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1、5.2 单螺杆挤出固体熔化理论,问题的提出,固体在挤出机中变成熔体的过程是如何发生和发展的？挤出机的工作条件对熔化过程有什么样的影响？挤出机（主要是螺杆）的结构对熔化过程有没有影响？需要多长的距离才能使固体变成熔体？,关于第一个问题,用冷却试验发现了挤出过程熔化发生和发展的过程,冷却实验得到的横断面,高密度聚乙烯的熔化过程,熔融机理概念图,热辊筒,刮板,关于后面三个问题,需要建立数学模型进行分析才能获得比较准确的回答,熔化理论模型,VSY,VSY,VSY,d0,熔化理论模型,Vb,Vj,熔融理论的结果,w为单位螺槽长的熔化速率：,式中,熔化速率参数f的物理意义,固体床分布渐变螺槽,渐变螺槽：H
2、=H1-AZ,Z=0，X=W；X=0，Z=ZT(Z增大，中括号内后一项增大),固体床分布与A/的关系,等深螺槽,渐变螺槽熔化区长度,参数与熔化速率的量度成正比，与流量G成反比。另外，流量G与螺杆转速成正比。由此，可以进一步分析工艺条件对熔化区长度的影响。,由（5-18）式，取X1=W，当X=0时，可以求出熔化区长度,A是螺槽锥度，A/是1的，因此，ZT对的导数恒小于0，所以ZT对是单调减小的。,固体床分布等深螺槽,等深螺槽：H=常数,固体床的计算值与理论值的比较,熔化理论的应用和讨论,工艺控制方面的应用挤出机设计方面的应用（略）,1.工艺控制方面的应用,以等深螺槽为例，设X1=W，熔化区长度可
3、以表示为：,熔化区长度与G成正比，与f和W成反比。影响f的因素：Tb、Ts、m。影响G的因素：G=VszWH1rs，其中Vsz与螺杆转速成正比。,挤出量G增加的影响,假定其他条件不变，熔化区长度将线性增加。（见后文）G的增加一般是通过螺杆转速增大来实现的。而螺杆转速提高，存在对熔化速率的影响，即既提高Vbx，又提高Vj，能够使熔化速率f提高。因此，螺杆转速提高，对熔化区长度的影响是G和f都增大的共同作用的结果。,料筒温度对熔化的影响,按照牛顿模型的结果，料筒温度对熔化速率的影响可能是怎么样的？,牛顿模型下料筒温度对熔化的影响,牛顿模型下，熔化速率量度f为：,将上式对T（即Tb）求二次导数：,取
4、根号内的部分定义为，且粘度随温度的变化为m=m0exp(a(T0-T)：,牛顿模型下料筒温度对熔化的影响,将上式对T（即Tb）求二次导数：,可见，二阶导数总是大于0，所以，随温度提高，熔化速率应有最小值。取极小值的温度，可以通过一阶导数等于0的方程计算。,料筒温度对熔化的影响,按照牛顿模型的结果，料筒温度对熔化速率的影响,f,Tb,传热的影响,粘度的影响,总的影响,非牛顿模型的结果,主要引自Tadmore和Klein的“塑化挤出工程原理”,牛顿模型的主要误差,在推导理论模型时的如下两个假设是产生误差的主要来源(1)假定聚合物熔膜限制在两个无限长的平行平板之间，这意味着进入熔膜的对流热被略去。然
5、而，在温度处于熔点的固体-液体分界面上新熔化的聚合物熔体在流入热的熔膜的同时，还使熔膜冷却下来，这样就改变了熔膜中的温度分布，从而降低了从熔膜进入分界面的热流。,牛顿模型的主要误差,(2)熔膜速度分布为线性分布不符合真实。因为横过熔膜有温度梯度，而粘度依赖于温度，粘度的逐渐变化将产生非线性的速度分布。剪切速率梯度和熔体的非牛顿特性，将进步一步增加速度分布的非线性。与线性速度分布相比，非线性速度分布倾向于减少熔体流往熔池的速率。,熔膜的线性速度分布,熔膜的非线性速度分布,非牛顿模型的结果及其实验验证,非牛顿模型可以分两种情况讨论：（1）熔膜横断面上的温度分布是近似线性的（即剪切发热很少）；（2）
