页数：82页文件大小：970.1 KB来源： 高分子材料及加工流变学ppt课件
本课件对挤出成型过程作流变学分析，先介绍螺杆挤出机的结构、工艺参数与螺杆分段，再推导物料在螺槽中的正流、压力流、漏流与横流及体积流量，分析机头口型中的流动与螺杆—机头特性曲线的匹配，最后讨论熔体破裂的机理、影响因素与弹性记忆效应。
第七章挤出成型过程的流变分析一、挤出过程简述二、物料在螺槽中的流动三、机头口型中物料的流动四、理论的修正
五、实行稳定挤出过程的一些流变学考虑六、挤出成型过程中的熔体破裂行为七、弹性记忆效应
主要用于热塑性塑料的生产连续型材挤出成型的特点：1．
（一）螺杆挤出机及挤出原理挤出成型工艺过程的三个阶段1.塑化2.挤出成型3.冷却定型
挤压系统挤出机的组成：主机料筒螺杆传动系统加热冷却系统一台挤出设备一般由主机（挤出机）、辅机和控制系统组成，统称为挤出机组。
辅机机头定型装置冷却装置牵引装置切割装置卷取装置控制系统电器仪表执行机构
（二）挤出成型的主要工艺参数(1)温度加料段：不宜过高机头：在Td以下物料在料筒内经历了三个阶段，关键是控制好各段的温度。压缩段计量段可取高些口模：比机头稍低
(2)压力必须根据塑料品种和塑件类型确定合理的数值，尽可能避免出现压力的波动。增加机头压力可提高熔体的混合均匀性和稳定性，提高产品的致密度，但机头压力过大将影响产量。合理地控制螺杆的转速和温度调节系统的精度，可减少压力的波动。
(3)挤出速率(4)牵引速度单位时间内挤出机口模挤出的塑料质量（kg/h）或长度（m/min）。挤出速率的大小表征着挤出机生产率的高低。从口模挤出的制品在牵引力作用下会发生拉伸取向。拉伸强度越大，冷却后长度收缩也越大。通常，牵引速度可与挤出速度相当。牵引速度与挤出速度的比值称为牵引比，其数值必须等于或大于1。
（三）螺杆的区域划分
（1）加料段（固体输送段）输送物料（2）压缩段（塑化段）压实、熔融、塑化、排气（3）挤出段（计量段、均化段）进一步压紧、塑化、搅拌均匀，并以一定的流量和压力从机头口形流道均匀挤出。
（四）螺杆的几何尺寸螺杆外径D、螺棱法向宽度e、螺杆与料筒的间隙δ、螺纹导程t (螺距f )、螺槽深度h、螺槽的法向宽度W(r)、螺纹升角θ(r)
§7 .1思考题1．试述螺杆挤出机的工作原理。3．挤出成型的主要工艺参数有哪些?2．通常挤出成型工艺过程包括哪三个阶段？4．根据物料在挤出过程中的变化，可将螺杆工作部分划分为哪些区域？这些区域各有什么作用？
二、物料在螺槽中的流动设想螺杆断面为矩形细纹，等宽等深。假定h＜＜W，且h＜＜2 R，于是物料在螺槽内的流动可近似视为在两平行板间的流动。将机筒与螺杆侧剖并在平面上展开，取直角坐标如图所示。
（一）简化假定和运动方程(1)不可压缩的牛顿型流体(2)连续、等温的稳定层流(3)压力梯度为定值，也为定值(4)无滑移，忽略重力和惯性力
由此，可得到连续性方程为：
熔料在螺槽中的流动由以下4种流动组成：1.正流（拖曳流）Q拖曳流这是熔料沿螺槽向机头方向的流动，它是料筒表面作用到熔体上的力而产生的流动。其流率用Q拖曳流表示。2.压力流Q压力流也叫逆流，其方向与正流相反，它是由机头、分流板、滤网等对熔体的反压引起的流动。其流率用Q压力流表示。将正流和逆流相迭加，就得到熔体在螺槽中的净流动，称为净流。
3.横流Q横流也叫环流，这是一种与螺纹方向垂直的、在螺槽内的环形流动。这种流动对总的挤出量影响不大，故一般不计，但对熔体的传热、混合、塑化影响较大，也消耗一定能量，其流率用Q横流表示。4）漏流Q漏流它是由机头、分流板、滤网等对熔体的反压引起的流动，是一种通过螺棱与料筒形成的间隙δ0沿螺杆轴线方向向料斗方向的流动。δ0在一般情况下很小，其流率Q漏流在数量上比Q正流小很多。
