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1、第四节 熔融理论第1页，此课件共32页哦熔融理论研究的对象：熔融理论研究的对象：压缩段、熔融区压缩段、熔融区nMaddock,Street 1959和和1961年年 相迁移理论相迁移理论nTadmor 1966年，在此基础上建立数学模型年，在此基础上建立数学模型主要研究的问题：主要研究的问题：n熔融过程；熔融过程；n用数学式表示固相分布规律用数学式表示固相分布规律定量计算熔融区定量计算熔融区 长度；长度；n分析螺杆参数、工艺条件、物料性质对熔融过程分析螺杆参数、工艺条件、物料性质对熔融过程 的影响。的影响。第2页，此课件共32页哦一、熔融过程一、熔融过程实验方法：实验方法：n顶出螺杆法顶出螺杆
2、法n剖分机筒法剖分机筒法n透明机筒法透明机筒法n静态观察法静态观察法剥料带，切片剥料带，切片观察，总结规律。观察，总结规律。第3页，此课件共32页哦实验结果实验结果n塑料的全部熔融过程是在螺杆熔化段内进塑料的全部熔融过程是在螺杆熔化段内进行的；行的；n整个熔化过程直接反映为固相宽度沿螺槽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；方向距离变化的规律；n固相宽度沿螺槽方向距离的变化规律，决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定于螺杆参数、操作工艺条件和塑料的物理性能。理性能。第4页，此课件共32页哦特点：特点：（1）螺槽中：固液两相有明显的分界面）
3、螺槽中：固液两相有明显的分界面（2）固体（由未熔的冷、热粒子组成）固体（由未熔的冷、热粒子组成）在热和压力下形成整体在热和压力下形成整体固体床；固体床；液体液体熔膜熔膜机筒内表面机筒内表面螺槽的顶部螺槽的顶部由于机筒加热、由于机筒加热、摩擦生热，摩擦生热，TTm熔池熔池熔膜达到一定厚度时，机筒与螺杆熔膜达到一定厚度时，机筒与螺杆相对运动，螺棱刮下熔膜，堆积成熔池相对运动，螺棱刮下熔膜，堆积成熔池第5页，此课件共32页哦（3）熔融区）熔融区 设固相宽为设固相宽为X,槽宽为槽宽为W。熔融开始处，熔融开始处，结束处，结束处，设坐标系：设坐标系：Z沿螺槽方向，沿螺槽方向，Y槽深方向，槽深方向，X固体床
4、宽度方向。固体床宽度方向。Xf(z)固相分布函数。固相分布函数。熔融区固体输送熔体输送XZ液液固固AAA-AXW第6页，此课件共32页哦二、简化与假设条件二、简化与假设条件建立物理模型建立物理模型（1 1）将螺杆与料筒展开，令螺杆不动，）将螺杆与料筒展开，令螺杆不动，料筒平移。料筒平移。方向方向 与螺杆转向相反；与螺杆转向相反；速度大小速度大小 V Vb bD D n n(2)(2)稳定挤出（稳定熔融）稳定挤出（稳定熔融）n物料前进速度不变物料前进速度不变n固液共存，有明显的分界面，固液共存，有明显的分界面，x,x,不是不是t t的函数。的函数。第7页，此课件共32页哦（3 3）固体是连续的均
5、质体，矩形截面，）固体是连续的均质体，矩形截面，固体床无限深（固体床无限深（不变）。不变）。（4 4）液体是牛顿流体，熔融仅在分界）液体是牛顿流体，熔融仅在分界 面上进行（此处传热多，剪切热面上进行（此处传热多，剪切热 多）各处多）各处不变。不变。（5 5）传热仅沿）传热仅沿Y Y方向进行，其他面为方向进行，其他面为 等温面。等温面。第8页，此课件共32页哦关于熔融模型的三点说明：关于熔融模型的三点说明：（1）物料温度：热源）物料温度：热源机筒传入机筒传入液相物料液相物料剪切生剪切生热只在只在Y方向有温差，方向有温差，X、Z为等温面。为等温面。分界面处的温度为分界面处的温度为Tm,顶面温度为顶