6、熔膜横断面上的温度分布是非线性的。,非牛顿模型的结果及其实验验证,(1)非牛顿模型，熔膜横断面上的温度分布是近似线性的，结果形式与牛顿模型接近：,在等温条件下，U1成为mVj2，U2成为1，与牛顿流体相同。,非牛顿模型的结果及其实验验证,(2)非牛顿模型，熔膜横断面上的温度分布是非线性的。需要借助数字解法，用计算机进行计算。考虑螺槽曲率、螺棱间隙和固体床形状的影响以后的计算模型的结果与实验验证部分例子如下。,（a）挤出量对固体床分布的影响20转，37磅/h,Tb=204,（a）挤出量对固体床分布的影响 40转，87.7磅/h,Tb=232,（a）挤出量对固体床分布的影响 60转，136.4磅/
7、h,Tb=204,（b）高温下牛顿模型与非牛顿模型及其与实验结果的比较,下部虚线-牛顿模型上部虚线-非牛顿模型，未考虑螺棱间隙和曲率的影响实线-非牛顿模型，考虑了上述影响,Tb=260,非牛顿模型模拟的工艺条件对熔融的影响,料筒温度的影响螺杆转速的影响（压力保持不变和压力变化）,1.非牛顿模型情况下料筒温度对熔化的影响,升高料筒温度很自然地会增加从机简到聚合物的热传导。然而较高的料筒温度也导致较高的熔膜平均温度。从而使熔体从熔化提高到平均熔膜温度消耗的热量增加，这倾向于减少用于熔化的热量。粘度对温度的依赖性使得熔膜的速度分布变形，趋向于减小熔融速率。较高的温度减小了熔膜中熔体的粘度，这本身又导
8、致降低粘性耗散产生的热量。通常能找到一个相对于最大熔融速率的最佳机筒温度，即熔化区最短的温度。（牛顿模型下，仅仅存在一个熔化速率最小、也就是熔化区最长的温度。）,非牛顿模型：料筒温度对熔化的影响,阴影区：低密度聚乙烯在62.5 mm挤出机，螺杆转速为20100转/分条件下的模拟结果虚线：200 mm挤出机上，30转/分的模拟结果,举例：,料筒温度对熔化区长度的影响硬聚氯乙烯在62.5 mm挤出机上的模拟结果,粘流温度在170,低转速（20r/min)时，摩擦发热较少，传热作用比较主要，随料筒温度提高，尤其是在低于PVC粘流温度170以下，随温度提高，熔化速率提高，熔融区长度变短。但转速较高时，
9、摩擦发热较大，即使从低于PVC粘流温度的150开始，随着温度提高，熔融区长度都都增大，表明熔化速率随温度提高一直是下降的。,料筒温度对熔化区长度的影响PA66 在62.5 mm挤出机上的模拟结果,PA66的熔点为267,2.流率对固体床分布的影响,产量：86.3kg/h72.6kg/h59.0kg/h45.4kg/h31.8kg/h18.2kg/h温度204，螺杆转速60rpm备注：转速不提高，而提高产量，意味着压力降低,转速不变时挤出量对熔化区长度的影响,数据来自前一张幻灯片,3.螺杆转速对熔化的影响的模拟结果,1：50 r/min，1450 磅/h；2：30 r/min，940 磅/h；3
10、：20 r/min，830 磅/h；4：实线，10 r/min，340 磅/h；虚线，60 r/min，940 磅/h（流量与30转时相同，但熔化区长度比30转时少，说明额外的转速不仅完全补偿了流量增加所需的热，还促进了熔化。,这些模拟所需要的流率值是用实验得到的。螺杆转速从10转/分增加到30转/分导致了流率从340磅/时增加到940磅/时，同时还有相应的固体床分布的改变(从所示的曲线4变到曲线2)。,2,实际的温度分布、速度分布和固体床分布情况,螺杆压缩段中物料的温度分布,螺杆压缩段中物料的速度分布,作业,试讨论熔化段料筒温度Tb对塑料熔化速率的影响。如果考虑非牛顿流体和熔膜的速度分布变化，情况有何不同?讨论螺杆转速对熔化区长度的影响。有一种不提供外热的自热挤出机，试分析其工作原理。,
