单螺杆挤出理论(熔体输送理论).ppt

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PolymerProcessingEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,第三章挤出成型（Extrusion）,聚合物加工工程,第一节概述（录像）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六节挤出成型工艺,一、挤出理论的准备知识二、固体输送理论三、熔融理论四、熔体输送理论,第三节单螺杆挤出理论,第三章挤出成型,研究对象和目的:

对象：

熔体输送区，只有液相，没有固相目的：

描述流道中流体的速度及其分布表征螺槽中物料的输送和混合状态计算挤出机的产量、功率消耗，控制制品质量,研究难点:

螺杆流道的几何形状复杂非牛顿流体、非等温输送,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,

（二）对生产率公式的修正,1、建立数学模型2、速度分布方程及流量3、熔体输送段的生产率4、生产率公式的讨论5、均化段功率消耗的分析,第三节单螺杆挤出理论,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,

（1）基本假设条件,1、建立数学模型,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,螺槽形状为矩形截面；螺杆不动，机筒以速度Vb=nDb运动；不可压缩的牛顿流体;等温、稳定、层流，忽略螺槽侧壁的影响；忽略熔体的惯性力和质量力；沿螺槽方向的压力降为常数。

（2）流场分析a、建立坐标系,b、分析,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,1、建立数学模型,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,应变速率张量,应力张量,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,流体沿z向的运动方程：

（3）建立数学模型,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,流体沿x向的运动方程：

（3）建立数学模型,第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,

（1）,

（2）,（3）,化简后，x、y、z方向的运动方程,第三节单螺杆挤出理论,本构方程：

（5）,（4）,第三节单螺杆挤出理论,2、速度分布方程及流量,

（1）Z向的速度分布方程及流量a、Z向的速度分布方程,积分一次得：

将（5）式代入

（1）式：

第三节单螺杆挤出理论,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,二次积分得：

积分常数C1和C2可由以下边界条件求得：

y=0,Vz=0c2=0;y=h3,Vz=Vbz,四、熔体输送理论,第三节单螺杆挤出理论,a、Z向的速度分布方程：

（6）,第三节单螺杆挤出理论,y,Z,b、z方向流体的体积流率Q,体积流率QVz螺槽横截面,第一项：

正流流量第二项：

逆流流量,（7）,第三节单螺杆挤出理论,将上式代入（7）式：

第三节单螺杆挤出理论,

（2）沿x方向流体的速度分布及流量,a、x方向的速度分布方程将（4）代入

（2），得：

积分（边界条件：

y=0,Vx=0；y=h3，Vx=-Vbx）,（9）,第三节单螺杆挤出理论,b、Qx（在x方向上的单宽流率）,在x方向上料流的压力梯度：

（10）,（11）,（10）代入（9）：

第三节单螺杆挤出理论,x方向的速度分布方程：

当y=0和y=2h3/3时，Vx0当y=h3时,Vx=-Vbx;当y=h3/3时,Vx=Vbx3,第三节单螺杆挤出理论,（3）螺槽中的输送率Q,第三节单螺杆挤出理论,2、速度分布方程及流量,四、熔体输送理论,

（一）牛顿流体的理论模型,螺槽中的输送率：

第三节单螺杆挤出理论,螺槽中的速度分布：

（6）,（11）,第三节单螺杆挤出理论,（4）速度分布的讨论,定义截流比：

aQp/Qd,（12）,由（7）式知：

a、螺槽中Vz的分布,第三节单螺杆挤出理论,Vz=f（a,y）,（13）,（14）,将（13）式代入Vz分布（6）式，得,第三节单螺杆挤出理论,（4）速度分布的讨论,a、Vz分布,第三节单螺杆挤出理论,机头关闭,第三节单螺杆挤出理论,有利于混合,第三节单螺杆挤出理论,有利于提高产量,第三节单螺杆挤出理论,机头敞开,第三节单螺杆挤出理论,似曾相识？

第三节单螺杆挤出理论,第三节单螺杆挤出理论,（4）速度分布的讨论,c、VL分布,b、Vx分布,沿y向Vx的速度分布在所有的Z位置都是相同的,第三节单螺杆挤出理论,Vx、Vz、VL均是y/h3（位置）的函数，其中Vx与机头压力、截流比无关，Vz、VL都是截流比的函数。

