第二章-3压缩段熔融理论课件.ppt

1、12.2.3压缩段的熔融理论压缩段的熔融理论n2.2.3.1实验观察实验观察n（1）顶出螺杆法）顶出螺杆法n（2）剖分机筒法）剖分机筒法n（3）透明机筒法）透明机筒法2 图图 216 螺杆中物料的熔融过程螺杆中物料的熔融过程1 一液相一液相(熔体熔体)2一固相一固相(未熔物料未熔物料)3一加料口一加料口 4一螺棱推进面一螺棱推进面 5一熔池一熔池 6 熔膜熔膜 7一已加热的固体一已加热的固体 8一温度较低的固体一温度较低的固体3图图217 熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型1分界面分界面 2熔膜熔膜 3固相固相 4熔池熔池 5螺纹推进面螺纹推进面4n 从上述熔融过程的实验研究可知：从上述熔融

2、过程的实验研究可知：n（1）塑料的全部熔融过程是在螺杆压缩）塑料的全部熔融过程是在螺杆压缩段内进行的；段内进行的；n（2）整个熔化过程直接反映为固相宽度）整个熔化过程直接反映为固相宽度沿螺槽方向距离变化的规律；沿螺槽方向距离变化的规律；n（3）固相宽度沿螺槽方向距离的变化规）固相宽度沿螺槽方向距离的变化规律，决定于螺杆参数、操作工艺条件和律，决定于螺杆参数、操作工艺条件和塑料的物理性质。塑料的物理性质。52.2.3.2 数学分析数学分析n为了表征高聚物熔融过程中固相宽度沿螺槽方为了表征高聚物熔融过程中固相宽度沿螺槽方向变化的规律、根据上述实验结果的观察和分向变化的规律、根据上述实验结果的观察和

3、分析可作如下假设：析可作如下假设：n挤出过程是稳定的，即在挤出过程中，螺槽内挤出过程是稳定的，即在挤出过程中，螺槽内的固相和液相分界面位置固定不变；的固相和液相分界面位置固定不变；v整个固相为均质连续体；整个固相为均质连续体；v高聚物的熔融温度范围较窄，因而固液相之间高聚物的熔融温度范围较窄，因而固液相之间的分界面明显；的分界面明显；v螺槽横截面为矩形，固相物料的横截面也为矩螺槽横截面为矩形，固相物料的横截面也为矩形；形；6v外部加热的热量由机筒表面传入，并按热传导外部加热的热量由机筒表面传入，并按热传导方式通过熔膜和固、液相的界面；方式通过熔膜和固、液相的界面；v剪切热仅在熔膜内产生；剪切热

4、仅在熔膜内产生；v熔池对固体床的传热忽略不计；熔池对固体床的传热忽略不计；v固体粒子的熔化仅在固、液相界面进行；固体粒子的熔化仅在固、液相界面进行；v沿螺槽沿螺槽x和和z两个方向的传热不予考虑；认为固两个方向的传热不予考虑；认为固体床的厚度无限大；体床的厚度无限大；v熔体为牛顿流体，所有物理性质都是常数；熔体为牛顿流体，所有物理性质都是常数；7v 螺杆静止，机筒表面以速度螺杆静止，机筒表面以速度vb运动，熔运动，熔化的物料由于机筒表面的拖曳作用汇集化的物料由于机筒表面的拖曳作用汇集于熔池内，而固相物料则以一定速度于熔池内，而固相物料则以一定速度vsy 沿沿y方向进入分界面转化为液相，以补充方向

5、进入分界面转化为液相，以补充熔膜中进入熔池的液相物料，因而熔膜熔膜中进入熔池的液相物料，因而熔膜厚度厚度在固体床宽度方向为定值；在固体床宽度方向为定值；v螺槽内的固相物料以一定速度螺槽内的固相物料以一定速度vsz沿沿z向前向前移。移。8三个平衡三个平衡n 根据上述假设，可得到如图根据上述假设，可得到如图217所示熔融理所示熔融理论物理模型图，对此模型作如一下三方面的平论物理模型图，对此模型作如一下三方面的平衡分析，就可以得到固相宽度衡分析，就可以得到固相宽度x沿螺做方向距沿螺做方向距离的变化规律，即求出函数离的变化规律，即求出函数nxf(z)的关系式，此函数称为的关系式，此函数称为“固相分布函

