第二節(jié)擠出過程和擠出理論

第二節(jié)擠出過程和擠出理論第一頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論2.3.2熔融理論熔融理論又稱為融化理論，相遷移理論，它是研究塑料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的過程，是建立在熱力學(xué)、流變學(xué)等基礎(chǔ)上的一種理論。熔融理論主要用于指導(dǎo)螺桿熔融段的設(shè)計(jì)。橡膠擠出時從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的過程不明顯，因此在橡膠擠出時不作研究。有關(guān)熔融區(qū)的研究是近幾十年的事，到目前為止，仍處于發(fā)展階段。下面我們重點(diǎn)介紹Todmor所建立的熔融理論。第二頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論1、Todmor熔融理論的物理模型1）該理論是在擠出機(jī)上進(jìn)行的大量冷卻實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來的。1959年和1961年馬多克（Maddock）及斯特里（Street）分別對擠出機(jī)進(jìn)行了如下的冷卻實(shí)驗(yàn)：將著色物料（或碳黑）和本色物料加入擠出機(jī)中，待擠出過程穩(wěn)定后，快速停車并驟冷料筒（如果可能，也冷卻螺桿），抽出螺桿（或?qū)⒘贤泊蜷_），將螺旋狀的已冷卻的物料（塑料）帶從螺桿上剝下，這時可以發(fā)現(xiàn)，已熔融的和局部混合的物料呈現(xiàn)流線，而未熔的物料將保持初始的固態(tài)。第三頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論然后垂直于螺紋方向切取截面，可以看到一個截面內(nèi)有三個區(qū)域：固態(tài)塑料（白色），我們稱為固態(tài)床；熔池（黑色）；以及接近料筒表面的熔膜。通過切取不同的截面，我們看到：隨著物料向前輸送，熔池逐漸加寬，固體床相應(yīng)變窄，直到最后，熔體充滿整個螺槽，固體床消失。第四頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論2）基于以上實(shí)驗(yàn)觀察Todmor建立下面熔融模型：塑料在擠出過程中，在接近加料段的末端，與機(jī)筒相接觸的塑料已開始熔融而形成了一層熔膜。當(dāng)熔膜厚度超過螺桿與機(jī)筒的間隙時，螺桿頂面把熔膜從機(jī)筒內(nèi)壁徑向的刮向螺桿底部，而形成了熔池。如圖所示：第五頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論3）隨著熔融過程的不斷進(jìn)行，自熔融區(qū)A點(diǎn)（相變開始點(diǎn)）起，固態(tài)床寬度X逐漸減小，液相寬度逐漸增加，至熔融區(qū)終點(diǎn)B（相變結(jié)束點(diǎn)）時，固態(tài)床寬度減小到零，即X/W=1到X/W=0，熔融塑料充滿了整個螺槽，熔融區(qū)宣布結(jié)束。第六頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論4）塑料熔融的熱源主要有兩個：一是從外加熱器得到的外熱（傳導(dǎo)熱）二是內(nèi)熱。即熔融流動過程中，由于速度差異產(chǎn)生的粘性耗散熱（剪切熱），其能量來源是電動機(jī)的機(jī)械能。2．基本假定1）擠出過程是穩(wěn)定的。即在擠出過程中，螺槽中的固液相分界面保持不變。固相以穩(wěn)定不變的速度Vsy在分界面熔融。第七頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論2）整個固相為均一的連續(xù)體。（忽略固體床破碎的可能性）。3）塑料的熔融溫度范圍較窄，固液相分界面明顯。4）螺槽和固體床的橫斷面都是矩形。5）外熱和內(nèi)熱是通過固液相分界面?zhèn)鬟f，其它面沒有熱交換。（螺桿與塑料，固體床與熔池之間）6）塑料流體是牛頓流體，即

7）機(jī)筒轉(zhuǎn)動而螺桿相對的靜止不動。第八頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論3.固相分布函數(shù)的求解

我們研究熔融理論的目的，就是為了找出固相寬度X沿螺槽方向Z的變化規(guī)律，即分布函數(shù)X=f（z）對熔融理論的物理模型進(jìn)行下列三個方面的平衡分析，即可求出固相分布函數(shù)X=f（z）的解析式。這些平衡是：

