《第二节挤出过程和挤出理论》-课件设计（公开).pptVIP

第二节 挤出过程和挤出理论 之二 挤出理论 挤出理论 2.3.2 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、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。 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。 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。 挤出理论 1、Todmor熔融理论的物理模型 1）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。1959年和1961年马多克（Maddock）及斯特里（Street）分别对挤出机进行了如下的冷却实验： 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固态。 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个区域：固态塑料（白色），我们称为固态床；熔池（黑色）；以 及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。 挤出理论 2）基于以上实验观察Todmor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。 如图所示： 挤出理论 3）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到X/W=0， 熔融塑料充满了整个螺 槽，熔融区宣布结束。 挤出理论 4）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） 二是内热。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。 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。 挤出理论 2）整个固相为均一的连续体。（忽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，其它面没有热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间） 6）塑料流体是牛顿流体，即 7）机筒转动而螺杆相对的静止不动。 挤出理论 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，即可求出固相分布函数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 挤出理论 1) 固相的质量平衡 - =[dz段上分界面处固相融化量] 写成微分形式： 其中： ρs---固相密度 Vsz—Z方向固相移动速度 d(HX)—断面单位面积 ω---单位螺槽长度上的固 体熔化率 挤出理论 2）熔膜的质量平衡 根据假设，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： [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ω与长度dz的乘积] 即： 挤出理论 即 ： 式中 ρs——固相密度 ρm------液相密度 Vbx——机筒在X方向的分速度。 Vsy——固相在Y方向的融化速度。 挤出理论 3) 固液相分界面上的热量平衡 根据假设，固相只在Y方向熔融，因此热量也只在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： 其中K为导热系数 挤出理论 得出下列公式 : 式中: —分界面液相一侧的温度梯度