第三节单螺杆挤出理论,d、螺槽内熔体流动的描述,（4）速度分布的讨论,第三节单螺杆挤出理论,第三节单螺杆挤出理论,第三节单螺杆挤出理论,第三节单螺杆挤出理论,x,z,第三节单螺杆挤出理论,螺槽中流体的三维速度图示,第三节单螺杆挤出理论,3、计量段的生产率,

（1）螺槽中的输送率,第三节单螺杆挤出理论,

（2）螺杆与机筒间隙中的流量（漏流流量QL）,3、计量段的生产率,E偏心系数，一般取1.2。

第三节单螺杆挤出理论,3、计量段的生产率,（3）计量段的生产率,第三节单螺杆挤出理论,3、计量段的生产率,（3）计量段的生产率,A、B、C是螺杆参数的函数,流量公式中三个系数表达式,第三节单螺杆挤出理论,3、计量段的生产率,（3）计量段的生产率,第三节单螺杆挤出理论,4、计量段生产率公式的讨论,

（1）螺杆、机头（口模）特性线及挤出机的工作点,a.螺杆特性线,o,第三节单螺杆挤出理论,（a）P=0（机头全开）,a.螺杆特性线,（b）Q=0（断流、机头关闭）忽略QL，则Qd=Qp,第三节单螺杆挤出理论,a.螺杆特性线,（c）nAn螺杆特性线截距螺杆特性线斜率（非牛顿流体）,o,第三节单螺杆挤出理论,b.机头（口模）特性线,第三节单螺杆挤出理论,o,阻力小，低阻力机头,阻力大，高阻力机头,第三节单螺杆挤出理论,挤出机工作时：

c.挤出机的工作点,C挤出机的工作点,第三节单螺杆挤出理论,（a）挤出机的产量不仅与螺杆及其操作条件有关，也与机头口模有关。

同一根螺杆，不同口模，可以通过调整挤出条件达到稳定挤出。

（b）挤出机的工作点是在一定操作条件下自动调节的，不能人为单独控制。

c.挤出机的工作点,第三节单螺杆挤出理论,Qc、Pc=？

（2）挤出机工作点的讨论,第三节单螺杆挤出理论,

（2）挤出机工作点的讨论,第三节单螺杆挤出理论,

（2）挤出机工作点的讨论,第三节单螺杆挤出理论,（3）计量段螺杆参数对Q的影响,a.h3,要提高挤出机的产量：

深螺槽配低阻力机头浅螺槽配高阻力机头,第三节单螺杆挤出理论,a.h3,（3）计量段螺杆参数对Q的影响,挤出机的稳定性：

压力波动对深螺槽的挤出产量影响大。

第三节单螺杆挤出理论,b.L3,（3）计量段螺杆参数对Q的影响,螺杆的长度增加，挤出稳定性提高。

第三节单螺杆挤出理论,（3）计量段螺杆参数对Q的影响,螺杆与机筒间的间隙小，挤出稳定性提高。

第三节单螺杆挤出理论,影响较复杂，n、k一定时，可证明：

多数螺杆选择S=D，即：

（3）计量段螺杆参数对Q的影响,第三节单螺杆挤出理论,Q最大,5、计量段的功率计算,第三节单螺杆挤出理论,漏流功率,螺杆的总功率计算：

计量段功率经验系数,第三节单螺杆挤出理论,

（二）对生产率公式的修正（自学）,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,熔融理论,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,熔融理论,等深螺槽,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,渐变螺槽,熔融理论,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,熔体输送理论,计量段螺槽中的速度分布：

第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,Vz、Vx、Vl均是Y/h3（位置）的函数，其中Vx与机头压力、截流比无关，Vz、Vl都是截流比的函数。

第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,计量段的生产率：

熔体输送理论,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,挤出机的工作点,第三节单螺杆挤出理论三段理论小结,五、螺杆结构参数的选择原则,结构参数：

