《聚合物成型原理与工艺》课程教学资源（书籍文献）双螺杆挤出

目髪录序言第一导真1.1.历史珂顾·1.2单螺杆挤出机1.3双螺杆挤出机·第二章技术现状1.1引言·1I.2输入、输出和螺杆的充满·1.3流动、混合和停留时间分布·31.4定性论文211.5结论24第三章基本计算26）1.1螺杆儿何学26）.2腔室容积32）331.3挤出机中的轴向压力梯度36)1.4挤出机中的切向压力梯度I.5四面体间隙40)41 )1.6螺棱间隙1.743 )玉延间隙1.847 )侧间隙.9压延漏流，侧漏流和产生切向压力间的49 )相互作用PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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第四意产量一压力关系51 )+N.1工作机理·51051)V.2挤出段57)N.3挤出段的敏感性分析61)V.4固体输送段，63 )V.5等粘性模型·V.665 )等粘性模型推广为真实情况V.7测量70 )N.874)关于非牛顿流体性质影响的综述·N.9结论76 )第五章流动和混合·79)V.1引言：79)V.2个腔室内的流动和混合.79 )V.3腔室间的相互影响···84.)V.4结论87 )L第六章停留时间分布(88 ).1引言88)(M.2理论( 88 )V.3挤出机完全充满料的部分：模型实验(92)1LV.4放射性测量技术·(97 )V.5塑化双螺杆挤出机中的停留时间(103)1.6某些停留时间分布曲线的比较(107 )1:.7结论(110)1:第七(112)熔融机理.1单螺杆挤出机(112)iI.2双螺杆挤出机中的熔融机理(113 )1结论·.3(119 )1PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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(121°)第八章工作特性(121). 1引言(122).2稳定状态工作(124).3腔室充满机理·<(125)V.4与产品质量的关系·(127)T.5将模型扩大为控制图第九章(137)单螺杆挤出机和双螺杆挤出机的比较(137).1.引言(137)x-2技术分析X.3(141)流体动力学X.4(144)流动、混合和停留时间分布第十章(146)结论综述X.1(146)工作机理·X.2(148 )流动、混合和停留时间··附录，(150)1、参考文献…(150)1：符号一览表(156)1PbF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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第一章导言1.1历史回顾挤出工艺已经很古老了。1797年在英格兰JosephBra-mah制造了一台用于制造无缝铅管的手动活塞式压机，这台机器通常被认为是第一台挤出机。在这之后不久，其它材料，象肥皂、通心粉和建筑材料都是用类似方法加工的。对螺杆式挤出机的要求来自电继工业。柱塞式挤出机的间歇工作性质对早期应用是可以接受的，但对包覆电缆，间歇工作就不能接受了。最早了解单螺杆挤出机的概念是在1873年为Phoenix Gummiwerke A.G所有的一张图上发现的。第一台双螺杆挤出机是1869年在英格兰Follows和Bates为制造香肠开发的。用手塑料加工的第一台双螺杆挤出机正好是在第二次世界大战之前，在意大利由Roberto Colombo和CarloPasquetti研制的。自那以后，这些机器的应用1不断地增加。特别是由于许多主要机械设计问题，包括推力1轴承的设计问题，在最近十年已经得到解决，故越来越多的双螺杆挤出机已经在聚合物加工业中得到应用。11.2单螺杆挤出机11.2.1 引售1这些年来，单螺杆挤出的研究已趋完善。对其工作现已1有了很好的了解(McKelvey，1962：Schenkel，19631Pearson，1966）。单螺杆挤出机和双螺杆挤出机之间的主要差别在于输送机理上。