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1、第三节熔融理论第一页，本课件共有24页1.Todmor熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型该熔融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。冷冷却却实实验验是是这这样样的的：将将着着色色物物料料（或或炭炭黑黑）和和本本色色物物料料加加入入挤挤出出机机中中，待待挤挤出出过过程程稳稳定定后后，快快速速停停车车并并骤骤冷冷料料筒（如果可能，也冷却螺杆），筒（如果可能，也冷却螺杆），第二页，本课件共有24页抽抽出出螺螺杆杆（如如果果是是部部分分料料筒筒可可将将料料筒筒打打开开），将将螺螺旋旋状状的的已已冷冷却却的的物物料料（塑塑料料）带带从从螺螺杆杆上上剥剥下下，这这时时可可以以发发现现，已已
2、熔熔融融的的和和局局部部混混合合的的物物料料呈呈现现流流线线，而而未未熔熔的的物物料料将将保保持初始的固态。持初始的固态。然然后后垂垂直直于于螺螺纹纹方方向向切切取取截截面面，可可以以看看到到一一个个截截面面内内有有三三个个区区域：域：第三页，本课件共有24页（1）固态塑料，我们称为固态床（2）熔池（3）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。第四页，本课件共有24页 基于以上的实验观察基于以上的实验观察Todmor建立下面的熔建立下面的熔融模型：融模型：塑料在挤出过程中，在接近加料段的末端，与机
3、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。H HVsyVsyVsyVsy W W W WX X X X第五页，本课件共有24页 挤出方向 螺杆轴线 计量段Z Z Z ZX X X XX X X XVbzVbzVbzVbzVbxVbxVbxVbxVbVbVbVb熔融段熔融段加料段加料段A AB B加料口加料口W W e e e e第六页，本课件共有24页随着熔融过程的不断进行，自熔融区A A点（相变开始点）起，固态床宽度X X逐渐减小，液相宽度逐渐增逐渐减小，液相宽度逐渐增加，至熔融区终点加，至熔融区终点
4、B（相变结束点）时，固态床宽度减小到零，即X/W=1 X/W=0，熔融塑料充满了熔融塑料充满了整个螺棱，熔融区宣布结束整个螺棱，熔融区宣布结束 。第七页，本课件共有24页塑料熔融的热源主要有两个：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。第八页，本课件共有24页2基本假定1 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VsyVsy在分界面熔融，2）整整个个固固相相为为均均一一的的连连续续体体。（忽忽略略固固体体床床破破碎碎的可能性）。的可能性）
5、。3 3）塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。第九页，本课件共有24页 4 4）螺槽和固体床的横断面都是矩形5）外外热热和和内内热热是是通通过过固固液液相相分分界界面面传传递递，其其它它没没有有热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）热交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）6 6）塑料流体与牛顿流体，即 7 7）相筒）相筒 转动而螺杆相对的静止不动。第十页，本课件共有24页3.固相分布函数的求解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我们研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度X X沿螺槽方向沿螺槽方向Z Z的变化规律的变化规律 即分布函数即分布函数X=FX=F（
6、Z Z）对熔融理论的物理模型进行下列三个方面的平衡分析，对熔融理论的物理模型进行下列三个方面的平衡分析，即可求出故乡分布函数即可求出故乡分布函数X=FX=F（Z Z）的解析式。这些平的解析式。这些平衡是：固相的质量平衡衡是：固相的质量平衡 ，熔膜的质量平衡，熔膜的质量平衡 ，固液相，固液相分布截面的热量平衡分布截面的热量平衡 第十一页，本课件共有24页1 1）固相的质量平衡=dz段上分界面处固相融化量即：流入-流出=融化量 第十二页，本课件共有24页写成微分形式：其中 s-固相密度 VSZZ方 向 固 相 移 动 速 度 d(HX)断面单位面积W-单位螺槽长度上的固体熔化率H 第十三页，本课件
