1、第五节第五节 高聚物熔体在高聚物熔体在 机头口模中的流动机头口模中的流动目目 录录一、概述一、概述1、机头的结构、机头的结构2、机头的作用、机头的作用3、机头的分类、机头的分类4、机头口模设计原则、机头口模设计原则二聚合物熔体通过机头口模的粘弹行为二聚合物熔体通过机头口模的粘弹行为三、各种断面流道中的流动分析三、各种断面流道中的流动分析1、机头的结构、机头的结构 机头组成：粗滤板、分流器、分流器支架、机头组成：粗滤板、分流器、分流器支架、芯棒、口模、调节螺钉等芯棒、口模、调节螺钉等一、概述一、概述2、机头的作用：、机头的作用：a.将螺杆输送来的旋转状的料流变成直将螺杆输送来的旋转状的料流变成直
2、线流动的料流，经口模成型为不同横断面形线流动的料流，经口模成型为不同横断面形状的制品。状的制品。b.产生必要的成型压力。产生必要的成型压力。c.使物料进一步塑化均匀使物料进一步塑化均匀3.机头的分类机头的分类（1）按用途分）按用途分 橡胶类橡胶类 塑料类塑料类（2）按挤出方向分）按挤出方向分直向机头直向机头直角机头直角机头 侧侧一、概述一、概述（3）.按机头内压大小分按机头内压大小分 低压机头低压机头:料压力料压力 10 Mpa（吹膜、纺（吹膜、纺丝机头）丝机头）4、机头口模设计原则、机头口模设计原则要求：要求：制品尺寸精确、物料均匀、表观光滑制品尺寸精确、物料均匀、表观光滑考虑问题：考虑问题
3、：（1）机头流道形状：）机头流道形状：流体易于充满、均匀挤出、流体易于充满、均匀挤出、无过热分解、尽量呈流线形无过热分解、尽量呈流线形（2）截面尺寸）截面尺寸 适宜的机头压缩比、制品密适宜的机头压缩比、制品密 实、消除分流器支架造成的结合缝实、消除分流器支架造成的结合缝一、概述一、概述 截面尺寸（机头压缩比）截面尺寸（机头压缩比）机头压缩比机头压缩比面积面积成型部分口模与芯模间成型部分口模与芯模间分流器支架出口面积分流器支架出口面积（3 3）机头、口模尺寸设计）机头、口模尺寸设计 考虑物料的粘弹性，确定合理的挤出产量，考虑物料的粘弹性，确定合理的挤出产量，通过建立口模设计方程实现口模断面尺寸设
4、计。通过建立口模设计方程实现口模断面尺寸设计。一、概述一、概述a、当物料的流量一定时，求口模尺寸、流速与产当物料的流量一定时，求口模尺寸、流速与产生的压力降生的压力降（P）间的关系间的关系。b、熔体流变性能与口模尺寸和加工工艺条件间的熔体流变性能与口模尺寸和加工工艺条件间的关系。关系。本节讨论不同口型，如等截面、不等截面、本节讨论不同口型，如等截面、不等截面、组合流道的口模方程。组合流道的口模方程。考虑两方面的问题考虑两方面的问题二聚合物熔体通过机头口模的粘弹行为二聚合物熔体通过机头口模的粘弹行为1 1熔体通过口模的压力损失熔体通过口模的压力损失以毛细管中流动为例：以毛细管中流动为例：PP总总
5、PPA APPB BP P exexPAPA入口压力损失入口压力损失PBPB通过口模时压力损失通过口模时压力损失PexPex口模出口处压力口模出口处压力PPBLPAPexVL(1)(1)入口压力损失入口压力损失a.流线收敛、扩展引起的流体速度及其分布随流线收敛、扩展引起的流体速度及其分布随流动的变化，产生粘性损耗流动的变化，产生粘性损耗b.分子间的内摩擦产生的粘性损耗分子间的内摩擦产生的粘性损耗c.流动过程中大分子构象变化，如取向，将消流动过程中大分子构象变化，如取向，将消耗的压力转换成弹性能储存起来耗的压力转换成弹性能储存起来 其中其中c项占的比例最大，其他两项占项占的比例最大，其他两项占5
6、10左右。左右。入口压力损失的计算：入口压力损失的计算：想象中将口模延长想象中将口模延长一段距离一段距离LB，其产，其产生的压力损失与入生的压力损失与入口效应产生的压力口效应产生的压力损失相同。损失相同。PBP总总PL/RLB/RPA（2 2）PB流经口模时的压力损失流经口模时的压力损失 指熔体在稳态流动中，克服粘性损耗所产生指熔体在稳态流动中，克服粘性损耗所产生的压力损失的压力损失.二、粘弹行为二、粘弹行为 对于粘性流体，上述结论无可非议，对于粘弹对于粘性流体，上述结论无可非议，对于粘弹性流体是否可行，以圆柱管道中的流动，分析流体性流体是否可行，以圆柱管道中的流动，分析流体具有粘弹性时的压力
