挤出成型原理

挤出成型原理第一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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；第二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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，熔融流动主要第三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日(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。第四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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.第五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

2

固体流量方程的推导VX-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；Vb-料筒相对于螺杆产生的切向运动速度；Vb-VX产生沿螺槽Z方向的运动VZ.第六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日受力情况：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，螺杆带动物料转动而不移动。流动的基本条件：Fbz>Fs第七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日Q=V·va Q—单位时间内固体物料的流动体积；va—物料前进速度；V—单位螺槽容积。

第八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日N—螺杆转数，Φ—展开后的螺线角（移动角），θ—螺杆外径处的旋转角，Φ+θ=90o，l—螺杆转动一周物料移动距离的轴向投影。第九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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。Φ（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，Φ=0°；反之，Φ=90°，流量达到理论上限；正常情况下，0°＜Φ＜90°.第十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日θ—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0.25—0.5，螺杆旋转角在17º～20º之间，一般取17º41’（2）略去压力影响，并fs=fb，—θ作图第十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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。第十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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,而且有一个极大值第十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日问题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？？第十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日第十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日(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。第十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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。第十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日（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。第十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日熔融模型：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。XWVbx熔膜熔池推力面第十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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。第二十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日2、熔融过程数学分析第二十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日基本假定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：Vb=nπDb2、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第二十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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，其它没有热交换第二十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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第二十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

第二十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日写成微分形式：其中ρs--固相密度VSZ—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

第二十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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

δVbxW

XY

熔膜质量平衡

第二十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日[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ω与长度dz的乘积]

即式中ρs——固相密度Vby——机筒在X方向的分速度。Vsy——固相在Y方向的融化速度。第二十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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]第二十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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。第三十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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：φ——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。第三十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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φ减小ZT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。第三十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日（2）螺杆转速n高阻力机头：n↑→G变化很小，Ф↑，Ψ↑→ZT↓低阻力机头：n↑→G↑，Ф↑→→Ψ?Ψ↑→ZT↓Ψ↓→ZT↑机头阻力↑—ZT↓提高机头压力，有助于物料熔融塑化第三十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日（3）机筒温度TbTb↑→Ф↑，Ψ↑→ZT↓→熔膜η↓→Ф↓→ZT↑（Tb有最佳值）第三十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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），ψ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，只能适度第三十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日（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。第三十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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第三十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日倒流（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QP.第三十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日第三十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日横流（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.第四十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日漏流：由机筒与螺棱间隙δ处形成的倒流。方向沿螺杆轴线方向，并由机头向后。流量用QL表示。第四十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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=Qd-Qp-Ql

第四十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日2、生产率的基本方程Q=Qd-Qp-Ql

y——螺槽内的物料粘度yf——间隙δf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，第三项漏流第四十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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。第四十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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QP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.第四十五页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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？第四十六页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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？第四十七页，共六十二页，编辑于2023年，星期日（四）螺杆和口模特征曲线螺杆特性曲线牛顿型熔体Q=AN-ΔP(B/η)非牛顿型熔体Q=AN-B’K(ΔP)mQ~ΔP在一定的N下绘出曲线。n↑→An↑→螺杆特性线截距↑η↓→螺杆特性线斜率↑第四十八页，共六十二页，编辑于2023年，星期日

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

n1n2n3n4n5VVVVABPQ第四十九页，共六十二页，编辑于2023年，星期日口模特性曲线牛顿型熔体Q=K(ΔP/η)非牛顿型熔体Q=K’K(ΔP)mk/η大，阻力小，低阻力机头k/η小，阻力大，高阻力机头第五十页，共六十二页，编辑于2023年，星期日挤出机的工作点第五十一页，共六十二页，编辑于2023年，星期日牛顿型熔体Q=K(ΔP/η)Q=AN-ΔP(B/η)非牛顿型熔体Q=K’K(ΔP)mQ=AN-B’K(ΔP)m带机头和口模的挤出机的挤出量与物料的粘度无关。第五十二页，共六十二页，编辑于2023年，星期日（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。第五十三页，共六十二页，编辑于2023年，星期日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h3的确定比较复杂，目前仍以经验方法确定。h3=（0.02—0.06）D螺杆直径较小者，h3取大值，反之，取小值。第五十四页，共六十二页，编辑于2023年，星期日均化段的长度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。第五十五页，共六十二页，编辑于202