6、固相分布函数数”。n1）dZ距离上的固相物料的质量平衡；距离上的固相物料的质量平衡；n2）熔膜内）熔膜内z向单位距离向单位距离(长度长度)上的质量平衡；上的质量平衡；n3）分界面上的热量平衡。）分界面上的热量平衡。91）dZ距离上的固相物料的质量平衡距离上的固相物料的质量平衡11sszHX 22sszHX dz1122sszsszHXHXdz 单位时间内流入单位时间内流入dzdz段固体物料的量段固体物料的量单位时间内流出单位时间内流出dzdz段固体物料的量段固体物料的量dzdz段上分界面处，单位时间内固相物料熔化量为段上分界面处，单位时间内固相物料熔化量为：单位螺槽长度的固体熔化速率单位螺槽长

7、度的固体熔化速率dz距离上固相物料距离上固相物料的质量平衡的质量平衡0szsGHWsszd H Xdz 231230挤出机稳定挤出挤出机稳定挤出的质量生产率的质量生产率102 2）熔膜内）熔膜内z z向单位距离向单位距离(长度长度)上的质量平衡上的质量平衡 由固相沿由固相沿y方向进入熔膜的新熔化的熔融物料方向进入熔膜的新熔化的熔融物料量等于由熔膜流入液相量等于由熔膜流入液相(熔池熔池)的熔融物料量，若对的熔融物料量，若对z向单位距离而言，此关系可表示为：向单位距离而言，此关系可表示为：12sysbxmx式中：式中：m熔融物料密度；熔融物料密度；sy固相物料在固相物料在y方向的速度；方向的速度；

8、bx机筒表面机筒表面运动速度在运动速度在x方向的分量，方向的分量，1/2bx即为熔膜在即为熔膜在x方向的平均流速。方向的平均流速。12sysbxmx232233113）分界面上的热量平衡）分界面上的热量平衡单位时间内和分界面单位面积上，由熔膜进入单位时间内和分界面单位面积上，由熔膜进入分界面的热量：分界面的热量：0mydTKdy由分界面进入固相的热量为：由分界面进入固相的热量为：0sydTKdy固相物料在分界面熔融以及熔融后的物料固相物料在分界面熔融以及熔融后的物料升温到熔膜平均升温所消耗的热量为：升温到熔膜平均升温所消耗的热量为：*sys以上三项热量的平衡关系如下：以上三项热量的平衡关系如下

9、：*00mssysyydTdTKKdydy液相物料的热导率液相物料的热导率固相物料的热导率固相物料的热导率固相物料的熔融潜热固相物料的熔融潜热熔膜和固相物料沿熔膜和固相物料沿y方向方向的温度梯度的温度梯度23412 熔膜沿熔膜沿y方向的温度分布方程，可根据流体在方向的温度分布方程，可根据流体在两平行板之间作后状流动推导而得。对牛顿流体，两平行板之间作后状流动推导而得。对牛顿流体，可得如下温度分布方程式可得如下温度分布方程式:(a)单位面积熔膜在单位时间内进入分界面的热量为：单位面积熔膜在单位时间内进入分界面的热量为：2222()22jjbmmmmTTTT yyyTKK 熔融物熔融物料表观料表观

10、粘度粘度与熔膜接触与熔膜接触的机筒内壁的机筒内壁温度温度与固体床接与固体床接触的熔膜温触的熔膜温度度机筒对熔膜机筒对熔膜的的“拖引速拖引速度度”0()mydTKdy234a13在机筒表面以一定的速度在机筒表面以一定的速度b移动外，移动外，螺槽内固相也以一定的速度螺槽内固相也以一定的速度sz沿螺沿螺槽方向向前移动。为了计算方便，槽方向向前移动。为了计算方便，假设固相处于静止不动，则相当于假设固相处于静止不动，则相当于机筒表面以合成速度机筒表面以合成速度j运动。运动。jbsz 202jbmmyTTdTdyK 20()2jbmmmyTTdTKKdy 于是：于是：固相速度分析固相速度分析234b234

11、c14(b)单位面积分界面在单位时间内流入固相的热量为单位面积分界面在单位时间内流入固相的热量为0()sydTKdy对于固体床，其温度分布方程可以推倒如下：对于固体床，其温度分布方程可以推倒如下：()()expsssymssscTT yTTyTK对上式进行求导，并取对上式进行求导，并取y0，即得：，即得：0()sssymssycdTTTdyK0()ssssymsydTKcTTdy于是：于是：固相物料的温度固相物料的比热容235b235a15(c)单位面积分界面在单位时间内使温度为单位面积分界面在单位时间内使温度为Tm的固相物料变为熔体，并使之升温到熔的固相物料变为熔体，并使之升温到熔膜的平均温

