第二节挤出过程和挤出理论精选文档.ppt

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1、第二节挤出过程和挤出理论本讲稿第一页，共十九页挤出理论2.3.2 2.3.2 熔融理论熔融理论熔融理论熔融理论熔融理论又称为熔融理论又称为融化理论，相迁移理论融化理论，相迁移理论融化理论，相迁移理论融化理论，相迁移理论，它是研究塑料从，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、流变学等基固态转变为熔融状态的过程，是建立在热力学、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。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。橡胶挤出时从固态转变为熔融状态的过程不明显，因橡胶挤出时从固态转变为熔融状态的过程不明显，因此在橡胶挤出时不作研究。此在橡胶挤出时不作研究

2、。有关熔融区的研究是近几十年的事，到目前为止，仍处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。下面我们重点介绍于发展阶段。下面我们重点介绍TodmorTodmor所建立的熔融理所建立的熔融理论。论。本讲稿第二页，共十九页挤出理论1 1、TodmorTodmor熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型1 1）该理论是在挤出机上进行的大量冷却实验的基础上该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。提出来的。19591959年和年和19611961年年马多克（马多克（马多克（马多克（MaddockMaddock）及及斯斯斯斯特里（特里（特里（

3、特里（StreetStreet）分别对挤出机进行了如下的分别对挤出机进行了如下的冷却实验冷却实验冷却实验冷却实验：将着色物料（或碳黑）和本色物料加入挤出机中，待挤出将着色物料（或碳黑）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（或将料筒打开），将螺旋状的已冷却的杆），抽出螺杆（或将料筒打开），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，已熔融的物料（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的和局部混合的物料呈现流线，而未熔的物

4、料将保持初始的固态。固态。本讲稿第三页，共十九页挤出理论然后垂直于螺纹方向切取截面，可以看到一个截面内有三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：个区域：固态塑料（白色固态塑料（白色固态塑料（白色固态塑料（白色），我们称为固态床；），我们称为固态床；熔池熔池熔池熔池（黑色）（黑色）（黑色）（黑色）；以；以 及接近料筒表面的及接近料筒表面的熔膜熔膜熔膜熔膜。通过切取不同的截面，通过切取不同的截面，我们看到：我们看到：随着物料向随着物料向随着物料向随着物料向 前输送，熔池逐渐加宽，前输送，熔池逐渐加宽，前输送，熔池逐渐加宽，前输送，熔池逐渐加宽，固体床相应变窄，直到固体床相应变窄

5、，直到固体床相应变窄，直到固体床相应变窄，直到 最后，熔体充满整个螺最后，熔体充满整个螺最后，熔体充满整个螺最后，熔体充满整个螺 槽，固体床消失。槽，固体床消失。槽，固体床消失。槽，固体床消失。本讲稿第四页，共十九页挤出理论2 2）基于以上实验观察基于以上实验观察TodmorTodmor建立下面熔融模型：建立下面熔融模型：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机筒的间隙时，螺

6、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。底部，而形成了熔池。如图所示：如图所示：本讲稿第五页，共十九页挤出理论3 3）随着熔融过程的不断进行，自熔融区随着熔融过程的不断进行，自熔融区A A点（相变开点（相变开始点）起，固态床宽始点）起，固态床宽 度度X X逐渐减小，液相宽逐渐减小，液相宽 度逐渐增加，至熔融区度逐渐增加，至熔融区 终点终点B B（相变结束点）（相变结束点）时，固态床宽度减小到时，固态床宽度减小到 零，即零，即X/W=1X/W=1到到X/W=0X/W=0，熔融塑料充满了整个螺熔融塑料充满了整个螺 槽，熔融区宣布结束。槽，熔融区宣布结束。本讲稿第六页，共十九页挤出理

7、论4 4）塑料熔融的热源）塑料熔融的热源）塑料熔融的热源）塑料熔融的热源主要有两个：主要有两个：一是一是 从外加热器得到的从外加热器得到的外热外热外热外热（传导热）（传导热）二是二是内热内热内热内热。即熔融流动过程中，由于速度差异产生的粘。即熔融流动过程中，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。性耗散热（剪切热），其能量来源是电动机的机械能。2 2基本假定基本假定基本假定基本假定1 1）挤出过程是稳定的）挤出过程是稳定的）挤出过程是稳定的）挤出过程是稳定的。即在挤出过程中，螺槽中的固液相。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分界面保持

