《流变学第七章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流变学第七章课件（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章第七章高分子材料典型加工成型过程的流变分高分子材料典型加工成型过程的流变分析析7.1 混炼工艺与压延工艺（辊筒上的成型加工过程）混炼工艺与压延工艺（辊筒上的成型加工过程）7.2 挤出成型过程挤出成型过程a对成型加工过程进行流对成型加工过程进行流变学分析有什么意义？变学分析有什么意义？对实际问题进行简化对实际问题进行简化列出输运过程的基本方程、边界条件以及本构方程列出输运过程的基本方程、边界条件以及本构方程通过对上述方程的联立求解，获得加工过程中被加通过对上述方程的联立求解，获得加工过程中被加工物料内部的压力、流速、温度的分布情况工物料内部的压力、流速、温度的分布情况7.1 7.1 混炼工
2、艺与压延工艺混炼工艺与压延工艺（辊筒上的成型加工过程）（辊筒上的成型加工过程）辊筒上加工过程可分为对称性过程和非对称性过程两种。辊筒上加工过程可分为对称性过程和非对称性过程两种。对对称称性性过过程程：辊辊筒筒半半径径相相等等（R R1 1= = R R 2 2）和和表表面面线线速速度度相相等等（v v1 1= = v v 2 2）。）。非非对对称称性性过过程程：辊辊筒筒半半径径不不等等（R R 1 1R R 2 2 ）或或（和和）辊辊筒筒表表面线速度不等（面线速度不等（v v 1 1v v 2 2 ）。）。先讨论对称性过程的流变分析先讨论对称性过程的流变分析7.1.1引言引言7.1.2运动方程
3、与润滑近似假定运动方程与润滑近似假定在对任何一种实际现象和过程进行数理分析之前，必须首先在对任何一种实际现象和过程进行数理分析之前，必须首先抓住其本质，对其进行去粗取精、去伪存真的分析，排选出抓住其本质，对其进行去粗取精、去伪存真的分析，排选出最能反映现象和过程物理本质的变量和条件，删去那些次要最能反映现象和过程物理本质的变量和条件，删去那些次要因素和表面现象，进行简化处理，才能提出正确的模型，得因素和表面现象，进行简化处理，才能提出正确的模型，得到具有实际意义的结果。到具有实际意义的结果。马克思在马克思在资本论资本论第一卷第一版序言中指出，分析经济形第一卷第一版序言中指出，分析经济形式，既不
4、能用显微镜，也不能用化学试剂，必须用抽象力来式，既不能用显微镜，也不能用化学试剂，必须用抽象力来代替二者。代替二者。面对一个复杂的事物，抓住要领是不容易的。认清事物的本面对一个复杂的事物，抓住要领是不容易的。认清事物的本质比观察事物的表象要难得多。质比观察事物的表象要难得多。抽象法决不仅仅是化复杂为简单，前苏联科学院院士卢森贝抽象法决不仅仅是化复杂为简单，前苏联科学院院士卢森贝曾指出：曾指出：“在利用抽象法时，必须先解决关于抽象法界限在利用抽象法时，必须先解决关于抽象法界限的基本问题：可以和必须抽去什么，不能抽去什么。一方面，的基本问题：可以和必须抽去什么，不能抽去什么。一方面，抽象法应该彻底
5、进行到底；另一方面，抽象法不能够超越一抽象法应该彻底进行到底；另一方面，抽象法不能够超越一定的界限。定的界限。”对辊筒系统及其被加工的物料作简化假定如下：对辊筒系统及其被加工的物料作简化假定如下： 1)1)为为对对称称性性过过程程，两两辊辊筒筒半半径径相相等等R R 1 1= = R R 2 2 = = R R，辊辊筒筒表表面面线线速速度度相相同同v v 1 1= = v v 2 2= = v v。设设辊辊距距为为2 2H H0 0 ，R R HH0 0；物料在筒壁无滑移运动。物料在筒壁无滑移运动。 2)2)物物料料为为不不可可压压缩缩的的牛牛顿顿型型流流体体，粘粘度度和和密密度度均均为为常数
