聚合物加工 北京化工大学课件 压缩段理论

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1、第三章：挤出成型聚合物加工工程第三章：挤出成型第三章：挤出成型（（ExtrusionExtrusion））主讲教师：毛立新主讲教师：毛立新第三章：挤出成型第一节：概述第一节：概述第二节：单螺杆挤出机的基本结构第二节：单螺杆挤出机的基本结构第三节：单螺杆挤出理论第三节：单螺杆挤出理论第四节：排气挤出机的工作原理第四节：排气挤出机的工作原理第五节：双螺杆挤出机的工作原理第五节：双螺杆挤出机的工作原理第六节：挤出成型工艺第六节：挤出成型工艺第七节：挤出成型的发展第七节：挤出成型的发展第三章：挤出成型第三节单螺杆挤出理论具体研究时采用分段研究的方法：¾固体输送理论¾熔融理论¾

2、熔体输送理论¾口模中熔体流动分析第三章：挤出成型二、熔融理论目的：探索压缩段熔融机理及其影响因素发展概况：1959年Maddock、Street提出单螺杆挤出机的熔融理论—固相迁移理论（定性分析）1966年Tadmor在前人定性分析的基础上，用数学分析的方法建立了数学模型1976年Lindt按动力学观点提出了新的熔融理论模型熔融理论内容介绍第三章：挤出成型顶出螺杆法11熔融过程观察剖分机筒法透明机筒法22物理模型建立熔融过程示意图熔融过程描述简化假设条件33熔融过程数学分析固体在dz段上的质量平衡熔膜在Z方向、单位长度上的质量平衡44分界面单位面积上的热量平衡熔融过程

3、影响因素第三章：挤出成型（一）熔融过程观察¾顶出螺杆法¾剖分机筒法¾透明机筒法第三章：挤出成型第三章：挤出成型熔融起点第三章：挤出成型熔融过程熔融终点第三章：挤出成型熔融过程描述熔融过程描述固体床固体床熔熔膜膜熔熔池池（（X=WX=W））完全熔融完全熔融熔池扩大，固体床减小熔池扩大，固体床减小（（X=0X=0））（（X=WX=W→→00））第三章：挤出成型熔融过程观察结果熔融过程观察结果1.塑料的全部熔融过程是在螺杆熔化段内进行的；2.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；3.固相宽度沿螺槽方向距离的变化规律，决定于螺杆参数、操作工艺条件和塑料的物理

4、性能。第三章：挤出成型（二）物理模型建立1、建立直角坐标系，将螺杆和机筒沿Z方向展开¾¾认为螺杆不动，机筒平移（方向与螺杆转动方向相反）¾¾Vb=nπDb第三章：挤出成型（二）物理模型建立2、在熔融区固体、熔体共存，有明显分界面¾¾固体床（逐渐减小，X=W→0）¾¾熔体熔膜：紧贴料筒壁处物料先熔融熔池：随着熔膜的发展，形成熔池熔池逐渐扩大（0→W）第三章：挤出成型（二）物理模型建立3、物料处于稳定挤出状态（熔融各处情况不随时间而变）⎛∂Vsz⎞¾¾物料前进速度不随时间而变⎜=0⎟⎜∂t⎟⎝⎠¾¾固体—熔体分界面不随时间而变⎛⎜∂X=0,∂δ=0⎞⎟⎝∂t∂t⎠4、固体

5、床是连续均质体（ρ=const），熔体为牛顿流体第三章：挤出成型（二）物理模型建立5、熔融仅在水平面上进行，传热仅在y方向上进行6、螺棱与机筒间隙忽略不计第三章：挤出成型第三章：挤出成型（三）熔融过程数学分析（1）固体在dz段上的质量平衡进入dz段的固体量-流出dz段的固体量=dz段上熔融的固体量ρsVszX(z)[H(z)−δ(z)]−ρsVszX()z+dz[]H()z+dz−δ()z+dz=ωdz熔化速率ω—单位时间单位长度上固体→熔体的物料量第三章：挤出成型（三）熔融过程数学分析（2）熔膜在z方向单位长度上的质量平衡固体沿Y方向加入熔膜的物料量=熔膜加入熔池的

6、物料量=熔化速率ωVbxρV⋅x⋅1=⋅ρ⋅1⋅δ=ωssy2m第三章：挤出成型（三）熔融过程数学分析（3）分界面单位面积上的热量平衡（传热只沿y方向进行）由熔膜传入分界面的热量-分界面传入固体床的热量=物料熔膜所吸收的热量q−q=ρV⋅1⋅λmsssy第三章：挤出成型（三）熔融过程数学分析数学分析结果：1、熔化速率ω—单位螺槽长度上的熔化速率2、固相分布函数和熔融区长度（1）等深螺槽（2）渐变螺槽第三章：挤出成型（四）熔融过程影响因素1、物料性质2、操作条件3、螺杆条件4、不稳定挤出时固体床解体现象第三章：挤出成型（四）熔融过程影响因素1、物料性质®物料的热性能（比

7、热、热导率、潜热、熔点）®流变性能（粘度）®密度第三章：挤出成型（四）熔融过程影响因素举例说明：熔点／℃热导率／[W/(m·k)]Zt聚丙烯1700.22～0.43长聚乙烯1350.51短第三章：挤出成型（四）熔融过程影响因素2、操作条件（1）输送量G¾等深螺槽¾渐变螺槽要提高产量G且熔融完全—必须提高ZT—L/D↑渐变螺杆有助于提高挤出机的塑化能力第三章：挤出成型（四）熔融过程影响因素2、操作条件（2）螺杆转速n¾高阻力机头¾低阻力机头机头阻力↑—ZT↓提高机头压力，有助于物料熔融塑化第三章：挤出成型（四）熔融过程影响因素2、操作条件（3）机筒温度