7、共有24页2）熔熔膜膜的的质质量量平平衡衡根根据据假假设设，认认为为固固相相只只在在Y Y方方向向熔熔融融，而而不不在在X X方方向向熔熔融融。同同时时，熔膜只有熔膜只有X X方向的流动。因而可以得出：方向的流动。因而可以得出：H V V V VbxbxbxbxWX XY Y 熔膜质量平衡 第十四页，本课件共有24页 在距离dzdz段上，单位时间内在段上，单位时间内在Y 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单位螺槽长度上的熔融速率 与长度dzdz的乘积的乘积 即即式中 s固相密度 Vby机筒在X方向的分速度。Vsy固相在Y方向的融化速度。第
8、十五页，本课件共有24页3 3）固液相分界面上的热量平衡）固液相分界面上的热量平衡 根据假设，固相只在R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第十六页，本课件共有24页根根据据傅傅立立叶叶导导热热定定律律，流流体体流流过过不不同同温温度度的的固固体体壁壁面面时时，产产生生热热交交换换，换换热热量量由由下下式式计计算算：/温温度度梯梯度度 其中K为导热系数得出下列公式 式中 分界面液相一侧的温度梯度 分界面固相一侧的温度梯度液相的热传导率 固相的热传导率 塑料的熔融潜热，即融化单位质量的塑料所需
9、要热量。第十七页，本课件共有24页4）求解固相分布函数求解固相分布函数由上述三个平衡方程组，通过适当的变换后，我们可以求出固相的分布函数如下：等深螺槽 式中：融化系数 G生产能力 H熔槽深度 Z固相熔融长度（螺槽展开）上式中当X=0（即固相熔融结束）时，即可得到熔融总长度。第十八页，本课件共有24页4结论结论 我我们们研研究究熔熔融融理理论论的的目目的的，就就是是使使设设计计的的螺螺杆杆熔熔融融段段“高高生生产产能能力力G，低低熔熔融融长长度度ZtZt，通通过过分分析析，我我们们可以得出下面的结论：可以得出下面的结论：1 1）运转工艺条件的影响运转工艺条件的影响运转工艺条件的影响运转工艺条件的
10、影响 （1）挤出质量挤出质量G由公式 ，可知G增大 减小 ZT增大 第十九页，本课件共有24页即挤出量的增大，将导致熔融的发生和终了均延迟，实践证明，在其他条件不变的情况下，G G点点的的增加，将使产品质量变坏。增加，将使产品质量变坏。（2 2）螺杆转速螺杆转速N N 提高转速N，将将使使G G点增加，使ZtZt加加长长，同同时时能能加加强强剪剪切切，又又使使ZtZt变变短短，因因此此，N N高时，需增加背后装置，以使ZtZt的长度得到控制，保证挤出质量。第二十页，本课件共有24页（3）料筒温度料筒温度TbTbTbTb增加增加 有利于熔融物料（Zt减少）但TbTb太太高高，将将使使F F降低，
11、减少剪切和摩擦，不利于ZtZt减少Tb存在一个最佳值。（4）提高料温提高料温TsTsTsTsTs增加增加 ZtZt减少 还可消除物料中的水分。第二十一页，本课件共有24页2 2）螺杆几何参数的影响：螺杆几何参数的影响：（1 1）槽深H H：通通常常认认为为在在实实用用范范围围内内H大大些些为为好好。影影响较复杂，过深过浅都不好。响较复杂，过深过浅都不好。（2 2）螺螺旋旋角角：与与H对ZtZt的影响相似。过大过小都不利于ZtZt减少。（3 3）螺纹头数：的的增增加加，仅仅使使Zt略微减小，影响不大。第二十二页，本课件共有24页（4）螺棱与机筒间隙：增增大大 熔膜增厚 不利于热传导 Zt增大 增
12、增大大 剪切作用降低 ZtZt增增大。即大。即增大，不利用物料的熔融。（5 5）Z与与X/W的关系图的关系图如图所示：一一般般要要求求挤挤出出机机工工作作时时，为为保保证证熔熔融融塑塑化化质质量量和和挤挤出出质质量，应使量，应使ZtZZtZABAB,应加背压装置，使相变结束点B重重新新移移到到B点点以内。否则将使物料得不到较好的熔融，混合。以内。否则将使物料得不到较好的熔融，混合。第二十三页，本课件共有24页 以以上上简简单单介介绍绍了了熔熔融融理理论论的的基基本本内内容容。这这个个理理论论到到今今天天为为止止还还不不是是很很完完善善，应应当当指指示示，它它的的提提高高对对挤挤出出理论的发展起着巨大的推动作用。理论的发展起着巨大的推动作用。X/WX/WA AO OABBBB BZA AB B加料段加料段熔融段计量段第二十四页，本课件共有24页