固相的質(zhì)量平衡，熔膜的質(zhì)量平衡，固液相分布截面的熱量平衡第九頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論1)固相的質(zhì)量平衡

-=[dz段上分界面處固相融化量]寫成微分形式：

其中：ρs---固相密度Vsz—Z方向固相移動速度d(HX)—斷面單位面積ω---單位螺槽長度上的固體熔化率第十頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論2）熔膜的質(zhì)量平衡根據(jù)假設(shè)，固相只在Y方向熔融，而不在X方向熔融。同時，熔膜只有X方向的流動。因而可以得出：[在距離dz段上，單位時間內(nèi)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]=[單位螺槽長度上的熔融速率ω與長度dz的乘積]即：第十一頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論

即：式中ρs——固相密度

ρm------液相密度Vbx——機(jī)筒在X方向的分速度。Vsy——固相在Y方向的融化速度。第十二頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論3)固液相分界面上的熱量平衡根據(jù)假設(shè)，固相只在Y方向熔融，因此熱量也只在Y方向傳遞。由此得出：在單位時間內(nèi)在單位面積上:[經(jīng)熔膜流入分界面的熱量]-[流出分界面進(jìn)入固相的熱量]=[塑料熔融消耗的熱量]根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律，流體流過不同溫度的固體壁面時，產(chǎn)生熱交換，換熱量由下式計(jì)算：其中K為導(dǎo)熱系數(shù)第十三頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論得出下列公式:式中:—分界面液相一側(cè)的溫度梯度—分界面固相一側(cè)的溫度梯度—液相的熱傳導(dǎo)率—固相的熱傳導(dǎo)率—塑料的熔融潛熱，即融化單位質(zhì)量的塑料所需要熱量。第十四頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論4)求解固相分布函數(shù)由上述三個平衡方程組，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后，我們可以求出固相的分布函數(shù)如下：(等深螺槽)

式中：Ψ—融化系數(shù)，Ψ=ω0H0/G

G—生產(chǎn)能力，ω0—初始融化速率

H—熔槽深度，

H0--初始槽深

Z—固相熔融長度（螺槽展開）上式中當(dāng)X=0（即固相熔融結(jié)束）時，即可得到熔融總長度： 第十五頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論4、結(jié)論我們研究熔融理論的目的，就是使設(shè)計(jì)的螺桿熔融段“高生產(chǎn)能力G，低熔融長度ZT”，通過分析，我們可以得出下面的結(jié)論：1）運(yùn)轉(zhuǎn)工藝條件的影響①擠出質(zhì)量G由公式，Ψ=ω0H0/G可知：G增大Ψ減小ZT增大即擠出量的增大，將導(dǎo)致熔融的發(fā)生和終了均延遲。實(shí)踐證明，在其他條件不變的情況下，G的增加，將使產(chǎn)品質(zhì)量變壞（熔融不充分）。第十六頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論Z與X/W的關(guān)系如圖所示：一般要求擠出機(jī)工作時，為保證熔融塑化質(zhì)量和擠出質(zhì)量，應(yīng)使ZT<ZAB。若ZT>ZAB，應(yīng)加背壓裝置，使相變結(jié)束點(diǎn)B”重新移到B點(diǎn)以內(nèi)。否則將使物料得不到較好的熔融。第十七頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論②螺桿轉(zhuǎn)速n提高轉(zhuǎn)速n，將使G增加，使ZT加長，同時能加強(qiáng)剪切，又使ZT變短，因此，n提高時，需增加背壓裝置，以使ZT的長度得到控制，保證擠出質(zhì)量。③料筒溫度TbTb增加，有利于熔融物料（ZT減少）；但Tb太高，將使摩擦系數(shù)f降低，減少剪切和摩擦，不利于ZT減少。Tb存在一個最佳值。④提高料溫TsTs增加，使ZT減少，還可消除物料中的水分。第十八頁，共十九頁，2022年，8月28日擠出理論2）螺桿幾何參數(shù)的影響：槽深H：通常認(rèn)為在實(shí)用范圍內(nèi)H大些為好。影響較復(fù)雜，過深過淺都不好