高分子材料流變學主講：陳璞微博/chenpu28第七章擠出成型過程的流變分析一、擠出過程簡述二、物料在螺槽中的流動三、機頭口型中物料的流動四、理論的修正五、實行穩定擠出過程的一些流變學考慮六、擠出成型過程中的熔體破裂行為七、彈性記憶效應主要用于熱塑性塑料的生產連續型材擠出成型的特點：1．生產過程連續。2．生產效率高。3．應用范圍廣，綜合生產能力強。4．投資少，見效快。一、擠出過程簡述（一）螺桿擠出機及擠出原理擠出成型工藝過程的三個階段1.塑化2.擠出成型3.冷卻定型擠壓系統擠出機的組成：主機

料筒螺桿傳動系統加熱冷卻系統

一臺擠出設備一般由主機（擠出機）、輔機和控制系統組成，統稱為擠出機組。

輔機

機頭定型裝置冷卻裝置牽引裝置切割裝置卷取裝置控制系統電器儀表執行機構（二）擠出成型的主要工藝參數(1)溫度加料段：不宜過高機頭：在Td以下物料在料筒內經歷了三個階段，關鍵是控制好各段的溫度。壓縮段計量段可取高些口模：比機頭稍低(2)壓力必須根據塑料品種和塑件類型確定合理的數值，盡可能避免出現壓力的波動。增加機頭壓力可提高熔體的混合均勻性和穩定性，提高產品的致密度，但機頭壓力過大將影響產量。合理地控制螺桿的轉速和溫度調節系統的精度，可減少壓力的波動。(3)擠出速率(4)牽引速度單位時間內擠出機口模擠出的塑料質量（kg/h）或長度（m/min）。

擠出速率的大小表征著擠出機生產率的高低。從口模擠出的制品在牽引力作用下會發生拉伸取向。拉伸強度越大，冷卻后長度收縮也越大。通常，牽引速度可與擠出速度相當。牽引速度與擠出速度的比值稱為牽引比，其數值必須等于或大于1。（三）螺桿的區域劃分（1）加料段（固體輸送段）

輸送物料（2）壓縮段（塑化段）

壓實、熔融、塑化、排氣（3）

擠出段（計量段、均化段）

進一步壓緊、塑化、攪拌均勻，并以一定的流量和壓力從機頭口形流道均勻擠出。（四）螺桿的幾何尺寸螺桿外徑D、螺棱法向寬度e、螺桿與料筒的間隙δ、螺紋導程t(螺距f)、螺槽深度h、螺槽的法向寬度W(r)、螺紋升角θ(r)§7.1思考題1．試述螺桿擠出機的工作原理。3．擠出成型的主要工藝參數有哪些?2．通常擠出成型工藝過程包括哪三個階段？4．根據物料在擠出過程中的變化，可將螺桿工作部分劃分為哪些區域？這些區域各有什么作用？二、物料在螺槽中的流動設想螺桿斷面為矩形細紋，等寬等深。假定h＜＜W，且h＜＜2R，于是物料在螺槽內的流動可近似視為在兩平行板間的流動。將機筒與螺桿側剖并在平面上展開，取直角坐標如圖所示。（一）簡化假定和運動方程(1)不可壓縮的牛頓型流體(2)連續、等溫的穩定層流(3)壓力梯度為定值，也為定值(4)無滑移，忽略重力和慣性力由此，可得到連續性方程為：熔料在螺槽中的流動由以下4種流動組成：1.正流（拖曳流）Q拖曳流這是熔料沿螺槽向機頭方向的流動，它是料筒表面作用到熔體上的力而產生的流動。其流率用Q拖曳流表示。2.壓力流Q壓力流也叫逆流，其方向與正流相反，它是由機頭、分流板、濾網等對熔體的反壓引起的流動。其流率用Q壓力流表示。