6、。辊筒间隙中，物料流动为稳定的二维等温流动。常数。辊筒间隙中，物料流动为稳定的二维等温流动。 3) 3)物料的惯性力及重力忽略不计。物料的惯性力及重力忽略不计。在两辊间隙中，取直角坐标系，坐标原点在辊距（两辊在两辊间隙中，取直角坐标系，坐标原点在辊距（两辊最小间距）中心，最小间距）中心，x方向为物料主要流动方向，方向为物料主要流动方向，y方向为方向为两辊筒轴心连线方向，两辊筒轴心连线方向，z方向垂直于纸面向外。方向垂直于纸面向外。图图7-1 对称的开炼机、压延机辊筒间隙中的坐标系对称的开炼机、压延机辊筒间隙中的坐标系连续性方程连续性方程运动方程运动方程润滑近似假定润滑近似假定 运动方程变为运动
7、方程变为牛牛顿顿型型流流体体流流经经两两辊辊筒筒间间隙隙流流道道内内的的速速度度分布为：分布为：23237.1.3速度分布与速度分布与压力分布公式力分布公式 欲求压力梯度，需先求出体积流量欲求压力梯度，需先求出体积流量Q。 进行变量替换，定义无量纲坐标x 则压力梯度公式的显式压力梯度公式的显式：1引入一个参量引入一个参量，定义为：定义为：的意义为，当无量纲坐标的意义为，当无量纲坐标 ， 即为两辊筒间物料内的压力取极值的位置即为两辊筒间物料内的压力取极值的位置。辊筒间的压力分布辊筒间的压力分布7.1.4关于辊筒间压力与速度分布的讨论关于辊筒间压力与速度分布的讨论物料内压力沿流道长度方向的分布如图
8、物料内压力沿流道长度方向的分布如图极大极大值位置在最小位置在最小辊距前距前 处， 此此时时 ， 7.1.4.1压力极值点的位置压力极值点的位置极大值极大值p pmaxmax等于：等于：图图7-37-3 辊筒间胶料内的压力分布辊筒间胶料内的压力分布两两个个极极小小值值一一个个在在 处处，此此点点为为物物料料脱脱辊辊的的位位置置，亦亦称称出出料料处处。同同样样有有 ，另另一一极极小小值值在在 处处，此此处处为为物物料料刚刚进进入入辊辊隙隙处处（亦亦称称吃吃料料处处）。此此处处物物料料尚尚未未承承受受辊辊筒筒压力压力 在最小辊距处在最小辊距处 ， ，因此，因此可可见见在在最最小小辊辊距距处处，物物料
9、料内内压压力力并并非非极极大大值值，仅仅为为最最大大压压力力的的一一半半。物物料料中中最最大大压压力力是是在在物物料料进进入入最最小小辊辊距距之之前前的的一一段距离上达到的。段距离上达到的。7.1.4.2 参数参数的意义的意义参数参数可视为无量纲体积流量参数，对辊筒加工过程可视为无量纲体积流量参数，对辊筒加工过程来说是重要的参数。从定义式看出，来说是重要的参数。从定义式看出，与流量与流量 Q、辊辊距距 H0 、辊速辊速v 等工艺条件参数相关，实际上等工艺条件参数相关，实际上Q/2v H0 的比值还与物料粘弹性有关。的比值还与物料粘弹性有关。同一辊距（同一辊距（ H0 ）下下值不同所引起的辊筒间