7、损失是否也为粘性损耗。具有粘弹性时的压力损失是否也为粘性损耗。a.分析：分析：有一圆管流道有一圆管流道,流体流体作层状、稳定流动。作层状、稳定流动。二、粘弹行为二、粘弹行为zrVz =0;Vr=V=0 0rV ,0ZV ,0 ZZ ZV圆管流道中粘性和粘弹流体的圆管流道中粘性和粘弹流体的流变分析：流变分析：V形变速率张量形变速率张量 0000000 rVrVZZ 应力张量应力张量 0000000 rzrz 对于粘性流体对于粘性流体 0 zzrr 200)1(2002 zVrVzVrVVrrVzVrVzZrrZrr 对于粘弹性流体对于粘弹性流体 0000 zzrzrzrr 形变速率张量形变速率张
8、量应力张量应力张量简单剪切会派生出法向应力简单剪切会派生出法向应力(3)(1zP (2)0r1 (1)(1 rzrrrrrPrrrrrP )(3 )(1zP )(2 0r1 )(1 0 ,rzrrrPrP r方向方向 方向方向z方向方向运动方程的简化：运动方程的简化：a.从式从式（1）（）（3）可知，对于粘弹体可知，对于粘弹体P=P(r,z)，从式从式（1）（）（3）可知，对于粘性体可知，对于粘性体P=P(z)。b.（3）（3），），轴向的流动方程是相同的。轴向的流动方程是相同的。表明轴向流动的压力损失仅由流体的粘性所决定，表明轴向流动的压力损失仅由流体的粘性所决定，即，粘性流体轴向流动的解也
9、适用于描述粘弹性即，粘性流体轴向流动的解也适用于描述粘弹性流体的流动行为。流体的流动行为。c.（3）与（）与（3）解得的结果是相同的。解得的结果是相同的。这表明在断面尺寸恒定的流道中，粘弹性流体的这表明在断面尺寸恒定的流道中，粘弹性流体的粘性流变行为也可用牛顿流体或幂律流体加以描述。粘性流变行为也可用牛顿流体或幂律流体加以描述。则由本构方程和（则由本构方程和（3 3）或（）或（3 3）联合求得的）联合求得的 Vz(r)和和Q也将相同。也将相同。粘弹性流体的弹性对圆管中的粘弹性流体的弹性对圆管中的 P/z、Q等反映等反映粘性流动特性的物理量无影响。粘性流动特性的物理量无影响。2 2、口模膨胀效应
10、、口模膨胀效应（1 1）定义）定义 描述描述：挤出胀大比挤出胀大比:B=d/D（B=d2/D2）挤出收缩率挤出收缩率:(L0-L)/L0 *100%（2 2）原因）原因 熔体在流动中形变取向，出模口后产生弹性熔体在流动中形变取向，出模口后产生弹性可恢复形变（结构、口模入口结构，剪切速率）。可恢复形变（结构、口模入口结构，剪切速率）。（3 3）影响因素）影响因素a.a.工艺因素工艺因素 T V Pb.b.设备因素设备因素 入口流道入口流道 L Dc.c.物料的结构因素物料的结构因素 M MWD口模形状与制品断面形状口模形状与制品断面形状3 3、不稳定流动、不稳定流动（1）定义）定义 v v挤出物
11、表面出现不规则现象挤出物表面出现不规则现象熔体破熔体破裂（螺旋状、竹节状、鲨鱼皮状、不规则破裂（螺旋状、竹节状、鲨鱼皮状、不规则破碎）碎）影响制品表观质量影响制品表观质量 （2 2）原因）原因 弹性形变不均匀，导致弹性恢复不均匀，弹性形变不均匀，导致弹性恢复不均匀，继而影响挤出物表观。继而影响挤出物表观。（3 3）影响因素）影响因素 a.a.工艺因素工艺因素 T V P b.b.设备因素设备因素 入口流道入口流道 L D c.c.材料因素材料因素 M MWDa.a.物性：加快物料的松弛物性：加快物料的松弛 b.b.工艺：让物料有足够的时间松弛工艺：让物料有足够的时间松弛c.c.设备：设备：（4
12、 4）改善不稳定流动的措施）改善不稳定流动的措施三、各种断面流道中的流动分析三、各种断面流道中的流动分析1、定截面流道、定截面流道(1)、圆管流道、圆管流道 8Q )(4 422LRPrRLPVz )n1(s ,3R)2(Q )(11)2(3s11 smLPRrRsmLPVsssz 牛顿流体牛顿流体幂律流体幂律流体Vz(2)、平面狭缝流道、平面狭缝流道W/H=20 误差误差 2W/H=10 误差误差 6W/H=5 误差误差 14可挤出板、膜、片材等。忽略流道侧壁的影响。可挤出板、膜、片材等。忽略流道侧壁的影响。HWLVz(2)、平面狭缝流道、平面狭缝流道PHyLPHVZ L12WHQ )2(1
