第二章 3压缩段熔融理论.ppt

1 2 2 3压缩段的熔融理论 2 2 3 1实验观察 1 顶出螺杆法 2 剖分机筒法 3 透明机筒法 2 图2 16螺杆中物料的熔融过程1一液相 熔体 2一固相 未熔物料 3一加料口4一螺棱推进面5一熔池6 熔膜7一已加热的固体8一温度较低的固体 3 图2 17熔融理论的物理模型1 分界面2 熔膜3 固相4 熔池5 螺纹推进面 4 从上述熔融过程的实验研究可知 1 塑料的全部熔融过程是在螺杆压缩段内进行的 2 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 3 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质 5 2 2 3 2数学分析 为了表征高聚物熔融过程中固相宽度沿螺槽方向变化的规律 根据上述实验结果的观察和分析可作如下假设 挤出过程是稳定的 即在挤出过程中 螺槽内的固相和液相分界面位置固定不变 整个固相为均质连续体 高聚物的熔融温度范围较窄 因而固液相之间的分界面明显 螺槽横截面为矩形 固相物料的横截面也为矩形 6 外部加热的热量由机筒表面传入 并按热传导方式通过熔膜和固 液相的界面 剪切热仅在熔膜内产生 熔池对固体床的传热忽略不计 固体粒子的熔化仅在固 液相界面进行 沿螺槽x和z两个方向的传热不予考虑 认为固体床的厚度无限大 熔体为牛顿流体 所有物理性质都是常数 7 螺杆静止 机筒表面以速度vb运动 熔化的物料由于机筒表面的拖曳作用汇集于熔池内 而固相物料则以一定速度vsy沿y方向进入分界面转化为液相 以补充熔膜中进入熔池的液相物料 因而熔膜厚度 在固体床宽度方向为定值 螺槽内的固相物料以一定速度vsz沿z向前移 8 三个平衡 根据上述假设 可得到如图2 17所示熔融理论物理模型图 对此模型作如一下三方面的平衡分析 就可以得到固相宽度x沿螺做方向距离的变化规律 即求出函数x f z 的关系式 此函数称为 固相分布函数 1 dZ距离上的固相物料的质量平衡 2 熔膜内z向单位距离 长度 上的质量平衡 3 分界面上的热量平衡 9 1 dZ距离上的固相物料的质量平衡 单位时间内流入dz段固体物料的量 单位时间内流出dz段固体物料的量 dz段上分界面处 单位时间内固相物料熔化量为 单位螺槽长度的固体熔化速率 dz距离上固相物料的质量平衡 2 31 2 30 挤出机稳定挤出的质量生产率 10 2 熔膜内z向单位距离 长度 上的质量平衡 由固相沿y方向进入熔膜的新熔化的熔融物料量等于由熔膜流入液相 熔池 的熔融物料量 若对z向单位距离而言 此关系可表示为 式中 m熔融物料密度 sy固相物料在y方向的速度 bx机筒表面运动速度在x方向的分量 1 2 bx即为熔膜在x方向的平均流速 2 32 2 33 11 3 分界面上的热量平衡 单位时间内和分界面单位面积上 由熔膜进入分界面的热量 由分界面进入固相的热量为 固相物料在分界面熔融以及熔融后的物料升温到熔膜平均升温所消耗的热量为 以上三项热量的平衡关系如下 液相物料的热导率 固相物料的热导率 固相物料的熔融潜热 熔膜和固相物料沿y方向的温度梯度 2 34 12 熔膜沿y方向的温度分布方程 可根据流体在两平行板之间作后状流动推导而得 对牛顿流体 可得如下温度分布方程式 a 单位面积熔膜在单位时间内进入分界面的热量为 熔融物料表观粘度 与熔膜接触的机筒内壁温度 与固体床接触的熔膜温度 机筒对熔膜的 拖引速度 2 34a 13 在机筒表面以一定的速度 b移动外 螺槽内固相也以一定的速度 sz沿螺槽方向向前移动 为了计算方便 假设固相处于静止不动 则相当于机筒表面以合成速度 j运动 于是 固相速度分析 2 34b 2 34c 14 b 单位面积分界面在单位时间内流入固相的热量为 对于固体床 其温度分布方程可以推倒如下 对上式进行求导 并取y 0 即得 于是 固相物料的温度 固相物料的比热容 2 35b 2 35a 15 