將正流和逆流相迭加，就得到熔體在螺槽中的凈流動，稱為凈流

。3.橫流Q橫流也叫環流，這是一種與螺紋方向垂直的、在螺槽內的環形流動。這種流動對總的擠出量影響不大，故一般不計，但對熔體的傳熱、混合、塑化影響較大，也消耗一定能量，其流率用Q橫流表示。4）漏流Q漏流它是由機頭、分流板、濾網等對熔體的反壓引起的流動，是一種通過螺棱與料筒形成的間隙δ0沿螺桿軸線方向向料斗方向的流動。δ0在一般情況下很小，其流率Q漏流在數量上比Q正流小很多。正流、壓力流、漏流在螺槽深度方向的速度分布，橫流的流動方向，見下圖。VzQdVz

-Qp橫流⊕QL（二）螺槽內物料的速度分布及體積流量根據速度分布可求得螺槽內物料的體積流量為：這種流動與螺槽側壁的方向垂直，除引起物料在螺槽內發生環流外，主要是引起漏流。x方向的流動：漏流是由于物料在一定壓力作用下，沿x方向流過螺槽突棱頂部與機筒內壁的徑向間隙δ造成的。這種流動可視為物料通過一個縫模的流動，縫模截面垂直于x方向，縫高為δ，縫長為2πR/cosθ。將三部分體積流量加在一起，得到在螺桿均化計量段中物料總體積流量：其中拖曳流量為正流量，主要取決于轉速N；壓力流與漏流為負流量，其大小取決于壓差Δp和物料粘度η0。螺桿的幾何參數W、h、R、θ、δ均起著重要作用。將式(7-58)重新改寫，可得螺桿特性線為：對于給定螺桿，α、β和γ均為常數，當擠出穩定后，可以認為溫度、轉速都不變，η0也不變，因此，Q和Δp成線性方程。QPABN1N2N3N4N5螺桿特性線圖中的AB線稱為螺桿特性線。若螺桿不變，改變螺桿的轉速，則可得到了一組互相平行的螺桿特性線族。1．物料在機頭中的流動及流速分布在螺槽中的流動：呈螺旋狀前進進入機頭流道時：由螺旋運動變為直線運動流動速度分布：呈拋物線狀三、機頭口型中物料的流動牛頓型流體通過任意形狀的機頭，流動速度為2．體積流量流通系數K流通系數K值越大表示流通阻力越小。可以看出，流量Q正比于壓力降而反比于物料的粘度。根據式（7－60）作Q－Δp圖，可以得到一條通過坐標原點的直線，其斜率為K/η0k。不同的直線代表著不同的口模，這些直線稱之為口模特性線。穩定擠出狀態，物料在螺桿部分的流動狀態必須與在機頭口型區的流動狀態相匹配。即要求通過螺桿的流量一定要與通過機頭口型區的流量相等，物料在螺桿的壓力降也要與在機頭口型區的壓力降相等，即3．擠出機工作點Q0△PK1N1N2N3螺桿特性曲線K2K3機頭特性曲線兩組曲線的交點為螺桿擠出機正常擠出的穩定工作點，可從下列方程組求得：不難求出，這樣的工作點滿足：Q0△P△Pc△PmaxQcQmaxCDAB擠出機機頭壓力值應為：螺桿特性線與機頭特性線的交點Δpc擠出機工作點C:螺桿特性線與機頭特性線的交點§7.3思考題1．物料在機頭中的流動與在螺槽中的流動有何不同?物料在機頭的流動速度與什么因素有關？2．何謂螺桿特性線、機頭特性線、擠出機工作點？