正流、压力流、漏流在螺槽深度方向的速度分布，横流的流动方向，见下图。VzQdVz-Qp横流⊕QL
（二）螺槽内物料的速度分布及体积流量
根据速度分布可求得螺槽内物料的体积流量为：
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。x方向的流动：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δ造成的。这种流动可视为物料通过一个缝模的流动，缝模截面垂直于x方向，缝高为δ，缝长为2πR/cosθ。
将三部分体积流量加在一起，得到在螺杆均化计量段中物料总体积流量：其中拖曳流量为正流量，主要取决于转速N；压力流与漏流为负流量，其大小取决于压差Δp和物料粘度η0。螺杆的几何参数W、h、R、θ、δ均起着重要作用。
将式(7-58)重新改写，可得螺杆特性线为：
对于给定螺杆，α、β和γ均为常数，当挤出稳定后，可以认为温度、转速都不变，η0也不变，因此，Q和Δp成线性方程。QPABN1N2N3N4N5螺杆特性线图中的AB线称为螺杆特性线。若螺杆不变，改变螺杆的转速，则可得到了一组互相平行的螺杆特性线族。
1．物料在机头中的流动及流速分布在螺槽中的流动：呈螺旋状前进进入机头流道时：由螺旋运动变为直线运动流动速度分布：呈抛物线状三、机头口型中物料的流动
牛顿型流体通过任意形状的机头，流动速度为
2．体积流量
流通系数K流通系数K值越大表示流通阻力越小。可以看出，流量Q正比于压力降而反比于物料的粘度。根据式（7－60）作Q－Δp图，可以得到一条通过坐标原点的直线，其斜率为K /η0 k。不同的直线代表着不同的口模，这些直线称之为口模特性线。
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。即要求通过螺杆的流量一定要与通过机头口型区的流量相等，物料在螺杆的压力降也要与在机头口型区的压力降相等，即3．挤出机工作点
Q0△PK1N1N2N3螺杆特性曲线K2K3机头特性曲线两组曲线的交点为螺杆挤出机正常挤出的稳定工作点，可从下列方程组求得：
不难求出，这样的工作点满足：
Q0△P△Pc△PmaxQcQmaxCDAB挤出机机头压力值应为：螺杆特性线与机头特性线的交点Δpc挤出机工作点C:螺杆特性线与机头特性线的交点
§7.3思考题1．物料在机头中的流动与在螺槽中的流动有何不同?物料在机头的流动速度与什么因素有关？2．何谓螺杆特性线、机头特性线、挤出机工作点？
上述讨论是在作了若干假定的基础上得到的，与实际挤出成型过程由一定出入。加工实际的非牛顿流体的工作特性曲线要复杂得多。四、理论的修正在实际分析挤出成型过程的流变状况时，一定要根据实际情况对简化理论进行修正。主要的修正方法有两种：一是基于螺杆尺寸的非理想化所作的修正，一是基于物料的非牛顿型流动性作的修正。
前一种修正采用系数修正法，修正后的流量公式为：
第二种修正主要采用非牛顿流体的状态方程代替牛顿型流体的状态方程。最多的是采用如下幂律方程：采用以上幂律方程来描写材料的流动特性，而保持运动方程和连续性方程不变。但工程上更多的是采用图算法。
在挤出成型电线电缆、型材、轮胎、胶管等制品过程中，对制品的形状、尺寸要求较严格。挤出流量的波动ΔQ要求控制在一定的范围内，即要求挤出成型过程应当稳定。五、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：