c 单位面积分界面在单位时间内使温度为Tm的固相物料变为熔体 并使之升温到熔膜的平均温度Tav所消耗的热量为 根据该项热量所起的作用 可知 熔膜平均温度Tav可由下式表示 熔融潜热 液相物料的比热容 经过修正的熔融潜热 2 36 2 37 16 经过对以上三项热量分析后 可得 2 38 2 39 由2 32得 把式2 39带入2 39整理得 2 40 17 2 40a 比较2 40与2 40a可得 2 40 2 40b 2 40c 2 40d 18 把2 30和式2 41d带入2 31整理得 2 30 2 40d 2 31 2 41 对于等深螺槽 H为常数 对2 41式积分 可得 2 42 熔融区起点正向坐标值 对应Z1处的固相宽度 19 若取Z1 0 X1 W 式2 42可简化为下列形式 2 42a 2 42和2 42a即为等深螺槽的固相分布函数 20 设 2 42b 带入 得 2 40d 当X W时 式2 40d可写成 2 42d 2 42C 初始熔化速率 21 式2 42d带入2 42b得 2 42e 无因次量 表示熔融区起始点处得熔化速率与单位螺槽深度的质量流率之比 称为熔化系数 当固相物料完全熔融时 X 0 以此条件带入2 42c 可得到螺杆压缩段的长度ZT 2 42f 式2 42f反映了螺杆熔化区的长度与挤出机生产效率 螺杆参数 操作工艺和材料性质之间的关系 22 对于渐变螺杆 可把 带入2 41 对该式求解后整理得 2 43 2 43a 2 43b 渐变螺杆固相分布函数 23 2 2 3 4对熔融理论的讨论 1 影响挤出生产能力及熔融区长度的因素挤出过程的生产率与熔融段的流率G密切相关 这是挤出机生产力的限制因素 而G又与熔融区的长度ZT相关联 它们均取决于物料的性质 操作工艺条件以及螺杆的几何参数等 24 1 物料性质的影响 物料性质对G和ZT的影响因素主要有 热性质 比热 热导率 熔融潜热 熔点 流变性质以及密度 25 26 2 工艺条件的影响 27 1 螺杆转速和流率 对通常无背压控制的设备而言 提高n所带来的 增大的作用 不足以抵消G增加带来的影响 其结果是使ZT加长 这就是在一种设备上n不能过高的原因 而当设置和加大背压控制时 由于当提高n时G可以控制 而可使 增加的影响提高 并从而起到减少ZT的作用 这就是提高n时需要增设背压设备的原因 28 2 机筒温度Tb和固体塑料初温TS 从式 2 40c 知 提高Tb能使 增加 有利于对物料供热和加速其熔融过程 但过高的Tb会使 增大 同时会产生种种不良影响 而适当提高TS 一殷都有利 它可使ZT减小 但TS过高 对加料段的固体输送能力不利 c 螺杆的几何参数比较式 2 42f 和式 2 43a 可以看到 在其它条件相同情况下 渐变螺杆可以使熔融区缩短 这是由于螺槽变浅 使物料压实 有利于熔融 但渐变度的大小要适应于固体床的变化 太大的渐变度会引起固体床破裂 料流阻力增大 造成挤出过程的压力波动和挤出波动 从而直接影响产品的质量 这是必须注意的 29 b 熔融理论中存在的问题 a 固体床破碎问题许多研究者发现 在熔融区店部团体床会周期性地解体 成为大小不一的团块 悬浮在液相中 这就是固体床破碎现象 其原因是 随着始融过程进行 液相部分增加 固体床的流退增大 压力下降 使其内部出现裂缝 熔体渗入裂缝 更加剧了固体床的破碎 破碎的固相物料被熔膜包围后 其熔融过程就不再按原来的熔化机理进行 破裂后的大块固体料还极可能把螺槽堵塞 使熔融料暂时不能通过 挤出量又突然增加 导致挤出过程的不稳定 30 b 固体块被熔融料包围在螺杆温度较高时 螺槽底部及螺杆棱推进面后侧也会出现熔膜 这一方面是由于固体床变形后 熔池中熔体渗透至螺杆表面 另一方面还由于固体床与螺杆表面摩擦发热而使表层形成熔膜 可见在固体床周围都可能包围着熔体 这种情况下的熔融机理 显然与塔莫尔模型很不相同 其影响因素更为复杂 至今还没有建立起精确的数学模型 31 c 根据此熔融理论分析 随