单螺杆挤出机有一根与料简密切配合的回转的螺杆：很容易理解，如果被加工的物料粘到螺杆上11/11PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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并在料筒表面打滑，挤出机将不会有输出，因为物料随着螺杆回转而不会被推陶前。为了获得最大的挤出量，物料必须尽可能自由地在螺杆表面滑过，且应当尽可能多地粘附到料简壁面上。在这些情况下，物料的回转速度小于螺杆的回转速度，致使物料被螺纹的前缘强制地沿着挤出机向前推进。通常，当物料沿着螺杆长度方向移动时，单螺杆挤出机中有三个不同的工作区域。从料斗到口模，物料要通过以下几个区段（图1.1)：料子！固体输送段熔融段桑出段口楼图I.1单螺杆挤出机中的不同区段一正处在料斗下方的固体输送段。在这个区段中，固体物料以粒子或粉状形式向前输送。基于连续性的原因，输出量必须和输入量相同。若固体输送段的设计不当，可能和一种拙劣的料斗设计一样会大大地减少挤出量。5一熔融段。固体物料熔融的区段，它自料筒壁面最初液体膜形成的那一点开始，沿着很大一段长度延伸到螺槽横截面内所有物料都熔融的那点为止。-挤出段（thepumpzone）。在该段的第一部分，由于螺杆根径的增加雨使螺槽的深度减小。在这一转换段，聚合物被压缩，并以此消除空穴。在该段的第二部分，即经常称作计量段的那部分，熔体被输送和均化。对2PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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台设计得很好的机器，主要压力就在这个区段内建立起来。有时，要设置附加区段，为产生附加剪切并为均化熔融的聚合物提供捏合作用，或为便于熔体排气提供低压区。但是这些附加区段通常并不参与单螺杆挤出机的分析。单螺杆挤出机的流体动力学分析通常是以挤出段和固体输送段发生的一些现象的合理综合为基础的。在挤出段，螺槽完全为熔体所充满，在固体输送段，假定螺槽为固体粒子完全充满。人们从带有许多有用简化条件的较为容易的分析计算到具有复杂坐标系的繁杂的计算机程序，进行了各种分析。简单分析通常假定在挤出段中平行平板间的不可压缩的牛额粘性流体或幂律流体为稳定流动，并忽略温度影响。在固体输送区通常假定为塞流。在计算机模型中，螺槽的曲率，非牛顿流变学性能和变化的温度对物料特性的影响都可以包括进去。1.2.2挤出段在螺槽为全部熔体充满的挤出段，熔体可以有三个流动分量：二—拖流，这是由于物料和料筒以及螺杆表面的接触作用引起的；-压力流，这是由于挤出机口模端建立起的压力引起的，这种流动的方向与拖电流相反：漏流，它流经料简和螺杆螺棱间的间隙，这种流动通常很小，在分析时一般忽略不计。单螺杆挤出机挤出段的挤出量可以通过由拖电流中减去压力流来计算。假定熔体在浅而宽的螺槽中为一种等温牛顿型稳定粘性流动及壁面无滑移的情况下，挤出段的挤出量是3PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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根据简单的基本计算求出的。如果采用与计算挤出量时相同的假设，可以计算螺增中的速度分布，在螺槽横截面方向，以离螺槽底部2/3螺槽高度为回转中心，出现一种环形流动。这种流动与沿螺槽向下的速度分布一起，给出了如图I，2所示的螺槽中的螺旋流。图I.2单螺杆挤出机螺槽中的螺旋流在这种流场中挤出段流体质点的轨迹完全由质点进入全部充满熔体的挤出段在螺槽中所处的高度所决定，这引起了停留时间分布，这种分布也可以根据横截面方向的速度和沿螺槽向下速度的适当联合来计算。1.2.3固体输送段在靠近料斗的挤出机的第一部分，聚合物仍然以固体形式被输送。为计算该段的挤出量，通常假定物料为塞流。作用在塞子上的力平衡表明，除了推力螺纹的作用力以及可能存在的任何背压以外，在塞子和几个表面间产生的摩擦力也起很重要的作用这些力来自螺槽底部，料筒壁面和螺纹表面，对于一种以稳定速度运动的塞子来说，这些力的和必定为零。根据这一点，可以计算塞子相对于料筒的输送角。很清楚，根据力平衡，固体输送段的挤出量分别依赖于固体塞子和料简、螺杆表面间的摩擦力。