第七章高分子材料典型加工成型过程的流变分析

第七章高分子材料典型加工成型过程的流变分析2.挤出成型过程挤出成型挤出成型过程是基本工艺过程之一.挤出成型：也称挤压模塑或挤塑，它是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。挤出过程的设备由两部分组成:一挤压部分,主要为螺杆挤出机,用以塑化\输送\计量物料;另一部分是机头口型部分,主要指机头\口型及定型牵引装置,用以将物料制成规定形状\尺寸的制品.图典型螺杆挤出机结构示意图吃料段:固体输送段.此时物料是固体状态,研究这部分的理论主要是固体输送理论.压缩塑化段:物料在剪切力场与温度场作用下开始熔融\塑化,由固态逐渐转变为粘流态,并因螺杆设计有一定的压缩比,使熔体压实\排气,研究这部分的理论是熔融\塑化和相变理论.计量段:挤出段,从压缩段出来的流体在此进一步压紧塑化拌匀,并以一定的流量压力从机头口型流道中均匀挤出,这一段螺槽的截面均匀,研究这部分的理论即流变学理论.机头\口型部分的核心是口模,它相当于一个长径比很小的管状口模.螺杆挤出机要稳定工作,必须使口模的输送能力与计量段的输送能力相匹配,而且要兼顾吃料段能力及压缩段熔融塑化情况.下面主要用流变学方程讨论物料在计量段和口型部分的流动情况,并讨论实现稳定挤出的措施.2.1物料在均化计量段螺槽中的流动设想螺槽断面为矩形细纹,等深等宽.假定螺槽深度h螺槽宽度W,另有h螺杆直径2R,于是任一小段螺槽内物料的流动可近似视为在两平行板间的流动.设螺杆运动时表面线速度为v*,其值为2πRN,N为螺杆转速.随着螺杆旋转,螺槽内物料任一点的速度v可沿螺纹方向(z方向)和垂直于螺纹方向(x方向)分解.其中,vz是物料沿螺槽的正向流动速度,vx是物料的横向流动速度.对物料挤出贡献不大,但对形成螺槽内物料的环流,促进物料的混合与塑化有重要作用,同时它也引起漏流.2.1.1简化假定和运动方程对挤出成型过程做如下假设:A.设被加工物料为不可压缩的牛顿流体,物料在螺槽的流动是连续的等温的稳定层流;B.设物料在挤出机内承受的压力梯度沿螺杆轴向为定值,同时假定该梯度沿z和x方向的分量也为定值;C.物料沿机筒和螺槽表面无滑移,并忽略重力和惯性力的影响.由此可得到连续性方程:由于螺槽等深等宽,所以有:运动方程:z方向:X方向:0xzvvxz0xvx0zvz2020zvpzy2020xvpxy考虑物料沿z方向的流动,对运动方程积分两次,并利用边界条件在机筒内壁y=h,vz=Vz=2πRNcosθ在螺槽底面y=0,vz=0得到螺槽内物料的速度分布为：2.1.2螺槽内物料的速度分布及体积流量21201()2zpvycycz20()2zzhyyVpvyhz20()2zzhyyVpvyhz物料因螺杆拖动而引起的流动，称为拖曳流因压差而引起的物料流动，称为压力流负值，反向流动图螺槽内物料流动的速度分布根据速度分布,求得螺槽内物料的体积流量为:可见,流量也由两部分组成,第一项为由拖曳流对体积流量的贡献,为正贡献;第二项是由压力梯度对体积流量的贡献,为负贡献,为反流.300..212hzzVWhWhpQWvdyzX方向的流动这种流动与螺槽侧壁的方向垂直,除引起物料在螺槽内发生环流外,主要是引起漏流.漏流是由于物料在一定压力作用下,沿x方向流过螺槽突棱顶部与机筒内壁的径向间隙造成的.缝模截面垂直于x方向,缝高为δ,缝长为2πR/cosθ（以上均对于单头螺纹螺杆而言）.求解运动方程，并利用边界条件:y=0,vx=0y=δvx=0.