、的熔体中。熔融热源熔融热源：主要为机筒热传导与熔体的粘性耗散热。熔融过程描述熔融过程描述：聚合物固相在其周围熔体热传导、粘性耗散、机筒传热的作用下逐渐熔融。 螺槽部分充满海岛熔融子区：螺槽部分充满海岛熔融子区：2021-6-21高分子材料加工原理及设备24固态摩擦耗散熔融子区 ：子区特征子区特征：聚合物颗粒保持固态，颗粒被挤压并发生相对运动。熔融热源熔融热源：螺杆机械能熔融过程描述熔融过程描述：被压实的聚合物颗粒在发生相对运动的过程中，其颗粒表面相互摩擦，并有部分摩擦热转化为聚合物颗粒的内能，从而导致颗粒温度的上升。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备25固体颗粒塑性耗散熔融子区固体颗

18、粒塑性耗散熔融子区 ：子区特征子区特征：聚合物固体颗粒（或残留固相）发生塑性变形；熔融热源熔融热源：螺杆机械能；熔融过程描述：熔融过程描述：聚合物颗粒在螺杆与机筒的作用下，被挤压、剪切或拉伸而发生塑性变形，所产生的塑性耗散能导致聚合物颗粒温度的升高；聚合物残留固相(即聚合物颗粒部分熔融后所留下的部分固体)在螺杆或聚合物熔体的拖曳作用下而发生塑性形变，但一般来说，由于此时物料的温度较高，故其模量较小，塑性耗散能也较低。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备26螺槽部分充满固体塞热传导熔融子区螺槽部分充满固体塞热传导熔融子区 ：子区特征子区特征：整个螺槽为部分充满，但螺槽的某个局部（一般是在

19、啮合区中）为相对稳定的全充满或几乎为全充满区域（即部分充满固体塞）；该区域中聚合物颗粒被压实并与高温机筒内表面接触而出现熔膜，而在螺槽中聚合物颗粒保持固态。熔融热源熔融热源：机筒热传导与熔膜中的粘性耗散热熔融过程描述熔融过程描述：部分充满固体塞与高温机筒的内表面接触，在热传导的作用下机筒内表面处物料首先熔融并形成熔膜，部分聚合物熔体在螺棱的拖曳作用下堆积到推进螺棱侧；熔膜中的粘性耗散热促进聚合物固体塞的进一步熔融。 2021-6-21高分子材料加工原理及设备27螺槽全充满固体塞热传导熔融子区螺槽全充满固体塞热传导熔融子区 ：1子区特征子区特征：整个螺槽被聚合物颗粒全部充满，在与机筒内表面接触的物料熔融并形成熔膜，螺槽中物料为压实固体。2熔融热源熔融热源：机筒热传导与熔膜中的粘性耗散熔融过程描述熔融过程描述：全充满固体塞在高温机筒热传导与熔膜中粘性耗散热的共同作用下被熔融，并在推进螺棱的背面形