甚至于有这样情况，当螺4PbF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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杆表面的摩擦力大于料简表面的摩擦力时，固体输送段的挤出作用会完全停止，因为那时物料将随着螺杆回转，而不向前推进。12.4挤出段和固体输送段的配合稍加分析，对单螺杆挤出机工作中的两个不同区段就可划分出来，一个是以输送可控液体为主，一个是以输送固体为主。在一台实用挤出机中，这两个区段的产量必须匹配，因为物料是由一段输送到另一段的。由于两段的单位产量都依赖于压力，所以把挤出机所产生的压力作为条件。当压力主要由挤出段产生时，单螺杆挤出机所获得的效果最好。这意味着挤出段和固体输送段必须以这样的方式设计：当没有背压时，固体输送段的挤出量应近似地等于口模处能建立起正常工作压力时的挤出段的挤出量。如果挤出段的单位产量大于固体输送段的单位产量，挤出段将缺料，将出现导致产量波动和口模压力波动的不稳定性。另一方面，如果固体输送段的单位产量比较大，在挤出机内可能产生压力最大值，因而在挤出段产生反向压力流，以及引起加料过程和挤出量对口模压力变化很大的敏感性。显然，对单螺杆挤出机的口模阻力必须有所限制，因为口模压力太低可能导致挤出量不稳定，而口模压力太高将引起产量对口模压力波动严重的敏感性。1.3双螺杆挤出机在双螺杆挤出机中，两根平行的螺杆置于一形截面的料筒简中。其最初的目的是克服筒处的打滑现象，如已在1，2节中所解释的，这种现象使单螺杆的挤出作用受到严重的限制。用两根螺杆代替-一根螺杆就把不同的条件施加给挤出机5PDF文件使用“pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn

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所有各段，即从料斗到螺杆，宜到计量一挤出段。我们将在后几章中讨论挤出机这些部分的特性。在本引言中首先将把注意力集中在与流体输送段最有关系的设计概论方面。一般地讲，双螺杆可以分为啮合型和非啮合型两大类(见图1.3)。b.d图1.3不同类型的双螺杆挤出机&，异向回转，嘴合型b．同向回转，哟合型.!异向回转，非啮含型d、同向回转，非哒合型在非啮合型双螺杆挤出机中，螺杆轴线分开的距离至少等于螺杆外径。这种结构不同程度地可以被看作相互影响的两台单螺杆挤出机。事实上，Kaplan和Tadmor（1974）已经建立了与这种机器工作相应的三块平行平板模型，它非常类似于通常用于单螺杆挤出机的两块平行平板模型。当两根螺杆啮合时，两螺杆轴线间的距离要稍小于螺杆外径，在极限情况下，螺杆表面可以互相接触。啮合型螺杆意味着程度不同地存在着C-形腔室，把加工的物料正位移地输送到挤出机口模端。因此，与筒壁打滑变得不相于，因为一根螺杆的啮合部分阻止了另一根螺杆中的物料自由回转。Schenkel（1963）论述了多螺杆挤出机理想的理论输6PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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送量是单位时间内排放的C-形腔室的数目乘上一个腔室的体积。对于一台每报螺杆有m头螺纹的双螺杆挤出机来说，理论挤出量是Qth=2mNvW*(1.1)式中，N代表螺杆的回转速率，V代表腔室的体积。实际上，挤出量小于该理想值，因为在挤出机内存在着漏流。在文献（如Dob6czky1965；Klenk，1966）中，使用了一个修正系数，理论挤出量必须乘上它才能得到实际挤出量：Qpr=dQth(1 .2)式中，0<d<1.本式所用的修正系数通常是一个不直接与挤出机中发生的那些现象有关的、未确定的经验常数。由于需要机械间隙，C-形腔室不是完全密封的，甚至在紧密啮合的双螺杆中也是这样，所以在挤出机中有漏流发生。此处提出的分析是建立在研究通常存在的各种漏流的基础上的。如图1.4所示，有四种不同的漏流（Janssen，1976)：O输送方向图I.4挤出机中的各种流PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

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