13、8 322 )m(,)2(2)2(SWHQ 21)2()1(2 21 nsSZmLPHHymLPHSHV 牛顿流体牛顿流体幂律流体幂律流体(3)(3)、环形缝隙流道、环形缝隙流道0i22440220RRK ,)1()1(1L8PRQ )1(1)(14 KLnKKRrLnKLnKRrLPRVz 牛顿流体牛顿流体RiR0 )2()(2 ),(2001KnssinrzFmLPRRsRQdrdVzdrdVzm 幂律流体幂律流体F(n,k)Ri/R0稠度稠度S=1/n(4)(4)异形流道异形流道a.a.将非规则流道的断面尺寸与规则流道作对比，将非规则流道的断面尺寸与规则流道作对比，引入形状系数引入形状系
14、数f 作为修正系数。作为修正系数。AZdAVQ流量计算式为：流量计算式为：fLdAVQAz 12PWH 3牛顿流体计算式为：牛顿流体计算式为：形状系数是形状系数是以平行平板以平行平板压力流作为压力流作为基准而得到基准而得到的，如图所的，如图所示。示。f 12 3 LWPHQ 平行平板流道平行平板流道fb.b.厚度均一异形流道厚度均一异形流道P L12WHQ 3 )2(2)2(SWHQ 2smLPH 牛顿流体牛顿流体幂律流体幂律流体近似认为是狭缝流道，其流量方程：近似认为是狭缝流道，其流量方程：关键是要找出一个相当于缝模的关键是要找出一个相当于缝模的当量宽度当量宽度WeWe.W1W2W3三角形三
15、角形 We=W1W2+W3We为当量宽度为当量宽度圆形圆形We为当量宽度为当量宽度)(20ieRRW RRL形形 We=W1W2We为当量宽度为当量宽度W1W2正方形正方形We为当量宽度为当量宽度)(40ieRRW R正六边形正六边形WeWe为当量宽度为当量宽度)(46.30ieRRW 2 2、收敛形流道、收敛形流道 (锥形或楔形流道）锥形或楔形流道）（1 1）圆锥形流道）圆锥形流道Z R1R2Rr 假设条件：假设条件：1、稳定层流；、稳定层流；2、不可压缩的牛顿性流体；、不可压缩的牛顿性流体；3、收敛角、收敛角 很小；很小；4、等温流动。、等温流动。Vz0 V0,V0,Vrz0zV 0,rV
16、 0;zV 0,rVrrZZ流场分析：流场分析：建立柱坐标系建立柱坐标系速度、剪切速率速度、剪切速率Z R1R2Rr Vz zV20rVzV0rV20rVzV0rV2 zZrrZrr 0000 zzrzrzrr 形变速率张量形变速率张量应力张量应力张量Z R1R2Rr 流场分析：流场分析：Vz简化运动方程：简化运动方程：z)(rrr1zPz 0Pr1 )(rrr1zrPr zzrz rrrz 方向：方向：方向：当锥度很小时当锥度很小时0zV ,zVrV0VV VZZZr ,zr速度分布方程：速度分布方程：解：方程的左边是解：方程的左边是z的函数，方程的右边是的函数，方程的右边是r的函数的函数Z
17、向的运动方程：向的运动方程：)(rrr1zP rz （1）常常数数zP 积分：积分：)d(r rdrzPr0rzr0牛顿流体的本构方程牛顿流体的本构方程)drdV(zrz)r(RzP41V22Z速度分布方程：速度分布方程：dRdRdPdPtgtg 8 8 R R Q Q4 4tgdRdzdz tgdRtg zRR1R R是个变量是个变量流量方程：流量方程：z zP P8 8 R R r rd dr r2 2 V VQ Q4 4R R0 0z z任一个截面的流量任一个截面的流量0 0Z ZP P dRdRtgtg R R8 8 Q QdPdP2 21 12 21 1R RR R4 4P PP P
18、3 32 23 31 13 32 23 31 1R RR RR RR R3 3 tgtg 8 8 Q Q P P积分：积分：P P)R RR RR R8 8 L(RL(RR R3 3 R R Q Q2 22 22 21 12 21 13 32 23 31 1L LR RR Rtgtg 2 21 1 （2）V形流道形流道2、收敛形流道、收敛形流道 (锥形或楔形流道）锥形或楔形流道）H1H2WL XZyh （3）漏斗形流道）漏斗形流道 （4）锥环形流道）锥环形流道2、收敛形流道、收敛形流道 (锥形或楔形流道）锥形或楔形流道）牛顿流体在纵牛顿流体在纵向收敛的向收敛的V形流道形流道中作等温稳定层中作等温稳定层流流动。假设流流流动。假设流体不可压缩，忽体不可压缩，忽略流体重力，且略流体重力，且2H1/W 0.1,收敛收敛角角 很小，求流量很小，求流量Q。ZtgZtg H Hh h1 1H1H2WL XZyh作业作业VEND