将螺杆挤出机内的物料压力分布简化，均化段的实际压力降变为：
由于均化段的实际压力降变为Δp′，因此螺杆部分体积流量改写为：通过机头口型的体积流量可以改写为：
实行稳定挤出的一些流变学措施1．均化段入口处的压力p1应尽可能保持稳定，加料口供料速度必须均匀；2．适当减少螺槽深度h和机筒与螺杆突棱的间隙δ；
3．
§7.5思考题1．挤出成型过程的稳定性与哪些因素有关？实行稳定挤出应采取哪些措施？
在实际的高分子材料成型加工过程及流变学测量中，物料流动状态受到诸多内部和外部因素影响，流场中常常出现不稳定流动。许多情况下，流场的边界条件存在一个临界值。一旦超越，就会发生从层流到湍流，从平整到波动，从流线稳定到流线紊乱，从管壁无滑移到有滑移，破坏了事先假定的稳定流动条件。六、挤出成型过程中的熔体破裂行为高分子熔体的不稳定流动主要表现为挤出成型过程中的熔体破裂现象等。
1．现象当挤出速度超过某一极限值时，会产生不稳定流动，挤出物将变得不光滑、粗细不均、没有光泽、表面出现粗糙的鲨鱼皮状。如果继续增大切应力和切变速率，熔体将呈现波浪形、竹节形或周期螺旋形，甚至断裂成不规则的碎片或小圆柱块，这种现象称为熔体破裂。（一）现象与类型
人们通过各种聚合物的大量实验发现：(2)各类聚合物都有自己的破裂特征。(1)增大至一临界值就产生破裂。这个开始产生破裂的称为临界剪切应力，以表示，相应的称为临界剪切速率，以表示。
2．类型两类大低密度聚乙烯型（LDPE）高密度聚乙烯型（HDPE）LDPE型：破裂特征是先呈粗糙表面，当超过临界剪切速率发生熔体破裂，呈现无规破裂状。属于此类的材料多为带支链或大侧基的聚合物。HDPE型：破裂特征是先呈粗糙表面，随着剪切速率提高逐步出现有规则的畸变，剪切速率很高时才出现无规破裂。属于此类的材料多为线形分子聚合物。
从流变曲线看，当发生熔体破裂时，两类材料的流动曲线有明显的差别。
（二）熔体破裂现象的机理分析造成熔体破裂现象的机理十分复杂，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场中的取向和解取向、缠结和解缠结及外部工艺条件诸因素有关。当外力作用速率很大，外界赋予液体的形变能远远超出液体可承受的极限时，多余的能量将以其他形式表现出来，其中产生新表面、消耗表面能是一种形式，即发生熔体破裂。
对于LDPE型熔体应力主要集中在口模入口区，流线呈典型的喇叭形收缩，在口模死角处存在环流或涡流。当剪切速率后，入口区出现强烈的拉伸流，使主流道内的流线断裂，使死角区环流或涡流乘机进入主流道而混入口模。主流线断裂后，应力局部下降，又恢复稳定流动，然后再一次集中弹性形变能，再一次流线断裂。这样交替轮换，主流道和环流区的流体将轮番进入口模，由此造成口模出口处挤出物的无规畸变。
对于HDPE型熔体流动时的应力集中效应主要不在口模入口区，而是发生在口模内壁附近，口模入口区不存在死角环流。低剪切速率时，熔体流过口模壁无滑移，挤出正常。当剪切速率增高到一定程度，由于模壁附近的应力集中效应突出，此处的流线会发生断裂。应力集中使熔体贮能大大增加，造成熔体沿模壁滑移，熔体突然增速，同时释放出能量。释能后的熔体再次与模壁粘着，再集中能量，再发生滑移。周而复始，造成聚合物熔体在模壁附近“时滑时粘”，使挤出物呈现出竹节状等有规畸变。
当剪切速率再增大时，熔体在模壁附近会出现“全滑动”，这时反而能得到表面光滑的挤出物，即所谓的第二光滑挤出区。此时应力集中效应将转到口模入口区。在极高的剪切速率下，熔体流线在入口区就发生扰乱，这时的挤出物必然呈无规破裂状。
