用挤出法论证幂律模型

挤出机既存在于单螺杆设计中, 后者在工业上更常用。可聚合物包括 PVC、聚乙烯、聚丙烯、烯烃共聚物和 ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯). 较薄的形状, 如薄膜或薄壁 (如, 牛奶瓶) 通常是通过吹塑成型而形成的。复杂的厚形状, 如车身零件, 通常是通过注塑成型形成的。然而, 挤出机仍用于将聚合物注入注射模中。

挤出机 (图 1) 由圆柱形腔 ("桶") 和电阻发热元件和螺旋螺钉组成, 其沿中线旋转。螺杆的通道 (之间的航班) 是广泛的馈线端, 以促进混合和融化, 但他们的宽度减少沿长度, 以促进压力积累到模具。飞行的高度也增加了, 所以飞机和枪管之间的间隙很小。该螺钉的设计, 以确保从馈线稳定的运输, 允许体积减少, 因为颗粒融化, 建立压力, 并通过模具运输熔体。

图1。挤出机总成示意图。TIC = 温度指示的控制器, PI = 压力指示符。该模具是圆柱形的, 直径12.5 毫米长2毫米。

聚合物熔体的流动行为随剪切速率、温度和压力而变化。流体粘度随剪切速率和温度的增加而减小, 而不是牛顿。这一特性 ("粘弹性") 在加工和设计方面非常重要。¹²

聚合物熔体的粘弹性行为由幂定律模型描述, 它包含两个经验常数, 即粘度的模量, m和索引的n。参数m是一个很强的温度函数, 而参数n可能随温度而变化。在大范围内, 参数也会随剪切速率而变化。在模切应力 (z 方向的流动, 在 r 方向上的应力传播) 的幂律模型是:

(1)

当这个方程的应力被取代 z 方向的运动方程, 只有τ的_rz粘性应力和 z 压力导数保留 (左手边惯性术语是微不足道的大多数聚合物流动, 因为粘度是如此之高), 有结果的一个普通的微分方程, 可以解决产生:

(2)

其中 p 是压降通过模具, 而 L 和 R 分别为模长和半径。

用幂律模型计算了 Q 与 p 的关系, ir 在简单几何的管道中采用简单的形式, 在这种情况下就是模。从流量、速度和温度测量等方面计算了幂律常数和其他量, 如剪切速率、剪切应力和滑移程度。在图 2中显示了代表性数据和通过线性回归对公式 2的拟合。数据横跨以下范围: 质量流程 = 11-28 g/分钟, 切变率 (在墙壁) = 35-八十五年代^-1, 粘度 (在墙上) = 760-460 Pa·s。

图 2: 描述压力 (P) 与流速 (Q) 之间关系的结果.

线性回归适合是好的 (R² = 0.9996)。然而, 为了将线性回归应用于等式 2 , q 到 q 的对数比₀ (q₀可以是任何数据点, 但这里使用的最低 q 值) 被回归, 失去了一定程度的自由度。这不是非线性回归的情况, 这表明非线性回归应该给出一个更好的适应。根据实测数据, 计算了粘度的幂律指数和弹性模量。幂律指数 (n) 被确定为 0.42, 而粘度 (m) 的模量被确定为 2.2 x 10^-2 MPa * sⁿ。

流速对模具膨胀率有一定的影响。然而, 增加流速对聚合物滑动没有影响, 至少对数据在图 3。

图 3: 容积流速 (Q) 与转速之间的关系

聚合物挤出由熔融聚合物树脂开始, 通过料斗进入挤出机。熔融聚合物的流动取决于物质的粘度 (剪切应力与剪切速率的比值)。聚合物从模具中离开, 并形成所需的尺寸。聚合物的流动预计将遵循幂定律模型。

在这个实验中, 幂定律模型的力学, 包括它如何与 z 方向的运动方程相结合, 来分析非牛顿流体的流动, 以及对螺杆速度和 T 的响应的流动和粘度的变化有多大观察.粘弹性流体有幂定律指数 < 1, 而对于牛顿流体, 该指数为1。这表明随着速度的增加, 粘度降低, 熔体流动所需的功率/质量降低。

挤出是制造多种管材、薄膜、电线绝缘、涂料及其它塑料制品的主要工艺。¹可产品包括聚氯乙烯 (PVC), 通常用于管道、聚乙烯及其共聚物, 通常用于包装、聚丙烯、ABS、缩和丙烯酸。¹

挤出是一种将聚合物转化为简单形状的有效工艺。然而, 许多挤出机也能将非高分子材料与聚合物混合。通过飞行的螺旋流动促进有效的混合。这种非高分子添加剂包括增塑剂 (用于降低粘度的有机化合物, 使产品更加韧性)、抗氧化剂和阻燃剂。即使是无机填料, 如碳、粘土和滑石, 也可以在限制范围内添加 (因为它们不熔化)。填料修改最终产品的力学性能, 通常会使其具有更强的韧性。

其他挤出工艺, 如吹膜挤出和过度套挤出, 可以创造独特的产品, 但他们更专门为有限的产品范围。挤出机的关键用途是将产品送到吹塑或注塑。注塑成型使各种复杂的产品, 从汽车车身和下罩件到玩具的齿轮。套挤出是用来涂电线, 而管材挤出 (环形模具) 创造工业和住宅管道。塑料板是由流动的模具, 看起来类似于衣架。¹

挤出机也经常用于食品加工。面食、面包和谷类等产品都是大量挤出的。淀粉是最常见的加工食品挤出由于其水分含量和黏度的轮廓。塑料挤出过程中的熔融成为食品生产过程中的蒸煮工艺。其他通过挤出生产的食品是点心、曲奇面团和宠物食品。

材料列表

名称	公司	目录编号	评论
设备
单螺杆挤出机	SIESCOR		3/4"直径螺钉、L/D 比 = 20
lldpe	道琼斯	LLD2	替代聚合物到 BA50, 熔化温度 = 191 °C, 球墨铸铁 = 0.930
高密度聚乙烯共聚物	埃克森	Paxon BA50	熔化温度 = 204 °C, 球墨铸铁 = 0.949
¼ HP 直流电机	米纳里克		单减蜗轮蜗杆减速机, 比31:1