12、度膜的平均温度Tav所消耗的热量为所消耗的热量为*sys根据该项热量所起的作用，可知：根据该项热量所起的作用，可知：*()mavmcTT22312jbmavmTTTK 熔膜平均温度熔膜平均温度TavTav可由下式表示：可由下式表示：熔融潜热液相物料的比热容经过修正的熔融潜热236237162*()()2jbmmsssymssysTTKcTT 经过对以上三项热量分析后，可得：经过对以上三项热量分析后，可得：2bxmsysx2*2()()mbmjbxmsmsKTTxc TT 238239由由232得：得：把式把式239带入带入239整理得：整理得：240172bxm240a比较比较240与与240

13、a可得：可得：2*2()()mbmjbxmsmsKTTxc TT 2402*2()2()mbmjbxmsmsKTTxc TT 2*2()2()mbmjbxmsmsKTTc TT x240b240c240d180szsGHW把把230和式和式241d带入带入 231整理得：整理得：sszd H Xdz x230240d23101HWd H XdzGx241对于等深螺槽，对于等深螺槽，H为常数，对为常数，对241式积分，可得：式积分，可得：201112112HWXXZZG H X242熔融区起点正向坐标值对应Z1处的固相宽度19201112112HWXXZZG H X若取若取Z1=0，X1=W，式

14、，式242可简化为下列形式：可简化为下列形式：242a242和和242a即为等深螺槽的固相分布函数。即为等深螺槽的固相分布函数。2012HWXZWG H200WGH 设：设：242b2012HWXZWG H带入：带入：得：得：212XZWH240d当当X=W时，式时，式240d可写成：可写成：x0W242d242C初始熔化速率210W式式242d带入带入242b 得得00GH 242e无因次量，表示熔融区起始点处得熔化速率与无因次量，表示熔融区起始点处得熔化速率与单位螺槽深度的质量流率之比，称为熔化系数。单位螺槽深度的质量流率之比，称为熔化系数。当固相物料完全熔融时，当固相物料完全熔融时，X=

15、0，以此条件带入，以此条件带入242c，可得到螺杆压缩段的长度，可得到螺杆压缩段的长度ZT。2THZ 212XZWH242f式式242f反映了螺杆熔化区的长度与挤出机生产效反映了螺杆熔化区的长度与挤出机生产效率、螺杆参数、操作工艺和材料性质之间的关系。率、螺杆参数、操作工艺和材料性质之间的关系。22对于渐变螺杆，可把对于渐变螺杆，可把1HHAZ带入带入24101HWd H XdzGx011HWdHAZXdzGx对该式求解后整理得：对该式求解后整理得：2112112TXXAWWAZAAZ24312THAZ10WXGHW243a243b渐变螺杆固相分布函数232.2.3.4对熔融理论的讨论对熔融理

16、论的讨论n1、影响挤出生产能力及熔融区长度的因素、影响挤出生产能力及熔融区长度的因素n 挤出过程的生产率与熔融段的流率挤出过程的生产率与熔融段的流率G密切相密切相关，这是挤出机生产力的限制因素，而关，这是挤出机生产力的限制因素，而G又与熔又与熔融区的长度融区的长度ZT相关联，它们均取决于物料的性相关联，它们均取决于物料的性质、操作工艺条件以及螺杆的几何参数等。质、操作工艺条件以及螺杆的几何参数等。24(1)物料性质的影响物料性质的影响0000211TTHZG HZGGnn 物料性质对物料性质对G和和ZT的的影响因素主要有：影响因素主要有：热性质（比热、热热性质（比热、热导率、熔融潜热、导率、熔

17、融潜热、熔点）、流变性质熔点）、流变性质以及密度。以及密度。2*2()2()mbmjbxmsmsKTTc TT 2526(2)工艺条件的影响工艺条件的影响0000022,11,()22()*,TTjmbmbxmsmsHZG Hx ZGvkTTvc TTGnn 27n1)螺杆转速和流率：对通常无背压控制螺杆转速和流率：对通常无背压控制的设备而言，提高的设备而言，提高n所带来的所带来的增大的作增大的作用，不足以抵消用，不足以抵消G增加带来的影响，其增加带来的影响，其结果是使结果是使ZT 加长，这就是在一种设备上加长，这就是在一种设备上n不能过高的原因。而当设置和加大背压不能过高的原因。而当设置和加

