第八章 挤出过程.ppt

第八章挤出过程 本章主要内容8 1概述8 2在计量段螺槽中的流动8 3在机头口型中的流动8 4稳定挤出 8 1概述 挤出成型过程是基本工艺过程之一 挤出过程的设备由两部分组成 一挤压部分 主要为螺杆挤出机 用以塑化 输送 计量物料 另一部分是机头口型部分 主要指机头 口型及定型牵引装置 用以将物料制成规定形状 尺寸的制品 图典型螺杆挤出机结构示意图 吃料段 固体输送段 此时物料是固体状态 研究这部分的理论主要是固体输送理论 压缩塑化段 物料在剪切力场与温度场作用下开始熔融 塑化 由固态逐渐转变为粘流态 并因螺杆设计有一定的压缩比 使熔体压实 排气 研究这部分的理论是熔融 塑化和相变理论 计量段 挤出段 从压缩段出来的流体在此进一步压紧塑化拌匀 并以一定的流量压力从机头口型流道中均匀挤出 这一段螺槽的截面均匀 研究这部分的理论即流变学理论 机头 口型部分的核心是口模 它相当于一个长径比很小的管状口模 螺杆挤出机要稳定工作 必须使口模的输送能力与计量段的输送能力相匹配 而且要兼顾吃料段能力及压缩段熔融塑化情况 下面主要用流变学方程讨论物料在计量段和口型部分的流动情况 并讨论实现稳定挤出的措施 8 2在计量段螺槽中的流动 设想螺槽断面为矩形细纹 等深等宽 假定螺槽深度h 螺槽宽度W 另有h 螺杆直径2R 于是任一小段螺槽内物料的流动可近似视为在两平行板间的流动 为方便 将机筒与螺杆侧剖并在平面上展开 并取直角坐标系 注意原点在机筒内表面上 y轴垂直向下指向螺杆 图机筒与螺杆的平面展开及坐标系的安排 设螺杆运动时表面线速度为v 其值为2 RN N为螺杆转速 随着螺杆旋转 螺槽内物料任一点的速度v可沿螺纹方向 z方向 和垂直于螺纹方向 x方向 分解 其中 vz是物料沿螺槽的正向流动速度 vx是物料的横向流动速度 对物料挤出贡献不大 但对形成螺槽内物料的环流 促进物料的混合与塑化有重要作用 同时它也引起漏流 Y方向为速度梯度方向 不同速度的流层之间发生剪切 1简化假定和运动方程对挤出成型过程做如下假设 A 设被加工物料为不可压缩的牛顿流体 物料在螺槽的流动是连续的等温的稳定层流 B 设物料在挤出机内承受的压力梯度沿螺杆轴向为定值 同时假定该梯度沿z和x方向的分量也为定值 C 物料沿机筒和螺槽表面无滑移 并忽略重力和惯性力的影响 由此可得到连续性方程 由于螺槽等深等宽 所以有 运动方程 z方向 X方向 2 螺槽内物料的速度分布及体积流量考虑物料沿z方向的流动 对 8 2 式积分两次 并利用边界条件 在机筒内壁y h vz Vz 2 RNcos 在螺槽底面y 0 vz 0代入上式有 c2 0其中 h为螺槽深度 为螺纹升角 式 8 5 由两部分组成 第一项为由螺杆拖动而引起的流动 称为正流速度 第二项是因压差引起的物料流动 称压力流 为负值 为反流 因此螺槽内物料的实际流动为两种流动的叠加 实际的速度分布为第一项的直线速度与第二项的抛物线速度的叠加 见下图 图螺槽内物料流动的速度分布 根据速度分布 求得螺槽内物料的体积流量为 可见 流量也由两部分组成 第一项为由拖曳流对体积流量的贡献 为正贡献 第二项是由压力梯度对体积流量的贡献 为负贡献 为反流 再考虑x方向的流动 这种流动与螺槽侧壁的方向垂直 除引起物料在螺槽内发生环流外 主要是引起漏流 漏流是由于物料在一定压力作用下 沿x方向流过螺槽突棱顶部与机筒内壁的径向间隙造成的 这种流动可视为物料通过一个缝模的流动 缝模截面垂直于x方向 缝高为 缝长为2 R cos 以上均对于单头螺纹螺杆而言 求解式 8 3 并利用边界条件 y 0 vx 0y vx 0 得到vx的速度分布 这是一典型的抛物线的速度分布 由此进一步求得体积流速 将三部分体积流量加在一起 得到在计量段中物料总体积流量 将上式重新改写为 其中 p为沿螺杆轴向全长总压力降 为正流系数 为反流系数 为漏流系数 为与螺杆几何尺寸有关的量 表征了螺杆的挤出特性 8 3机头口型中的流动 物料从计量段挤出后直接进入机头口型区 通过机头口型的流动可视为具有一定粘度的流体在压力作用下穿过具有一定截面形状的管道的流动 参照牛顿型流体流过圆形管道的压力流流量公式 可有物料通过机头口型的流量应满足以下公式 其中 Q通过机头的体积流量 K机头系数 取决于机头口型的几何参数和流动液体的类型 式 8 11 为一直线方程 表征机头特性 对于螺杆挤出机而言 欲使之处于稳定挤出状态 物料在螺杆部分的流动状态必须与在机头口型区的流动状态相匹配 具体说 要求通过螺杆部分的流量一定要与通过机头口型区的流量相等 物料在螺杆部分的压力降也要与在机头口型区的压力降相等 即 图螺杆计量段与机头口型区的工作特性理论曲线 被加工流体为牛顿流体 可见 两组曲线的交点符合式 8 12 提出的条件 应为螺杆挤出机正常挤出的稳定工作点 可从下面方程组求得 工作点满足 式中 KN均为螺杆及机头口型的工作参数 0 0k分别是计量段与机头口型区的平均粘度 理论的修正实际的计量段和机头的工作特性曲线比较复杂 因此上述讨论与实际挤出成型过程有一定出入 下图给出的是PVC实际工作特性曲线 修正方法 系数修正法其中 fcd为考虑机筒内表面曲率对正流系数影响的修正系数 fd为考虑螺槽侧壁 fhd考虑螺槽深度变化 f d考虑螺槽中物料径向温度不均匀带来粘度变化对正流系数影响的修正系数 8 4稳定挤出 为描述挤出成型过程的稳定性 定义一个不稳定挤出系数如下 其中 p1为计量段入口处的物料压力 物理意义 考察当计量段入口处的物料压力因某种原因发生波动时 螺杆挤出机的流量有多大变化 u越大 挤出过程越不稳定 图计量段入口处物料压力及挤出机内压力分布示意图 重新将螺杆挤出机内物料压力分布简化为下图形式 由于计量段入口处的压力为p1 计量段实际压力降为 其中 p为整个螺杆上的总压力降 等于机头口型区的压力降 这样 螺杆部分的体积流量应当改写为 机头口型的体积流量改写为 据此 下面讨论实行稳定挤出的一些措施 1 要尽量减少不稳定源 要求p1尽可能保持稳定 这要求加料口供料速度必须均匀 2 由式 8 16 有 已知 与Wh3 L成正比 L为螺杆长度 与R 3 cos L 成比例 可见 要实现稳定挤出 应适当地减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙 然而若螺槽太浅 一则使流量降低 二则使剪切生热过大 使物料受损 3 由式 8 17 有 可见 调节机头流通系数可调节挤出过程的稳定性 一般小口径机头K小 易实现稳定挤出 4 由式 8 18 19 有 物料粘度越大 不稳定挤出系数越小 因此在保证质量的前提下 适当降低挤出温度