8、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。本讲稿第七页，共十九页挤出理论2 2）整个固相为均一的整个固相为均一的连续体连续体连续体连续体。（忽略固体床破碎的可。（忽略固体床破碎的可能性）。能性）。3 3）塑料的熔融温度范围较窄，塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显固液相分界面明显固液相分界面明显固液相分界面明显。4 4）螺槽和固体床的横断面都是螺槽和固体床的横断面都是矩形矩形矩形矩形。5 5）外热和内热是通过固液相分界面传递）外热和内热是通过固液相分界面传递）外热和内热是通过固液相分界面传递）外热和内热是通过固液相分界面传递，其它面没有，其它面没有热交换。（螺杆与塑

9、料，固体床与熔池之间）热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）6 6）塑料流体是塑料流体是牛顿流体牛顿流体牛顿流体牛顿流体，即，即 7 7）机筒转动而螺杆相对的静止不动）机筒转动而螺杆相对的静止不动）机筒转动而螺杆相对的静止不动）机筒转动而螺杆相对的静止不动。本讲稿第八页，共十九页挤出理论3.3.固相分布函数的求解固相分布函数的求解固相分布函数的求解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我们研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度X X沿沿螺槽方向螺槽方向Z Z的变化规律的变化规律 ，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

10、衡分析，即可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求出固相分布函数X=fX=f（z z）的解析式。这些平衡是：的解析式。这些平衡是：固相的质量平衡固相的质量平衡固相的质量平衡固相的质量平衡 ，熔膜的质量平衡，熔膜的质量平衡，熔膜的质量平衡，熔膜的质量平衡 ，固液相分布截面的热，固液相分布截面的热，固液相分布截面的热，固液相分布截面的热量平衡量平衡量平衡量平衡本讲稿第九页，共十九页挤出理论1)1)固相的质量平衡固相的质量平衡固相的质量平衡固相的质量平衡 -=dz=dz段上分界面处固相融化量段上分界面处固相融化量段上分界面处固相融化量段上分界面处固相融化量 写成微分形

11、式：写成微分形式：其中：其中：s s-固相密度固相密度VszZVszZ方向固相移动速度方向固相移动速度d(HX)d(HX)断面单位面积断面单位面积-单位螺槽长度上的固单位螺槽长度上的固 体熔化率体熔化率本讲稿第十页，共十九页挤出理论2 2）熔膜的质量平衡）熔膜的质量平衡）熔膜的质量平衡）熔膜的质量平衡根据假设，固相只在根据假设，固相只在Y Y方向熔融，而不在方向熔融，而不在X X方向熔融。同时，方向熔融。同时，熔膜只有熔膜只有X X方向的流动。因而可以得出：方向的流动。因而可以得出：在距离在距离dzdz段上，单位时间内在段上，单位时间内在Y Y方向由固相加入熔膜的新方向由固相加入熔膜的新熔融的

12、熔料量熔融的熔料量=由熔膜流入熔池的熔料量由熔膜流入熔池的熔料量=单位螺槽长度上单位螺槽长度上的熔融的熔融 速率速率与长度与长度dzdz的乘积的乘积 即：即：本讲稿第十一页，共十九页挤出理论 即即 ：式中式中 s s固相密度固相密度 m-m-液相密度液相密度 Vbx Vbx机筒在机筒在X X方向的分速度。方向的分速度。Vsy Vsy固相在固相在Y Y方向的融化速度。方向的融化速度。本讲稿第十二页，共十九页挤出理论3)3)固液相分界面上的热量平衡固液相分界面上的热量平衡固液相分界面上的热量平衡固液相分界面上的热量平衡 根据假设，根据假设，固相只在固相只在固相只在固相只在Y Y方向熔融，因此热量也

13、只在方向熔融，因此热量也只在方向熔融，因此热量也只在方向熔融，因此热量也只在Y Y方向传方向传方向传方向传递。递。递。递。由此得出：由此得出：在单位时间内在单位面积上在单位时间内在单位面积上在单位时间内在单位面积上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