得到vx的速度分布:这是一典型的抛物线的速度分布,由此进一步求得体积流量:2012xpvyyx3002cos6cosxRRpQvdyx漏流将三部分体积流量加在一起,得到在计量段中物料总体积流量:思考：螺杆转速的影响？粘度的影响？螺槽间隙的影响？33002126coszWVhWhpRpQzx2.2机头口型中物料的流动通过机头口型的流动可视为具有一定粘度的流体在压力作用下穿过具有一定截面形状的管道的流动,参照牛顿型流体流过圆形管道的压力流流量公式,可有物料通过机头口型的流量应满足以下公式:其中,Q通过机头的体积流量,K机头系数,取决于机头口型的几何参数和流动液体的类型.上式为一直线方程,表征机头特性.0pQk对于螺杆挤出机而言,欲使之处于稳定挤出状态,物料在螺杆部分的流动状态必须与在机头口型区的流动状态相匹配.具体说,要求通过螺杆部分的流量一定要与通过机头口型区的流量相等,物料在螺杆部分的压力降也要与在机头口型区的压力降相等,即:kkQQpp图螺杆计量段与机头口型区的工作特性理论曲线(被加工流体为牛顿流体)可见,两组曲线的交点符合上式提出的条件,应为螺杆挤出机正常挤出的稳定工作点.可从下面方程组求得:工作点满足:式中,αβγKN均为螺杆及机头口型的工作参数,η0η0k分别是计量段与机头口型区的平均粘度.00kkkpQKpQN001kNQK实际的计量段和机头的工作特性曲线比较复杂,因此上述讨论与实际挤出成型过程有一定出入.下图给出的是PVC实际工作特性曲线.2.3理论的修正修正方法一：系数修正法其中,fcd为考虑机筒内表面曲率对正流系数影响的修正系数;fd为考虑螺槽侧壁,fhd考虑螺槽深度变化,fηd考虑螺槽中物料径向温度不均匀带来粘度变化对正流系数影响的修正系数.00cddhddcddhddppQNffffffff修正方法二：非牛顿流体的状态方程代替牛顿流体的状态方程幂律方程：nzyzKy2.4实行稳定挤出过程的一些流变学考虑为描述挤出成型过程的稳定性,定义一个不稳定挤出系数如下:其中,p1为计量段入口处的物料压力.物理意义:考察当计量段入口处的物料压力因某种原因发生波动时,螺杆挤出机的流量有多大变化.u越大,挤出过程越不稳定.1/uQp图计量段入口处物料压力及挤出机内压力分布示意图由于计量段入口处的压力为p1,计量段实际压力降为:其中,Δp为整个螺杆上的总压力降,等于机头口型区的压力降.这样,螺杆部分的体积流量应当改写为:机头口型的体积流量改写为:1ppp0010///QNpNpp10/kkQKpp据此,下面讨论实行稳定挤出的一些措施:(1)要尽量减少不稳定源.要求p1尽可能保持稳定,这要求加料口供料速度必须均匀.(2)由螺杆流量公式有:已知:β与Wh3/L成正比,L为螺杆长度,γ与Rδ3/(cosθL)成比例.可见,要实现稳定挤出,应适当地减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙δ.然而若螺槽太浅,一则使流量降低,二则使剪切生热过大,使物料受损.01/dQudp(3)由机头流量公式有:可见,调节机头流通系数可调节挤出过程的稳定性,一般小口径机头K小,易实现稳定挤出.(4)物料粘度越大,不稳定挤出系数越小,因此在保证质量的前提下,适当降低挤出温度,有助于稳定挤出.(5)由(2)有,适当增加螺杆长度,也会降低不稳定系数.由于物料具有松弛特性,若在加料口处发生内压力波动,经过长螺杆,至计量段会得到较大的松弛,从而使挤出稳定.01/kdQukdp本章重点:计量段螺杆工作特性曲线机头工作特性曲线稳定挤出的措施课后作业:从流变学角度出发,实现稳定挤出有哪些措施?