挤出成型原理3.

1、7 第七章第七章 挤出成型原理挤出成型原理2 2单螺杆挤出机基本结构及作用单螺杆挤出机基本结构及作用 ；3 3挤出成型原理。挤出成型原理。本章教学内容本章教学内容1 1绪论绪论 ；7.3 7.3 挤出成型原理挤出成型原理 目前关于固体输送区的理论有几种，下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面将重点介绍较有代表性的达涅耳(darnel）和莫耳（）和莫耳（mol）1956年提出的年提出的根据根据固体对固体摩擦的静力平衡固体对固体摩擦的静力平衡为基础为基础建立起来的固体输送理论。建立起来的固体输送理论。 以恒速移动；以恒速移动； 22)2(4hddvnva1cot1co

2、t121hhdctgctgdnnlvatgtgtgntghddhq)(2 1 1、通过加大加料段的螺槽深度来实现提高输送量通过加大加料段的螺槽深度来实现提高输送量qsqs。 2 2、qsqs与与 成正比。成正比。tgtgtgtg =0；反之，；反之， =90，流量达到理论上限；正常情况下，流量达到理论上限；正常情况下， 0 90.对于大多数聚合物：对于大多数聚合物：fs在在0.250.5，在在1720之间，一般取之间，一般取1741tgtgtgtg 3 3、螺杆表面摩擦系数越小（料筒的摩擦系数越大），螺杆表面摩擦系数越小（料筒的摩擦系数越大），qsqs越越大。大。a a、增加螺杆表面光洁度；、

3、增加螺杆表面光洁度；b、 4 4、增加加料段的长度会使产量的提高。、增加加料段的长度会使产量的提高。 控制螺杆与机筒的温度控制螺杆与机筒的温度问问题题1、什么叫固体床、什么叫固体床? 简述提高固体输送效率的方法。简述提高固体输送效率的方法。 2、pp和和pe与金属的摩擦系数与金属的摩擦系数f 温度温度t的图如下，粘附范围的图如下，粘附范围指摩擦系数指摩擦系数f大于一定值，塑料才能与金属产生有效的粘附。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：请回答以下问题：(8分分) 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，

4、哪种塑料产量高？为什么？针对这种摩擦系数对产量的影响，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？，工业上常采取什么措施？粘 附 范 围粘 附 范 围 pepppp摩擦系数摩擦系数温度温度 摩擦系数摩擦系数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。来的。（1 1）冷却实验是这样的：将着色物料（或炭黑）和本色物料）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），果可能，

5、也冷却螺杆），（2 2）抽出螺杆（如果是部分料筒可将料筒打开），将螺旋状）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。的固态。（3 3）然后垂直于螺纹方向切取截面，可以看到一个截面内有）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：三个区域： 、 和和 熔融过程熔融过程熔融起点熔融起点熔融终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，直到随着物

6、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。最后，熔体充满整个螺槽，固体床消失。 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。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，在螺槽的前移过程中，固体床宽度会逐渐减少，直至全部

7、消失，即完全熔化固体床宽度会逐渐减少，直至全部消失，即完全熔化。xwvbx熔膜熔膜熔池熔池推力面推力面 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：塑料熔融的热源主要有两个：一是一是 从外加热器得到的外热（传导热）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。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从熔化开始到固体床宽度下降为0

8、 0的螺杆长度即为熔化区长度的螺杆长度即为熔化区长度。1 1、建立直角坐标系，将螺杆和机筒沿、建立直角坐标系，将螺杆和机筒沿z z方向展开，认为螺杆方向展开，认为螺杆不动，机筒平移方向：与螺杆转动方向相反。大小：不动，机筒平移方向：与螺杆转动方向相反。大小：v vb b=nd=ndb b2 2、在熔融区固体、熔体共存，有明显分界面、在熔融区固体、熔体共存，有明显分界面 固体床（固体床（逐渐减小，逐渐减小， x=w 0 x=w 0 ）； 熔体熔膜：紧贴料筒壁处物熔体熔膜：紧贴料筒壁处物料先熔融料先熔融；熔池：随着熔膜的发展，形成熔池熔池：随着熔膜的发展，形成熔池3 3、挤出过程是稳定的。即在挤出

9、过程中，螺槽中的固液相分挤出过程是稳定的。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界面保持不变。固相以稳定不变的速度vsyvsy在分界面熔融，在分界面熔融，物料前进速度不随时间而变物料前进速度不随时间而变0t0tc固体固体熔体分界面不随时间而变熔体分界面不随时间而变0tvx 4 4、整个固相为均一的连续体。（忽略固体床破碎的可能性）。整个固相为均一的连续体。（忽略固体床破碎的可能性）。 5 5、塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。熔体为、塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。熔体为牛顿流体牛顿流体 6 6、螺槽和固体床的横断面都是矩形，外热和内热是通过固、螺