10、压力分布值不同所引起的辊筒间压力分布曲线的变化。曲线的变化。图图7-47-4 不同不同值时辊筒间压力分布的变化值时辊筒间压力分布的变化设物料脱辊处（出料处）辊距为设物料脱辊处（出料处）辊距为 2H，即压出料片即压出料片厚度为厚度为2H，流量流量Q= 2vH 由此公式，只需测出料片厚度由此公式，只需测出料片厚度2H，即可求出即可求出值。值。辊筒间物料压力的理论计算值与实测值的比较辊筒间物料压力的理论计算值与实测值的比较 7.1.4.3辊筒间物料的速度分布辊筒间物料的速度分布 9 9y y 定义为定义为：无量纲速度分布公式无量纲速度分布公式 处处, , ，且速度沿，且速度沿 y y 方向均等分布。
11、方向均等分布。以以 点点为为分分界界点点，可可把把辊辊筒筒间间的的流流道道分分为为两两个个区。区。在在 区区域域： ，压压差差作作用用向向前前，形形成成正正压压力力流流。各各层层物物料料流流速速均均大大于于等等于于辊辊筒筒表表面面线线速速度度，速速度度沿沿y y方方向向呈呈“超超前前速速度度分分布布”。特特别别在在 ，即即最小辊距处，流速最大。最小辊距处，流速最大。在中心线处（即坐标原点处），物料最大流速等于在中心线处（即坐标原点处），物料最大流速等于：在在 区域（进料区）：区域（进料区）： ，形成反压力流。，形成反压力流。各层物料流速均小于等于辊筒表面线速度，速度沿各层物料流速均小于等于辊筒
12、表面线速度，速度沿y方向呈方向呈“滞后速度分布滞后速度分布”。驻点驻点 :在该点流速分布中，中心线那一层物料（处）在该点流速分布中，中心线那一层物料（处）流速等于零。流速等于零。 在在 区域，流速分布呈现更复杂情形。各层物料区域，流速分布呈现更复杂情形。各层物料有的向前流，有的向后流，正负流速并存，从而形成有的向前流，有的向后流，正负流速并存，从而形成物料的旋转运动（涡流）物料的旋转运动（涡流）617.2 7.2 挤出成型过程挤出成型过程挤出设备由两部分组成：挤出设备由两部分组成：一为挤压部分一为挤压部分 塑化、输送、计量物料；塑化、输送、计量物料；一为机头口型部分一为机头口型部分 指机头、口
13、型及定型、牵引指机头、口型及定型、牵引机构，借以将物料制成规定形状、尺寸的制品。机构，借以将物料制成规定形状、尺寸的制品。挤出机的核心是螺杆；机头、口型部分的核心是挤出机的核心是螺杆；机头、口型部分的核心是口模。口模。 34与单螺杆相比，双螺杆挤出机的进料和输送性能与单螺杆相比，双螺杆挤出机的进料和输送性能优越得多，尤其适合加工那些难以喂入和容易打优越得多，尤其适合加工那些难以喂入和容易打滑的物料，如纤维状、粉状和油脂类化合物，物滑的物料，如纤维状、粉状和油脂类化合物，物料滞留时间短，较好的混合和较大的传热面积，料滞留时间短，较好的混合和较大的传热面积，使料温控制良好使料温控制良好。螺杆工作部
14、分可分为三段螺杆工作部分可分为三段1）吃料段）吃料段 物料为固体状态物料为固体状态2）压缩塑化段）压缩塑化段 物料由固态逐渐转变为粘流态物料由固态逐渐转变为粘流态3）匀化计量段）匀化计量段 从压缩段来的粘流状物料在此进一从压缩段来的粘流状物料在此进一步压紧、塑化、拌匀，并以一定的流量和压力从步压紧、塑化、拌匀，并以一定的流量和压力从机头口型流道均匀挤出。这一段中螺槽截面是均机头口型流道均匀挤出。这一段中螺槽截面是均匀的，研究理论即流变学理论。匀的，研究理论即流变学理论。螺杆的压缩比从定义上说是指吃料段物料容积螺杆的压缩比从定义上说是指吃料段物料容积与计量段物料容积之比，不过我们常用槽深比与计量