6、面温度为Tb，底面温度为底面温度为Ts,传热介质不同，温度分布规律不同。传热介质不同，温度分布规律不同。第9页，此课件共32页哦（2 2）固、液体）固、液体液体的生成：固体床液体的生成：固体床Vsy上升到分界面上升到分界面熔融熔融熔膜厚度熔膜厚度Vbx拖曳形成熔池，形成熔池，使使X。固体：固体：Vsy上升到分界面上升到分界面熔膜熔膜但高度不变但高度不变愈来愈窄，愈来愈窄，X（熔池把固体床挤窄）（熔池把固体床挤窄）第10页，此课件共32页哦（3）运动速度）运动速度螺杆不动，料筒平移螺杆不动，料筒平移料筒平移速度料筒平移速度V Vb b D D n n 方向与螺杆转动反向方向与螺杆转动反向物料沿螺
7、槽前进物料沿螺槽前进V Vszsz,求机筒对物料的速度求机筒对物料的速度V Vj j。V Vj j V Vb b V Vszsz VbVbxVs z VjXZY机头固液 VbzVs z第11页，此课件共32页哦三、熔融过程的数学分析三、熔融过程的数学分析方法：取微元，方法：取微元，dz段段研究微元研究微元质量平衡质量平衡热量平衡热量平衡建立建立质量质量热量热量平衡方程式平衡方程式1.固体在固体在dz段上的质量平衡段上的质量平衡单位时间内单位时间内进入进入dz段上的固体量段上的固体量流出流出dz段上的固体量段上的固体量dz段上熔融的固体量段上熔融的固体量s Vsz d(HX)=dz（1）第12页
8、，此课件共32页哦s Vsz d(HX)=dz (1)H有两种情况有两种情况等深螺槽等深螺槽 H为常数为常数渐变螺槽渐变螺槽 H=H1-AZA渐变度；渐变度；H1加料段槽深；加料段槽深；H2压缩段结束处槽深；压缩段结束处槽深；Z2压缩段展开长度。压缩段展开长度。s固体床密度；固体床密度；Vsz固体床沿螺槽固体床沿螺槽Z的速度。的速度。G稳定挤出时的质量生产率；稳定挤出时的质量生产率；H0熔融区起点处螺槽深度；熔融区起点处螺槽深度；W螺槽宽度。螺槽宽度。未知未知第13页，此课件共32页哦2.熔膜在熔膜在dz段上的质量平衡段上的质量平衡单位时间单位长度上单位时间单位长度上固体沿固体沿Y加入加入熔膜
9、的物料量熔膜的物料量熔膜加入熔膜加入熔池的物料量熔池的物料量熔化速率熔化速率（2）Vsy,未知未知第14页，此课件共32页哦3.3.分界面单位面积上的热量平衡分界面单位面积上的热量平衡（热量只在（热量只在Y方向传递）方向传递）单位时间、单位面积上单位时间、单位面积上由熔膜传入由熔膜传入分界面的热量分界面的热量由分界面传入由分界面传入固体床的热量固体床的热量物料熔融物料熔融所吸收的热量所吸收的热量qm-qs=s Vsy.1.（3）物料的熔融潜热。物料的熔融潜热。第15页，此课件共32页哦（1）qm把把X轴（轴（Y的原点）放在分界面上的原点）放在分界面上傅立叶定律：傅立叶定律：Km-液体物料的导热
10、系数。液体物料的导热系数。求求 用能量方程用能量方程yqmqs0X第16页，此课件共32页哦流动场中能量守恒方程流动场中能量守恒方程第17页，此课件共32页哦步骤：步骤：n简化能量方程；简化能量方程；n对方程两边积分，代入边界条件，对方程两边积分，代入边界条件，得到温度分布方程；得到温度分布方程；n求求 ，令，令y=0,可求得可求得qm。Yqmqs第18页，此课件共32页哦简化能量方程（分析不为简化能量方程（分析不为0的项）的项）不为0的项方程化简为：方程化简为：Km-液体物料的导热系数。液体物料的导热系数。第19页，此课件共32页哦对方程两边积分，边界条件：对方程两边积分，边界条件：从方程从
11、方程求温度分布式求温度分布式得得可见，可见，T T与与y y成二次曲线关系。成二次曲线关系。求求结果为：结果为：第20页，此课件共32页哦（2）qs可从能量方程求得可从能量方程求得 解微分方程，边界条件：解微分方程，边界条件：温度温度分布方程分布方程第21页，此课件共32页哦熔融区温度分布特点：熔融区温度分布特点：熔膜处熔膜处固体床处固体床处Y=0 xY TTbTmTs熔膜处熔膜处T与与y呈两次曲线关系，呈两次曲线关系，固体床处固体床处T与与y呈指数关系。呈指数关系。第22页，此课件共32页哦从上式求从上式求将将q qm,m,q qs s带入（带入（3 3）（3 3)（3）、（）、（1）、（）