1、外径2、长径比L/D与分段结构3、压缩比与h1、h3,第三节单螺杆挤出理论,选用前要考虑的问题1.挤出物的质量：

外观混合程度温度均匀度挤出压力的稳定性,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,选用前要考虑的问题2.高聚物的种类和性质：

颗粒形状、大小和松密度熔融温度或软化点粘度热稳定性吸水性挥发性,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,选用前要考虑的问题3.原材料组成和产品种类：

填料种类：

碳酸钙、滑石粉、碳黑、云母粉、玻璃纤维、碳纤维等增塑剂润滑剂抗氧剂交联剂发泡剂,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,1、外径SJ-65BS：

塑料J：

挤出机65：

螺杆外径B：

改型代号,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,XJ-65X：

橡胶J：

挤出机,外径是螺杆的规格参数，已有系列：

1、外径D选择原则：

（1）制品截面大小要求：

大制品用大机器分析：

大制品用小机器小制品用大机器

（2）生产率：

DQ,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,1、外径D,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,塑料制品：

1、外径D,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,橡胶制品：

近方形截面：

宽度大的截面：

b300mmb（34）Db300mmb（3.55）D,薄壁圆筒：

D=D成,胶管：

D=D成,2、长径比L/D与分段结构

（1）L/D的大小L/DQ（逆流和漏流减少）塑化效果（停留时间长）挤出稳定性（逆流和漏流减少）易分解（停留时间长）螺杆与料筒磨刮（自重增加）,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,L/D有增加的趋势（20、25、30、33、43，甚至更长）,2、长径比L/D与分段结构

（2）分段结构突变型螺杆：

L1、L3长，L2短适用于PA、PE、PP等结晶性聚合物渐变型螺杆：

L2长，L3中，L1短适用于PVC、PS、PMMA等非结晶性聚合物通用型螺杆：

L1：

L2：

L3=1：

1：

1PVC：

全程渐变型螺杆（整根螺杆只有压缩段）,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,2、长径比L/D与分段结构

（2）分段结构L1L2L3突变型螺杆（）：

606524个螺距2535渐变型螺杆（）：

102555602225通用型螺杆（）：

1/31/31/3,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,注意：

（1）分段不是绝对的，要与工艺结合；

（2）一台挤出机一般配两根螺杆，可扩大适用范围；（3）段数没有统一，视需要而定。

第三节单螺杆挤出理论,五、螺杆结构参数的选择原则,3、压缩比与h1、h3作用：

压实物料、排气、传热，有利于熔融建立机头压力数值：

=24（视物料形状、结晶与否而定）,熔融过程体积减小,五、螺杆结构参数的选择原则,压缩比：

第三节单螺杆挤出理论,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,实现方法：

等距不等深：

h1大、h3小加工容易、塑化好、挤出稳定，但根部较弱,3、压缩比与h1、h3,五、螺杆结构参数的选择原则,单头等距变深螺杆：

第三节单螺杆挤出理论,等深不等距：

h相同，t不同（收敛螺杆）加工难，剪切速率小，主要适用于橡胶不等深不等距：

在双螺杆中应用渐变型螺杆：

第三节单螺杆挤出理论,五、螺杆结构参数的选择原则,3、压缩比与h1、h3对塑料h3（0.0250.06）D热敏性塑料PVC深能承受剪切的塑料PE浅对橡胶h3（0.180.25）D（等深不等距）,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,五、螺杆结构参数的选择原则,第三节单螺杆挤出理论,4、螺旋升角,t=D时，=1741,第三节单螺杆挤出理论,五、螺杆结构参数的选择原则,5、螺纹断面形状,第三节单螺杆挤出理论,6、螺杆头部结构,五、螺杆结构参数的选择原则,1、分离型螺杆2、分散混炼元件3、分布混合元件,六、新型螺杆（自学）,第三节单螺杆挤出理论,说明熔体输送理论中，Qp/Qd变化对熔体沿螺杆Z向流动速度（Vz）分布的影响。

为什么说挤出机在正常操作条件下，熔体在螺槽中的流动无滞留层,有搅拌、混合、输送的作用？

何谓螺杆特性线、口模特性线和挤出机的工作点？

何谓螺杆压缩比？

为什么要有压缩比？

在螺杆结构上如何实现？

TheEnd,