10、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，其它没有热交换液相分界面传递，其它没有热交换研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度x x沿螺槽方向沿螺槽方向z z的变的变化规律化规律 即分布函数即分布函数x=fx=f（z 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固相分布函数x=fx=f（z z）的解析式。这些平衡是：固相的质量平衡）的解析式。这些平衡是：固相的质量平衡 ，熔膜的质量平衡熔膜的质量平衡 ，固液相分布截面的热量平衡，固液相分布截面的热量平衡

11、dz流入段的固相量dz流出段的固相量=dz段上分界面处固相融化量即：即： 流入流入-流出流出=融化量融化量 写成微分形式：()ssvhxzv dwd其中 s-固相密度 vszz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 根据假设，认为固相只在根据假设，认为固相只在y方向熔融，而不在方向熔融，而不在x方方向熔融。同时，熔膜只有向熔融。同时，熔膜只有x方向的流动。因而可方向的流动。因而可以得出：以得出： h w 熔膜质量平衡熔膜质量平衡 在距离在距离dz段上，单位时间内在段上，单位时间内在y方向由固相加入方向由固相加入熔膜的新熔融的熔料量熔膜的新熔融的熔料量 = 由

12、熔膜流入熔池的熔由熔膜流入熔池的熔料量料量 = 单位螺槽长度上的熔融速率单位螺槽长度上的熔融速率与长度与长度dz的乘积的乘积 12ssybxmv xdzvdzdz12ssybxmv xv式中 s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。根据假设，固相只在根据假设，固相只在y方向熔融，因此热量也只在方向熔融，因此热量也只在y方向传方向传递。由此得出：在单位时间内在单位面积上。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经熔膜流入分界面的热量 - 流出分界面进入固相的热量流出分界面进入固相的热量 = 塑料熔融消耗的热量塑料熔融消耗的热量 根据傅立叶导热

13、定律，流体流过不同温度的固体壁面时，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：产生热交换，换热量由下式计算： /温度梯度温度梯度 其中其中k为导热系数为导热系数 得出下列公式得出下列公式 dtqkdy 式中 ,0m ydtdy分界面液相一侧的温度梯度 ,0s ydtdy分界面固相一侧的温度梯度mk液相的热传导率 sk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。ssyoysoymvdydtkdydtk)()()ssvhxzv dwdsvsvwdxhxd可以求出固相的分布函数如下：可以求出固相的分布函数如下：2112xzwh 等深螺槽等深螺

14、槽 式中：式中： 融化系数融化系数 g生产能力生产能力 h熔槽深度熔槽深度 z z固相熔融长度（螺槽展开）固相熔融长度（螺槽展开）上式中当上式中当x=0（即固相熔融结束）时，即可得到熔融总长度。（即固相熔融结束）时，即可得到熔融总长度。2thz2thz00hgg增大增大 减小减小 zt增大增大 即挤出量的增大，将导致熔融的发生和终了均延迟，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，实践证明，在其他条件不变的情况下，g点的增加，点的增加，将使产品质量变坏。将使产品质量变坏。熔料在螺槽中的流动实际上有以下几种运动合成：熔料在螺槽中的流动实际上有以下几种运动合成

15、：a.a.正流（曳流）：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，是螺杆斜棱在的运动，是螺杆斜棱在z z轴方向作用的结果，实质是拖曳流轴方向作用的结果，实质是拖曳流动，起挤出物料作用，流量用动，起挤出物料作用，流量用qdqd表示。表示。( (如图）如图） 倒流（压力流）：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，流量为方向相反，流量为q qp p. . 横流（环流）：横流（环流）：由螺棱对物料的推挤作用和料筒的拖曳作用共

16、同引起由螺棱对物料的推挤作用和料筒的拖曳作用共同引起，（如（如图图) ) 使物料在螺槽内产生翻转运动。对生产能力没有影响，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，流量但能促进物料的混合、搅拌和热交换，流量qc=0.qc=0. 漏流：漏流： 由机筒与螺棱间隙由机筒与螺棱间隙处形成的倒流。方向沿螺杆轴线方向，并处形成的倒流。方向沿螺杆轴线方向，并由机头向后。流量用由机头向后。流量用q ql l表示。表示。 q=qd-qp-ql 22 33322121233tan1sinsin cos21212 ffdp pp pdhdhnyle yl q=qd-qp-ql

17、 mmmmlpkmdhhndq)(2)2(sin2sincos11222mmmmplpkmdhq)(2)2(sin1121、说明熔体输送理论中，、说明熔体输送理论中，qp/qd 变化对熔体沿螺杆变化对熔体沿螺杆z向流向流动速度（动速度（vz）分布的影响。）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、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？几种流动的主要原因是什么？ 问问题题3、设计能力为、设计能力为0.06kg/r的螺杆，如何满足的螺杆，如何满足0.09kg/r的生的生产要求，反之亦然？产要求，反之亦然？ 4、不考虑熔体密度差异，用相同