螺棱对熔体温度,能源利用的影响

作者:文/Frankland塑料咨询有限公司 Jim Frankland 文章来源:PT《现代塑料》2014年10月刊 发布时间:2014-10-24
从熔体温度和能量效率的角度来看,有关螺棱宽度和间隙设计的所谓经验法则没有考虑到温度的影响.本文以此为出发点进行了详细的分析解读.

从熔体温度和能量效率的角度来看,有关螺棱宽度和间隙设计的所谓经验法则没有考虑到温度的影响。本文以此为出发点进行了详细的分析解读。

螺杆设计的大多数讨论都集中在螺槽的深度上,以及螺杆是否具有一个屏障段、波纹段或混合器等等。在设计上,很少会提到有关螺棱的作用。通常为了方便,螺棱宽度和间隙的选择就以螺杆直径的约10%为螺棱宽度,螺杆直径的0.1%为径向螺棱间隙。但当螺杆直径小于5.08cm(2in)或大于25.4cm(10in)时,则可能不遵循这一做法。

一般而言,上述的有关螺棱宽度和间隙设计的经验法则会形成一个有效的面积来支持机筒中的螺杆,以及一个机械坚固的螺棱和螺槽之间足够的压降——当压力增加时,可极大程度地减少熔体的回流。但是,从熔体温度和能量效率的角度来看,这种概括则没有考虑温度的影响。

聚合物在螺棱间隙中的剪切可显著增加熔体温度和能量效率。剪切速率被描述为:Ÿ=DπN/h,其中D为螺杆直径,N为螺杆转速(r/min),h为螺槽深度或螺棱间隙。例如,一根直径为6.35cm(2.5in)的螺杆以100r/min的速度转动,螺槽深度为0.254cm(0.100in),螺棱间隙为0.00762cm(0.003in),则它在螺槽中的剪切速率为131s-1,在螺棱间隙中的剪切速率为4372s-1。

根据所计算出的剪切速率,以及图中提供的一个典型的剪切速率/黏度曲线显示的螺槽和间隙中的黏度比值约为3.5:1,可知螺槽和螺棱间隙中的最终黏度分别为350Pa·s和100Pa·s。

该比值越大或曲线的斜率越大,则黏性耗散在螺棱间隙中的作用就越小。黏度变稀的效果或该曲线的斜率通常用幂律系数来描述。对于普通聚合物,该系数的范围可以为0.2~0.8,详见表。幂律系数越低,聚合物越显示出非牛顿型且剪切变稀的现象发生的越多。

因为与螺槽相比,在螺棱间隙中有相对少量的聚合物,所以整体温度由于螺棱间隙的作用而上升,对于幂律系数小于0.35的聚合物,通常总黏性耗散会减少20%。然而,当使用L/D大的螺杆时,这种20%的黏性耗散减少则会很容易地被超过。这就说明,采用具有较大幂律系数的聚合物,螺棱间隙中的黏性耗散将成为一个重要的设计准则,不能忽视。

当然也有例外,甚至是对于具有低幂律系数的聚合物,如冷却螺杆、超敏感聚合物、多螺棱螺杆和混合元件。无论如何,认识螺棱间隙或混合段中的黏性耗散的影响应该是所有螺杆设计的一部分内容。挤塑研究人员Zehev Tadmor博士和Imrich Klein博士在他们的著作《塑化挤出工程原理》中指出,把进入挤出机螺棱间隙上的能量百分比表征为:(μf /μ) (H/W) (e/ δf),其中:μ为螺槽中的黏度;μf为间隙中的黏度;H为螺槽深度;W为螺槽宽度;e为螺棱宽度;δf为螺杆/机筒径向间隙。这个表达式中乘以螺槽和螺棱间隙中的黏度比值,以及乘以每个深度与宽度的比值的这个关系,就考虑到了剪切变稀的特性和螺槽与间隙中深度与面积的关系。

除了这种关系外,螺棱的螺旋角对螺棱间隙中的黏性耗散也有很大的影响,主要是因为它改变了螺槽的宽度。拥有剪切速率/黏度曲线对这种分析以及螺杆设计等诸多方面是必不可少的。

这对螺杆的性能意味着什么呢?利用上述分析,可以看出,螺棱宽度与螺棱间隙的比值是很重要的;并且从图中可知聚合物的剪切变稀特性可以用幂律系数描述也是非常重要的。螺棱越窄和螺棱间隙越宽,由黏性耗散引起的剪切发热在螺棱上发生得越少。幂律系数越低,螺棱上的剪切发热则越少对进入聚合物中的总能量作贡献。至于进入聚合物的能量,为了获得最佳的螺杆性能,对于具有较高幂律系数的聚合物,螺棱的宽度应该极小,螺棱的间隙应该极大。

同时这也涉及到能量效率,因为在螺棱间隙中,聚合物的剪切会导致其温度迅速上升。虽然该聚合物会快速地与螺槽中的聚合物混合,从而降低其温度并且防止降解,但它仍增加了整体的熔体温度。即使螺棱间隙中的聚合物在它离开螺棱间隙时被迅速冷却,但螺棱间隙中的温度在螺杆旋转时也是大致不变的。

螺棱间隙中的高温会把大量的热量转移到相邻的机筒中,因为它的导热性比周围的聚合物更大(约大200倍)。这就会导致机筒过负荷和机筒冷却系统的能量损失,从而降低了能源效率。

当然对于任意改变螺棱的宽度和间隙也有一些限制,但理解并检查效果可以解决很多加工问题。根据所计算出的剪切速率,以及图中提供的一个典型的剪切速率/黏度曲线显示的螺槽和间隙中的黏度比值约为3.5:1,可知螺槽和螺棱间隙中的最终黏度分别为350Pa·s和100Pa·s。该比值越大或曲线的斜率越大,螺棱间隙中的黏性耗散作用将越小(来源:Beaumont技术公司) 表 常用挤出聚合物的幂律系数

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