上述討論是在作了若干假定的基礎上得到的，與實際擠出成型過程由一定出入。加工實際的非牛頓流體的工作特性曲線要復雜得多。四、理論的修正在實際分析擠出成型過程的流變狀況時，一定要根據實際情況對簡化理論進行修正。主要的修正方法有兩種：一是基于螺桿尺寸的非理想化所作的修正，一是基于物料的非牛頓型流動性作的修正。前一種修正采用系數修正法，修正后的流量公式為：第二種修正主要采用非牛頓流體的狀態方程代替牛頓型流體的狀態方程。最多的是采用如下冪律方程：采用以上冪律方程來描寫材料的流動特性，而保持運動方程和連續性方程不變。但工程上更多的是采用圖算法。在擠出成型電線電纜、型材、輪胎、膠管等制品過程中，對制品的形狀、尺寸要求較嚴格。擠出流量的波動ΔQ要求控制在一定的范圍內，即要求擠出成型過程應當穩定。五、實行穩定擠出過程的一些流變學考慮為描述擠出成型過程的穩定性，定義一個不穩定擠出系數：將螺桿擠出機內的物料壓力分布簡化，均化段的實際壓力降變為：由于均化段的實際壓力降變為Δp′，因此螺桿部分體積流量改寫為：通過機頭口型的體積流量可以改寫為：實行穩定擠出的一些流變學措施1．均化段入口處的壓力p1應盡可能保持穩定，加料口供料速度必須均勻；2．適當減少螺槽深度h和機筒與螺桿突棱的間隙δ；3．調節機頭系數K，小口徑機頭K值較小，u值較小，易實現穩定擠出；5．適當增加螺桿長度L，也會使不穩定擠出系數下降。4．物料粘度越大，u越小，因此在保證質量的前提下，適當降低擠出溫度，有利于穩定擠出；§7.5思考題1．擠出成型過程的穩定性與哪些因素有關？實行穩定擠出應采取哪些措施？在實際的高分子材料成型加工過程及流變學測量中，物料流動狀態受到諸多內部和外部因素影響，流場中常常出現不穩定流動。許多情況下，流場的邊界條件存在一個臨界值。一旦超越，就會發生從層流到湍流，從平整到波動，從流線穩定到流線紊亂，從管壁無滑移到有滑移，破壞了事先假定的穩定流動條件。六、擠出成型過程中的熔體破裂行為高分子熔體的不穩定流動主要表現為擠出成型過程中的熔體破裂現象等。1．現象當擠出速度超過某一極限值時，會產生不穩定流動，擠出物將變得不光滑、粗細不均、沒有光澤、表面出現粗糙的鯊魚皮狀。如果繼續增大切應力和切變速率，熔體將呈現波浪形、竹節形或周期螺旋形，甚至斷裂成不規則的碎片或小圓柱塊，這種現象稱為熔體破裂。（一）現象與類型人們通過各種聚合物的大量實驗發現：(2)各類聚合物都有自己的破裂特征。增大至一臨界值就產生破裂。這個開始產生破裂的稱為臨界剪切應力，以