18、大背压控制时，由于当提高控制时，由于当提高n时时G可以控制，而可以控制，而可使可使 增加的影响提高，并从而起到减增加的影响提高，并从而起到减少少ZT 的作用，这就是提高的作用，这就是提高n时需要增设时需要增设背压设备的原因。背压设备的原因。28（2）机筒温度）机筒温度Tb和固体塑料初温和固体塑料初温TS：从式：从式(240c)知，知，提高提高Tb能使能使增加，有利于对物料供热和加速其熔融过增加，有利于对物料供热和加速其熔融过程，但过高的程，但过高的Tb会使会使*增大，同时会产生种种不良影增大，同时会产生种种不良影响。而适当提高响。而适当提高TS，一殷都有利，它可使，一殷都有利，它可使ZT 减小

19、，但减小，但TS 过高，对加料段的固体输送能力不利。过高，对加料段的固体输送能力不利。n(c)螺杆的几何参数螺杆的几何参数n 比较式比较式(242f)和式和式(243a)可以看到，在其它条件可以看到，在其它条件相同情况下，渐变螺杆可以使熔融区缩短，这是由于相同情况下，渐变螺杆可以使熔融区缩短，这是由于螺槽变浅，使物料压实，有利于熔融。但渐变度的大螺槽变浅，使物料压实，有利于熔融。但渐变度的大小要适应于固体床的变化，太大的渐变度会引起固体小要适应于固体床的变化，太大的渐变度会引起固体床破裂，料流阻力增大，造成挤出过程的压力波动和床破裂，料流阻力增大，造成挤出过程的压力波动和挤出波动，从而直接影响

20、产品的质量，这是必须注意挤出波动，从而直接影响产品的质量，这是必须注意的。的。29b.熔融理论中存在的问题熔融理论中存在的问题n(a)固体床破碎问题固体床破碎问题n 许多研究者发现、在熔融区店部团体床会许多研究者发现、在熔融区店部团体床会周期性地解体，成为大小不一的团块，悬浮在周期性地解体，成为大小不一的团块，悬浮在液相中，这就是固体床破碎现象。其原因是：液相中，这就是固体床破碎现象。其原因是：随着始融过程进行液相部分增加，固体床的随着始融过程进行液相部分增加，固体床的流退增大压力下降，使其内部出现裂缝，熔流退增大压力下降，使其内部出现裂缝，熔体渗入裂缝，更加剧了固体床的破碎。破碎的体渗入裂缝

21、，更加剧了固体床的破碎。破碎的固相物料被熔膜包围后，其熔融过程就不再按固相物料被熔膜包围后，其熔融过程就不再按原来的熔化机理进行。破裂后的大块固体料还原来的熔化机理进行。破裂后的大块固体料还极可能把螺槽堵塞，使熔融料暂时不能通过，极可能把螺槽堵塞，使熔融料暂时不能通过，挤出量又突然增加，导致挤出过程的不稳定。挤出量又突然增加，导致挤出过程的不稳定。30n(b)固体块被熔融料包围固体块被熔融料包围n 在螺杆温度较高时，螺槽底部及螺杆棱推在螺杆温度较高时，螺槽底部及螺杆棱推进面后侧也会出现熔膜，这一方面是由于固体进面后侧也会出现熔膜，这一方面是由于固体床变形后，熔池中熔体渗透至螺杆表面，另一床变形

22、后，熔池中熔体渗透至螺杆表面，另一方面还由于固体床与螺杆表面摩擦发热而使表方面还由于固体床与螺杆表面摩擦发热而使表层形成熔膜。可见在固体床周围都可能包围着层形成熔膜。可见在固体床周围都可能包围着熔体，这种情况下的熔融机理，显然与塔莫尔熔体，这种情况下的熔融机理，显然与塔莫尔模型很不相同，其影响因素更为复杂，至今还模型很不相同，其影响因素更为复杂，至今还没有建立起精确的数学模型。没有建立起精确的数学模型。31n(c)根据此熔融理论分析，随着熔融过程的不断根据此熔融理论分析，随着熔融过程的不断进行，固体床越来越窄，这意味着固相物料与进行，固体床越来越窄，这意味着固相物料与机筒的热交换面积越来越小，熔化效率就越来机筒的热交换面积越来越小，熔化效率就越来越低。可是熔池越来越大，已经熔化的物料占越低。可是熔池越来越大，已经熔化的物料占据越来越大的加热面积，因而会出现熔体温度据越来越大的加热面积，因而会出现熔体温度升高的现象。但实际上大多数挤出机的螺杆中，升高的现象。但实际上大多数挤出机的螺杆中，当固体床宽度达到一定的时候，往往出现固体当固体床宽度达到一定的时候，往往出现固体床破裂，然而如何利用固体床破碎并使其表面床破裂，然而如何利用固体床破碎并使其表面不断剥离以加速熔融，这是研究熔融机理所应不断剥离以加速熔融，这是研究熔融机理所应考虑的问题。考虑的问题。