15、段物料容积之比，不过我们常用槽深比表示，即吃料段最后一个螺槽深度与匀化计量表示，即吃料段最后一个螺槽深度与匀化计量段第一个螺槽深度的比值。段第一个螺槽深度的比值。螺螺杆杆挤挤出出机机要要稳稳定定工工作作，必必须须使使口口模模的的输输送送能能力力与与匀匀化化计计量量段段的的输输送送能能力力相相匹匹配配，而而且且要要兼兼顾顾吃吃料料段段的的吃吃料料能能力力及及压压缩缩塑塑化化段段的的塑塑化、熔融情况。化、熔融情况。 29设螺槽断面为矩形细纹，等深等宽；任一小段螺设螺槽断面为矩形细纹，等深等宽；任一小段螺槽内物料的流动近似视为两平行板间的流动。槽内物料的流动近似视为两平行板间的流动。螺槽内任一点的速
16、度可沿螺纹方向和垂直于螺纹螺槽内任一点的速度可沿螺纹方向和垂直于螺纹方向分解方向分解7.2.1 物料在匀化计量段螺槽中的流动物料在匀化计量段螺槽中的流动图图7-12 7-12 机筒与螺杆的平面展开机筒与螺杆的平面展开图图7-12机筒与螺杆的平面展开图及坐标系的安排机筒与螺杆的平面展开图及坐标系的安排7.2.1.1 对挤出成型过程作如下简化处理对挤出成型过程作如下简化处理 1)设被加工物料为不可压缩的牛顿型流体；物料在设被加工物料为不可压缩的牛顿型流体；物料在螺槽的流动为连续的、等温的稳定层流。螺槽的流动为连续的、等温的稳定层流。 2)物料在挤出机内承受的压力梯度沿螺杆轴向为定物料在挤出机内承受
17、的压力梯度沿螺杆轴向为定值。值。3)物料沿机筒及螺槽表面无滑移；忽略重力与惯性物料沿机筒及螺槽表面无滑移；忽略重力与惯性力的影响。力的影响。图图7-13 7-13 挤出机及机头中物料压力分布曲线挤出机及机头中物料压力分布曲线连续性方程为：连续性方程为：由于螺槽等深等宽，所以有：由于螺槽等深等宽，所以有：运运动动方方程程为为c：7.2.1.2 7.2.1.2 螺槽内物料的速度分布及体积流量螺槽内物料的速度分布及体积流量为常数对方程对方程a二次积分二次积分并利用边界条件并利用边界条件得到槽内物料的速度分布为得到槽内物料的速度分布为：可写成：螺槽内物料的体积流量为螺槽内物料的体积流量为拖曳流又称正流
18、，是熔体沿螺槽向着机头口模的前拖曳流又称正流，是熔体沿螺槽向着机头口模的前进流动。进流动。压力流，与正流方向相反，由于机头处的分流板和压力流，与正流方向相反，由于机头处的分流板和口模等的阻流作用，产生的反压引起的逆流，是反口模等的阻流作用，产生的反压引起的逆流，是反向的压力流动。向的压力流动。漏流漏流 是由于物料在一定压力作用下，沿是由于物料在一定压力作用下，沿x x方向流过螺槽突棱顶部与机筒内壁的径向方向流过螺槽突棱顶部与机筒内壁的径向间隙间隙 造成的。造成的。为常数，求解方程为常数，求解方程b b并利用边界条件并利用边界条件：得进一步求得漏流的体积流量进一步求得漏流的体积流量将三部分体积流
19、量相加，得到在螺杆匀化计量段将三部分体积流量相加，得到在螺杆匀化计量段物料总体积流量物料总体积流量将总体积流量的表达式改写为：将总体积流量的表达式改写为：公式的意义公式的意义7.2.2机头口型中物料的流动机头口型中物料的流动牛顿型流体流过圆形管道的压力流流量公式，牛顿型流体流过圆形管道的压力流流量公式，物料通过机头口型的流量应满足以下公式：物料通过机头口型的流量应满足以下公式：K K 称机头口型区的流通系数，取决于机头口型的称机头口型区的流通系数，取决于机头口型的几何参数和流动液体的类型。几何参数和流动液体的类型。K K 值越大表示流通值越大表示流通阻力越小。阻力越小。对对处处于于稳稳定定挤挤