表示，相應的稱為臨界剪切速率，以表示。2．類型兩類大低密度聚乙烯型（LDPE）高密度聚乙烯型（HDPE）LDPE型：破裂特征是先呈粗糙表面，當超過臨界剪切速率發生熔體破裂，呈現無規破裂狀。屬于此類的材料多為帶支鏈或大側基的聚合物。HDPE型：破裂特征是先呈粗糙表面，隨著剪切速率提高逐步出現有規則的畸變，剪切速率很高時才出現無規破裂。屬于此類的材料多為線形分子聚合物。從流變曲線看，當發生熔體破裂時，兩類材料的流動曲線有明顯的差別。（二）熔體破裂現象的機理分析造成熔體破裂現象的機理十分復雜，它與熔體的非線性粘彈性、與分子鏈在剪切流場中的取向和解取向、纏結和解纏結及外部工藝條件諸因素有關。當外力作用速率很大，外界賦予液體的形變能遠遠超出液體可承受的極限時，多余的能量將以其他形式表現出來，其中產生新表面、消耗表面能是一種形式，即發生熔體破裂。對于LDPE型熔體應力主要集中在口模入口區，流線呈典型的喇叭形收縮，在口模死角處存在環流或渦流。當剪切速率后，入口區出現強烈的拉伸流，使主流道內的流線斷裂，使死角區環流或渦流乘機進入主流道而混入口模。主流線斷裂后，應力局部下降，又恢復穩定流動，然后再一次集中彈性形變能，再一次流線斷裂。這樣交替輪換，主流道和環流區的流體將輪番進入口模，由此造成口模出口處擠出物的無規畸變。對于HDPE型熔體流動時的應力集中效應主要不在口模入口區，而是發生在口模內壁附近，口模入口區不存在死角環流。低剪切速率時，熔體流過口模壁無滑移，擠出正常。當剪切速率增高到一定程度，由于模壁附近的應力集中效應突出，此處的流線會發生斷裂。應力集中使熔體貯能大大增加，造成熔體沿模壁滑移，熔體突然增速，同時釋放出能量。釋能后的熔體再次與模壁粘著，再集中能量，再發生滑移。周而復始，造成聚合物熔體在模壁附近“時滑時粘”，使擠出物呈現出竹節狀等有規畸變。當剪切速率再增大時，熔體在模壁附近會出現“全滑動”，這時反而能得到表面光滑的擠出物，即所謂的第二光滑擠出區。此時應力集中效應將轉到口模入口區。在極高的剪切速率下，熔體流線在入口區就發生擾亂，這時的擠出物必然呈無規破裂狀。（三）影響熔體擠出破裂行為的因素一切能夠影響熔體彈性的因素，都將影響聚合物熔體的擠出破裂行為。這些因素可分為三類：這些因素可分為三類：一是口模的形狀和尺寸；二是擠出成型過程的工藝條件；三是擠出物料的性質。1．口模形狀、尺寸的影響(1)入口角α口模入口角對LDPE型熔體的擠出破裂行為影響很大。當入口區為平口型時，擠出破裂現象嚴重；而將入口角減小變為喇叭型時，擠出物外觀有明顯改善；采用二階喇叭口型，可使臨界剪切速率進一步提高。(2)口模的定型長度LLDPE型，L越長，熔體破裂程度就越輕。HDPE型，L越長，擠出物外觀反而不好。2．擠出工藝條件和物料性質的影響在高剪切速率或高剪切應力下，材料發生的彈性形變可能因來不及松弛而影響流動的穩定性，熔體破裂現象為其中一種表現。若工藝過程的特征時間小于材料本身的特征松弛時間，熔體破裂現象容易發生；若工藝過程的特征時間加長，或使材料的特征松弛時間變短，都可能使熔體破裂現象減輕。擠出速度越小，材料發生的彈性形變小，且形變得以松弛的時間較長，因此熔體內的壓力波動幅度較小。熔體溫度升高，粘度下降，會使松弛時間縮短，從而使擠出物外觀得以改善。因此升高料溫是解決熔體破裂的快速補救辦法。工廠中常用提高機頭口型溫度作為對付熔體破裂的手段之一，但應以不引起降解與交聯為前提。(1)擠出速度（剪切速率）(2)溫度(3)平均分子量(4)分子量分布在平均分子量相等的條件下，分子量分布較寬的物料擠出行為較好，發生熔體破裂的臨界剪切速率較高。平均分子量大的物料，松弛時間較長，容易發生熔體破裂。(5)填料無論是添加填充補強劑還是軟化增塑劑，都有減輕熔體破裂程度的作用。（四）避免或減輕熔體破裂的措施(1)適當降低分子量，加寬分子量分布；(2)適當升高擠出溫度；(3)稍微降低擠出速度，并使速度分布均勻；(4)用喇叭形的口型；(5)在口模上加一擋板，破壞旋轉流動；(6)加入填充補強劑，可降低彈性，減輕破裂；(7)擠出后適當牽伸，可減輕或避免破裂。§7.6思考題1．擠出破裂是如何產生的？擠出破裂受哪些因素影響？一．現象和本質及表示方法七、彈性記憶效應1．現象和本質這種擠出物的尺寸和斷面形狀與口型不同的現象，膨脹——收縮現象，稱為彈性記憶效應，或稱離模膨脹，又稱巴拉斯效應。2．原因一是入口效應。二是膠料在口型中的剪切流動也伴隨有彈性變形，從而產生膨脹收縮現象。在恒切變速率下，物料的彈性回復行為取決于它在口型中的停留時間。