第四节 熔融理论.ppt

第四节熔融理论 北京化工大学材料科学与工程学院张丽叶 熔融理论研究的对象 压缩段 熔融区 Maddock Street1959和1961年 相迁移理论Tadmor1966年 在此基础上建立数学模型主要研究的问题 熔融过程 用数学式表示固相分布规律 定量计算熔融区长度 分析螺杆参数 工艺条件 物料性质对熔融过程的影响 一 熔融过程 实验方法 顶出螺杆法剖分机筒法透明机筒法 静态观察法剥料带 切片观察 总结规律 实验结果 塑料的全部熔融过程是在螺杆熔化段内进行的 整个熔化过程直接反映为固相宽度沿螺槽方向距离变化的规律 固相宽度沿螺槽方向距离的变化规律 决定于螺杆参数 操作工艺条件和塑料的物理性能 特点 1 螺槽中 固液两相有明显的分界面 2 固体 由未熔的冷 热粒子组成 在热和压力下形成整体 固体床 液体 熔膜 机筒内表面螺槽的顶部 由于机筒加热 摩擦生热 T Tm 熔池 熔膜达到一定厚度时 机筒与螺杆相对运动 螺棱刮下熔膜 堆积成熔池 3 熔融区设固相宽为X 槽宽为W 熔融开始处 结束处 设坐标系 Z 沿螺槽方向 Y 槽深方向 X 固体床宽度方向 X f z 固相分布函数 熔融区 固体输送 熔体输送 X Z 液 固 A A A A X W 二 简化与假设条件 建立物理模型 1 将螺杆与料筒展开 令螺杆不动 料筒平移 方向 与螺杆转向相反 速度大小 Vb Dn 2 稳定挤出 稳定熔融 物料前进速度不变固液共存 有明显的分界面 x 不是t的函数 3 固体是连续的均质体 矩形截面 固体床无限深 不变 4 液体是牛顿流体 熔融仅在分界面上进行 此处传热多 剪切热多 各处 不变 5 传热仅沿Y方向进行 其他面为等温面 关于熔融模型的三点说明 1 物料温度 热源 机筒传入 液相物料剪切生热 只在Y方向有温差 X Z为等温面 分界面处的温度为Tm 顶面温度为Tb 底面温度为Ts 传热介质不同 温度分布规律不同 2 固 液体 液体的生成 固体床 Vsy 上升到分界面 熔融 熔膜厚度 Vbx 拖曳 形成熔池 使X 固体 Vsy上升到分界面 熔膜 但高度不变 愈来愈窄 X 熔池把固体床挤窄 3 运动速度 螺杆不动 料筒平移料筒平移速度Vb Dn方向与螺杆转动反向物料沿螺槽前进Vsz 求机筒对物料的速度Vj Vj Vb Vsz Vb Vbx Vsz Vj X Z Y 机头 固 液 Vbz Vsz 三 熔融过程的数学分析 方法 取微元 dz段 研究微元 质量平衡 热量平衡 建立 质量 热量 平衡方程式 1 固体在dz段上的质量平衡 单位时间内 进入dz段上的固体量 流出dz段上的固体量 dz段上熔融的固体量 sVszd HX dz 1 sVszd HX dz 1 H有两种情况 等深螺槽H为常数 渐变螺槽H H1 AZ A 渐变度 H1 加料段槽深 H2 压缩段结束处槽深 Z2 压缩段展开长度 s 固体床密度 Vsz 固体床沿螺槽Z的速度 G 稳定挤出时的质量生产率 H0 熔融区起点处螺槽深度 W 螺槽宽度 未知 2 熔膜在dz段上的质量平衡单位时间单位长度上 固体沿Y加入熔膜的物料量 熔膜加入熔池的物料量 熔化速率 2 Vsy 未知 3 分界面单位面积上的热量平衡 热量只在Y方向传递 单位时间 单位面积上 由熔膜传入分界面的热量 由分界面传入固体床的热量 物料熔融所吸收的热量 qm qs sVsy 1 3 物料的熔融潜热 1 qm 把X轴 Y的原点 放在分界面上傅立叶定律 Km 液体物料的导热系数 求用能量方程 y qm qs 0 X 流动场中能量守恒方程 步骤 简化能量方程 对方程两边积分 代入边界条件 得到温度分布方程 求 令y 0 可求得qm 简化能量方程 分析不为0的项 不为0的项 方程化简为 Km 液体物料的导热系数 对方程两边积分 边界条件 从方程 求温度分布式 得 可见 T与y成二次曲线关系 求 结果为 2 qs 可从能量方程求得 解微分方程 边界条件 温度分布方程 熔融区温度分布特点 熔膜处 固体床处 熔膜处T与y呈两次曲线关系 固体床处T与y呈指数关系 从上式求 将qm qs带入 3 3 3 1 2 联立 解出未知数X f z Vsy 确定X Y的关系 求出 令 熔膜给热 与qs有关 固体床吸热 与qm有关 是度量熔融速率大小的物理量 大 熔得快 由已知量组成 供热量 等深螺槽 渐变螺槽 四 影响熔融过程因素的讨论 操作条件 1 输送量G等深螺槽渐变螺槽要提高产量G且熔融完全 必须提高ZT L D 渐变螺杆有助于提高挤出机的塑化能力 四 影响熔融过程因素的讨论 操作条件 2 螺杆转速n高阻力机头低阻力机头机头阻力 ZT 提高机头压力 有助于物料熔融塑化 四 影响熔融过程因素的讨论 操作条件 3 机筒温度Tb提高Tb有利于熔融 但有最佳值 4 物料温度Ts加料段升温 使物料预热可除去水分 有利于熔融 四 影响熔融过程因素的讨论 物料性质物料的热性能 比热 热导率 潜热 熔点 流变性能 粘度 密度 举例说明 熔点 热导率 W m k Zt聚丙烯1700 22 0 43长聚乙烯1350 51短 四 影响熔融过程因素的讨论 螺杆参数的影响 1 等深螺杆与渐变螺杆的比较ZT 渐变 ZT 等深 在熔融区 螺杆渐变对熔融有利 等深 渐变 四