第三节 熔融理论.ppt

1、二熔融理论,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，是建立在热力学第一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。,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。,1. Todmor熔融理论的物理模型 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。 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（如果可能，也冷却螺杆），,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

2、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。 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：,（1）固态塑料，我们称为固态床 （2）熔池 （3）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。,基于以上的实验观察Todmor建立下面的熔融模型：,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。,H,Vsy,W,X,挤出方向,螺杆轴线,计量段,

3、Z,X,X,Vbz,Vbx,Vb,熔融段,加料段,A,B,加料口,W,e,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 X/W=0，熔融塑料充满了整个螺棱，熔融区宣布结束 。,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， 2）整个固相为均一的连续体。（忽

4、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，其它没有热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间） 6）塑料流体与牛顿流体，即 7）相筒 转动而螺杆相对的静止不动。,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，即可求出故乡分布函数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,1） 固相的质量平衡,=dz段上分界面处固相融化量,即

5、： 流入-流出=融化量,写成微分形式：,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,2） 熔膜的质量平衡根据假设，认为固相只在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：,H,Vbx,W,X,Y,熔膜质量平衡,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与长度dz的乘积,即,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。,3）固液相分界面上的热量平衡,根据假设，固相只在R方向熔融，因此热量也只

6、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： /温度梯度 其中K为导热系数 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。,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： 融化系数 G生产能力 H熔槽深度 Z固相熔融长度（螺槽展开）,上式中当X=0（即固相熔融

7、结束）时，即可得到熔融总长度。,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 ， 可知,G增大 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点的增加，将使产品质量变坏。 （2） 螺杆转速N 提高转速N，将使G点增加，使Zt加长，同时能加强剪切，又使Zt变短，因此，N高时，需增加背后装置，以使Zt的长度得到控制，保证挤出质量。,（3） 料筒温度Tb Tb增加 有利于熔融物料（Zt减少） 但Tb太高，将使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Ts Ts增加 Zt减少 还可消除物料中的水分。,2） 螺杆几何参数的影响： （1） 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。 （2） 螺旋角：与H对Zt的影响相似。过大过小都不利于Zt减少。 （3） 螺纹头数：的增加，仅使Zt略微减小，影响不大。,（4） 螺棱与机筒间隙：增大 熔膜增厚 不利于热传导 Zt增大 增大 剪切作用降低 Zt增大。即增大，不利用物料的熔融。 （5） Z与X/W的关系图 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 ZtZAB,应加背压装置，使相变结