用流变学的视角解读挤出机共混改性：深刻理解喂料量

2024-07-10 02:21| 来源: 网络整理| 查看: 265

机头压力对于顺利成条是必须的，但是机头压力也降低了一部分产量。下面的公式表明了这一点。

下面我们从挤出终端来了解一下影响挤出量(产率）的因素。

当转速为零时，机头压力△P=0，所以，产率Q=0。当我们把机头拆掉，可以获得最大产率，△P=0，Q=αN。也就是说，螺杆转速有多快，我们的产率就可以做多高。当然，N依然受限于最大扭矩。

料条成条性也限制产率。断条、出口膨胀、两边出条不畅、料条呈现螺旋状，都会直接影响工艺的顺畅进行，降低产率。

喂料量与产品质量

我们做共混料，总有一定的产品质量标准，要求达到一定的混炼和分散效果，并达到预定的性能指标。那么，喂料量与产品质量又是什么样的关系呢？

1）过大的喂料量导致塑化不良

2）过大的喂料量导致充满度过高问题

3）太小的充满度导致的质量问题

4）机头压力与产品质量

过大的喂料量，会导致塑化不良，结果会出现熔融模式的分裂（the meltingpattern isbrokenup）。所谓熔融模式的分裂，就是塑料粒子不能以单一的模式在一个塑化段完成全部的塑化，结果有一部分粒子以未塑化的形态被推向熔体池（melt pool）与熔体混在一起。当这些未塑化的粒子进入下一个阶段时，再要塑化就难了，因为其外面被包覆了一层熔体，依靠剪切塑化的机制就难以实现。另外，喂料的波动（feed-related surging）也会导致塑化不良，它会将一些未塑化或未完全塑化的粒子推向下一个螺纹段而难以塑化。其机理如下图所示。

双螺杆挤出机通常在饥饿喂料下运转。喂料速率和螺杆转速独立操作。喂料速率称为Q，螺杆速度称为N。Q用于度量有多少物料喂进了挤出机，N与机器吃料多快成比例。机器可以在宽范围的Q和N内运转，但是这些Q、N数值必须遵守一定范围的Q/N比值。对于一个72mm的双螺杆挤出机，可能是900pph（百分之一）的喂料速率Q和一个300rpm的螺杆转速N。Q/N值将是3.0pph/rpm。更高的螺杆转速（直达1000rpm）将给出更高的喂料速率，而且Q/N值保持在同样的3.0pph/rpm。

当螺杆填满时，达到最大限度的Q/N，这时，螺杆转速无法达到更高而无法吃掉这些喂进来的物料。最大限度也可能由于马达、齿轮箱或螺杆的机械扭矩而达到限度。对于71mm的双螺杆挤出机，最大的Q/N在2.5到5.0pph/rpm之间变化，取决于许多因素，如机械扭矩、螺杆设计、塑料粘度、机头压力、背压等。我们还能看到最小的Q/N值。此时，螺杆填充度很低，因为螺杆转速太快而喂料速度较低。这可能导致喘振（surging类似“波动”）、过热和不稳定操作。对于72mm的双螺杆挤出机，最小的Q/N大约是0.75pph/rpm。

在稳态条件下沿螺杆实际停留的物料体积为有效体积 (V eff )，螺杆与挤出机内筒壁之间的体积为物料停滞区域所物料可以填充的最大体积 (V)。占的体积为 (V dead )，则定义

在螺杆设计时均会考虑减少停滞区的存在，故般情况下V dead 可近似等于零，体积流率等于Q m 除以给定温度下的熔体密度 (ρ). 由此式 (4)变为

这是填充度（f）与质量流率Q m （产率）、停留时间tav的关系。在填充度固定的情况下，停留时间与流率Q m （喂料量）成反比。所以，此时，过高的喂料量会造成混炼时间不足。如果要求一定的停留时间和混炼效果，此时，f与Q m 成正比，所以，Q m 要满足填充度的要求，即Q m 受限于f。如果喂料量Q m 固定，则停留时间tav与充满度f成正比。这说明，物料的运动轨迹不是线性的，而是与其存在的空间（熔体所充满的空间fV）有关，其运动轨迹是三维的。所以，我们在喂料量固定情况下，也可以通过调整填充度来调节停留时间，增加混炼效果。

此外，在过渡段（机头），必须建立适当的机头压力，以保证在物料脱离双螺杆后，再一次有一个好的混合。虽然在过度段没有混炼螺杆，但是机头上具有较大的压力差，这保证了机头上还是存在一定的混合，而且也是最后的混合。据研究，机头压力越大，粘度下降越大，粘度和剪切应力分布也越均匀。转速越大，机头内物料粘度越低，粘度和剪切应力分布也越均匀。如下图所示。根据前面的Q=αN-β（△P）/μ公式，保持高的机头压力，会损失掉一部分产率（喂料量），因为主机转速N不是可以总是可以提高的，它受最大转速（最大扭矩）的限制。

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