20、出出状状态态的的螺螺杆杆挤挤出出机机而而言言, ,通通过过螺螺杆杆部部分分的的流流量量一一定定要要与与通通过过机机头头口口型型区区的的流流量量相相等等，物物料料在在螺螺杆杆部部分分的的压压力力降降也也要要与与在在机机头头口口型型区区的的压压力降相等。即力降相等。即 加加工工牛牛顿顿型型流流体体时时螺螺杆杆匀匀化化计计量量段段与与机机头头口口型型的的工工作特性曲线作特性曲线两组曲线的交点符合条件两组曲线的交点符合条件应应当当为为螺螺杆杆挤挤出出机机正正常常挤挤出出的的稳稳定定工工作作点点。可可从从下下列方程组求得：列方程组求得： 解方程组求出，这样的工作点满足：解方程组求出，这样的工作点满足：在
21、简化假定的基础上得到的理论与实际挤出过程有在简化假定的基础上得到的理论与实际挤出过程有出入。实际分析挤出成型过程的流变状况时，要根出入。实际分析挤出成型过程的流变状况时，要根据实际情况对简化理论进行修正。主要的修正方法据实际情况对简化理论进行修正。主要的修正方法有两种：有两种：一是基于螺槽尺寸的非理想化所作的修正；一是基于螺槽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。一是基于物料的非牛顿型流动性作的修正。7.2.3 理论的修正理论的修正不稳定挤出系数：不稳定挤出系数：为匀化计量段入口处物料内的压力为匀化计量段入口处物料内的压力7.2.4 实行稳定挤出的一些流变学考虑实行稳
22、定挤出的一些流变学考虑实行稳定挤出的一些流变学措施实行稳定挤出的一些流变学措施 1）尽量减少不稳定源。匀化计量段入口处的）尽量减少不稳定源。匀化计量段入口处的压力应尽可能保持稳定，这要求加料口供料速压力应尽可能保持稳定，这要求加料口供料速度必须均匀。度必须均匀。2）实行稳定挤出的一些流变学措施实行稳定挤出的一些流变学措施已知反流系数已知反流系数 与与 成比例（成比例（L为螺杆长度），为螺杆长度），漏流系数漏流系数 与与 成比例。由此可见，要实现成比例。由此可见，要实现稳定挤出，在其它条件不变的情况下，应适当地减稳定挤出，在其它条件不变的情况下，应适当地减少螺槽深度少螺槽深度h 和减少机筒与螺杆
23、突棱的间隙和减少机筒与螺杆突棱的间隙 （注意（注意两者均以三次方比率影响两者均以三次方比率影响 u ）。）。 由得3）实行稳定挤出的一些流变学措施实行稳定挤出的一些流变学措施 调节机头流通系数可调节挤出过程的稳定性。一调节机头流通系数可调节挤出过程的稳定性。一般小口径机头般小口径机头K 值较小，值较小，u 值较小，易实现稳定挤值较小，易实现稳定挤出。出。4）由公式）由公式和实行稳定挤出的一些流变学措施实行稳定挤出的一些流变学措施物料粘度越大，挤出不稳定系数物料粘度越大，挤出不稳定系数u越小，因此在保越小，因此在保证质量的前提下，适当降低挤出温度，有助于稳证质量的前提下，适当降低挤出温度，有助于
24、稳定挤出。定挤出。 5）适当增加螺杆长度适当增加螺杆长度 L，也使不稳定系数下降。也使不稳定系数下降。 Thank you !作业作业1.1.螺螺杆杆挤挤出出机机要要稳稳定定工工作作，必必须须使使_ _ 与与 _相匹配。相匹配。2. 2. 3. 3. 讨论实行稳定挤出的一些流变学措施。讨论实行稳定挤出的一些流变学措施。某压延机的双辊筒，其半径某压延机的双辊筒，其半径R=350mm,长长L=1800mm, 两辊筒最小间距两辊筒最小间距 2 =1mm, 加工物加工物料的料的 粘度粘度104 Pa.s, =40m/min，脱辊时片材的，脱辊时片材的厚度厚度1.45mm。求辊隙间的最大压力。求辊隙间的最大压力 。 在辊筒上的成型加工过程中，物料中的最大压在辊筒上的成型加工过程中，物料中的最大压力力 是在是在_达到的。达到的。