（三）影响熔体挤出破裂行为的因素一切能够影响熔体弹性的因素，都将影响聚合物熔体的挤出破裂行为。这些因素可分为三类：这些因素可分为三类：一是口模的形状和尺寸；二是挤出成型过程的工艺条件；三是挤出物料的性质。
1．口模形状、尺寸的影响(1)入口角α口模入口角对LDPE型熔体的挤出破裂行为影响很大。当入口区为平口型时，挤出破裂现象严重；而将入口角减小变为喇叭型时，挤出物外观有明显改善；采用二阶喇叭口型，可使临界剪切速率进一步提高。
(2)口模的定型长度LLDPE型，L越长，熔体破裂程度就越轻。HDPE型，L越长，挤出物外观反而不好。
2．挤出工艺条件和物料性质的影响在高剪切速率或高剪切应力下，材料发生的弹性形变可能因来不及松弛而影响流动的稳定性，熔体破裂现象为其中一种表现。若工艺过程的特征时间小于材料本身的特征松弛时间，熔体破裂现象容易发生；若工艺过程的特征时间加长，或使材料的特征松弛时间变短，都可能使熔体破裂现象减轻。
挤出速度越小，材料发生的弹性形变小，且形变得以松弛的时间较长，因此熔体内的压力波动幅度较小。熔体温度升高，粘度下降，会使松弛时间缩短，从而使挤出物外观得以改善。因此升高料温是解决熔体破裂的快速补救办法。工厂中常用提高机头口型温度作为对付熔体破裂的手段之一，但应以不引起降解与交联为前提。(1)挤出速度（剪切速率）(2)温度
(3)平均分子量(4)分子量分布在平均分子量相等的条件下，分子量分布较宽的物料挤出行为较好，发生熔体破裂的临界剪切速率较高。平均分子量大的物料，松弛时间较长，容易发生熔体破裂。(5)填料无论是添加填充补强剂还是软化增塑剂，都有减轻熔体破裂程度的作用。
一．现象和本质及表示方法七、弹性记忆效应1．现象和本质
这种挤出物的尺寸和断面形状与口型不同的现象，膨胀——收缩现象，称为弹性记忆效应，或称离模膨胀，又称巴拉斯效应。2．原因一是入口效应。二是胶料在口型中的剪切流动也伴随有弹性变形，从而产生膨胀收缩现象。
在恒切变速率下，物料的弹性回复行为取决于它在口型中的停留时间。如停留时间短(L/D小)，则因为来不及松弛而膨胀率大，反之亦然。BL/D压出膨胀率与口型长径比的关系
这也说明了，当L/D较小时，入口效应为主；当L/D较大时，则是剪切流动伴随的弹性变形为主。在实际生产中，由于一般口型的L/D很小，所以挤出膨胀的主要原因是入口效应。这是因为L/D大时，由于入口效应引起的弹性变形已松弛得差不多了，留下的主要是剪切流动中伴随产生的弹性变形。
3．表示方法(1)挤出口型膨胀比BB也可以用挤出半成品的线速度来计算，还可以用零切粘度η0，最大松弛时间等来表示。
(2)挤出口型膨胀比B′与挤出收缩率L假如挤出物体积不变，则
弹性记忆效应引起的膨胀——收缩现象又称离模膨胀。二．离模膨胀起因及影响因素1．起因聚合物熔体从流道出来后，周围的压力大大减小甚至消失，大分子突然变得自由化，存贮的弹性变形能释放出来，大分子链重新恢复卷曲，于是体积发生膨胀。
2．影响因素(1)链结构化学结构、分子量、分子量分布和支化；(2)配方含胶量、补强－填充剂、软化－增塑剂；
(3)温度与切变速率(4)其它高温、短时间（高速）的结果，与低温、长时间（低速）的结果是一样的，提高温度可以节省时间，所以温度的作用与时间的作用是等效的。这就是“时间－温度等效原理”。不同的熔体对温度、切变速率的敏感性不同。对温度敏感的，调温度；对切变速率敏感的，调切变速率。
§7.7思考题1．产生弹性记忆效应的原因是什么？影响弹性记忆效应的因素有哪些？
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