14、，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：其中其中K K为导热系数为导热系数本讲稿第十三页，共十九页挤出理论得出下列公式得出下列公式:式中式中:分界面液相一侧的温度梯度分界面液相一侧的温度梯度 分界面固相一侧的温度梯度分界面固相一侧的温度梯度 液相的热传导率液相的热传导率 固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。塑料的熔融潜热，即融化单位质量的塑料所需要热量。本讲稿第十四页，共十九页挤出理论4)4)求解固相分布函数求解固相分布函数求解固相分布函数求解固相分布函数 由上述三个平衡方程组，通过适当的变换后，我们可以由上述三个平衡方程组，通过

15、适当的变换后，我们可以求出固相的分布函数如下：求出固相的分布函数如下：(等深螺槽等深螺槽)式中：式中：融化系数，融化系数，=0 0 0 0H H H H0 0 0 0/G/G/G/G G G生产能力，生产能力，0 0 0 0初始融化速率初始融化速率 HH熔槽深度，熔槽深度，H H H H0 0 0 0-初始槽深初始槽深 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=0X=0（即固相熔融结束）（即固相熔融结束）（即固相熔融结束）（即固相熔融结束）时，即时，即可得到熔融总可得到熔融总可得到熔融总可得到熔融总长度长度长度长度：本讲稿第十五页，共十九页挤出理论4 4、结论、

16、结论、结论、结论 我们研究熔融理论的目的，就是使设计的螺杆熔融段我们研究熔融理论的目的，就是使设计的螺杆熔融段“高生产高生产高生产高生产能力能力能力能力G G，低熔融长度，低熔融长度，低熔融长度，低熔融长度Z ZT T”，通过分析，我们可以得出下面，通过分析，我们可以得出下面的结论：的结论：1 1）运转工艺条件的影响）运转工艺条件的影响）运转工艺条件的影响）运转工艺条件的影响挤出质量挤出质量G 由公式由公式 ，=0 0 0 0H H H H0 0 0 0/G /G /G /G 可知：可知：G G增大增大 减小减小 Z ZT T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。实践即挤出量的

17、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，证明，在其他条件不变的情况下，G G的增加，将使产品质量的增加，将使产品质量变坏（熔融不充分）。变坏（熔融不充分）。本讲稿第十六页，共十九页挤出理论Z与与 X/W 的关系的关系如图所示：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，应使出质量，应使Z ZT TZZ ZABAB，应加背压装置，使相变结束点应加背压装置，使相变结束点B B”重新移到重新移到B B点以内。否则将使物料得不到较好的熔融。点以内。否则将使物料得不到较好的熔融。本讲稿第十七页，共十九页挤出理论螺杆转速螺杆

18、转速n提高转速提高转速n n，将使，将使G G增加，使增加，使Z ZT T加长，同时能加强剪切，加长，同时能加强剪切，又使又使Z ZT T变短，因此，变短，因此，n n提高时，需增加背压装置，以使提高时，需增加背压装置，以使Z ZT T的长度得到控制，保证挤出质量。的长度得到控制，保证挤出质量。料筒温度料筒温度TbTbTb增加增加 ，有利于熔融物料（，有利于熔融物料（Z ZT T减少）；但减少）；但TbTb太高，太高，将使摩擦系数将使摩擦系数f f 降低，减少剪切和摩擦，不利于降低，减少剪切和摩擦，不利于Z ZT T减少。减少。l lTbTb存在一个最佳值。存在一个最佳值。提高料温提高料温TsTsTs增加增加 ，使，使Z ZT T减少减少 ，还可消除物料中的水分。还可消除物料中的水分。本讲稿第十八页，共十九页挤出理论2 2）螺杆几何参数的影响：）螺杆几何参数的影响：）螺杆几何参数的影响：）螺杆几何参数的影响：槽深槽深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。螺旋角螺旋角：与H对ZT的影响相似。过大过小都不利于ZT减少。螺纹头数螺纹头数：的增加，仅使ZT略微减小，影响不大。螺棱与机筒间隙螺棱与机筒间隙：增大，导致熔膜增厚，不利于热传导，使ZT增大；增大，导致剪切作用降低，使ZT增大。即即增大，不利用物料的熔融。增大，不利用物料的熔融。本讲稿第十九页，共十九页