第二节挤出过程和挤出理论

第二节挤出过程和挤出理论第1页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论2.3.2熔融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、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。橡胶挤出时从固态转变为熔融状态的过程不明显，因此在橡胶挤出时不作研究。有关熔融区的研究是近几十年的事，到目前为止，仍处于发展阶段。下面我们重点介绍Todmor所建立的熔融理论。第2页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论1、Todmor熔融理论的物理模型1）该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。1959年和1961年马多克（Maddock）及斯特里（Street）分别对挤出机进行了如下的冷却实验：将着色物料（或碳黑）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），抽出螺杆（或将料筒打开），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3页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论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：固态塑料（白色），我们称为固态床；熔池（黑色）；以及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。第4页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论2）基于以上实验观察Todmor建立下面熔融模型：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。如图所示：第5页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论3）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到X/W=0，熔融塑料充满了整个螺槽，熔融区宣布结束。第6页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论4）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）二是内热。即熔融流动过程中，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。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。第7页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论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。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，其它面没有热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）6）塑料流体是牛顿流体，即

7）机筒转动而螺杆相对的静止不动。第8页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论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9页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论1)固相的质量平衡

-=[dz段上分界面处固相融化量]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ω---单位螺槽长度上的固体熔化率第10页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论2）熔膜的质量平衡根据假设，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：[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：第11页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论

即：式中ρs——固相密度

ρm------液相密度Vbx——机筒在X方向的分速度。Vsy——固相在Y方向的融化速度。第12页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论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：其中K为导热系数第13页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论得出下列公式: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14页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论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：Ψ—融化系数，Ψ=ω0H0/G

G—生产能力，ω0—初始融化速率

H—熔槽深度，

H0--初始槽深

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15页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论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，Ψ=ω0H0/G可知：G增大Ψ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的增加，将使产品质量变坏（熔融不充分）。第16页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论Z与X/W的关系如图所示：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ZT<ZAB。若ZT>ZAB，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。第17页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论②螺杆转速n提高转速n，将使G增加，使ZT加长，同时能加强剪切，又使ZT变短，因此，n提高时，需增加背压装置，以使ZT的长度得到控制，保证挤出质量。③料筒温度TbTb增加，有利于熔融物料（ZT减少）；但Tb太高，将使摩擦系数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TsTs增加，使ZT减少，还可消除物料中的水分。第18页，课件共19页，创作于2023年2月挤出理论2）螺杆几何参数的影响：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