12、、（2）联立，解出未知数）联立，解出未知数 X=f(z)、Vsy、，确定，确定X、Y的关系。的关系。第23页，此课件共32页哦求出：求出：令令=熔膜给热，熔膜给热，与与qs有关有关固体床吸热，固体床吸热，与与qm有关有关 是度量熔融速率大小的物理量，是度量熔融速率大小的物理量，大，熔得快，大，熔得快，由已知量组成，由已知量组成，供热量，供热量，。第24页，此课件共32页哦等深螺槽：等深螺槽：渐变螺槽：渐变螺槽：第25页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n操作条件操作条件 （1）输送量）输送量 G 等深螺槽等深螺槽 渐变螺槽渐变螺槽要提高产量要提高产量G且
13、熔融完全且熔融完全必须提高必须提高ZTL/D渐变螺杆有助于提高挤出机的塑化能力渐变螺杆有助于提高挤出机的塑化能力第26页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n操作条件操作条件（2）螺杆转速）螺杆转速 n 高阻力机头高阻力机头 低阻力机头低阻力机头 机头阻力机头阻力ZT T 提高机头压力，有助于物料熔融塑提高机头压力，有助于物料熔融塑提高机头压力，有助于物料熔融塑提高机头压力，有助于物料熔融塑化化化化第27页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n操作条件操作条件 （3）机筒温度）机筒温度 Tb提高提高Tb有利于熔融，但有
14、最佳值有利于熔融，但有最佳值 （4）物料温度）物料温度 Ts加料段升温，使物料预热加料段升温，使物料预热可除去水分，有利于熔融可除去水分，有利于熔融第28页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n物料性质物料性质n n物料的热性能（比热、热导物料的热性能（比热、热导物料的热性能（比热、热导物料的热性能（比热、热导率、潜热、熔点）率、潜热、熔点）率、潜热、熔点）率、潜热、熔点）n n流变性能（粘度）流变性能（粘度）流变性能（粘度）流变性能（粘度）n n密度密度密度密度举例说明：举例说明：举例说明：举例说明：熔点熔点熔点熔点 热导率热导率热导率热导率W/(mW/
15、(m k)Ztk)Zt 聚丙烯聚丙烯聚丙烯聚丙烯 170 0.22 170 0.220.43 0.43 长长长长 聚乙烯聚乙烯聚乙烯聚乙烯 135 0.51 135 0.51 短短短短第29页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n螺杆参数的影响螺杆参数的影响（1 1）等深螺杆与渐变螺杆的比较）等深螺杆与渐变螺杆的比较）等深螺杆与渐变螺杆的比较）等深螺杆与渐变螺杆的比较 Z ZT T（渐变）（渐变）ZT T（等深）（等深）在熔融区，螺杆渐变对熔融有利在熔融区，螺杆渐变对熔融有利在熔融区，螺杆渐变对熔融有利在熔融区，螺杆渐变对熔融有利（等深）（等深）（渐变）（
16、渐变）第30页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n螺杆参数的影响螺杆参数的影响（2）渐变度）渐变度 A 的影响的影响 渐变度渐变度 A 对熔融有利，对熔融有利，对熔融有利，对熔融有利，对输送不利。对输送不利。只能适度只能适度只能适度只能适度第31页，此课件共32页哦（四）影响熔融过程因素的讨论（四）影响熔融过程因素的讨论n不稳定挤出时固体床解体现象不稳定挤出时固体床解体现象（1 1）什么是固体床解体？）什么是固体床解体？）什么是固体床解体？）什么是固体床解体？（2 2）解体原因）解体原因）解体原因）解体原因 外因：外因：外因：外因：内因：内因：（3）解体后果）解体后果（4 4）防止解体）防止解体）防止解体）防止解体第32页，此课件共32页哦