试验结果与讨论
图4比较了三种螺杆在不同转速下的挤出量的变化。对于本次挤出LDPE,三种螺杆的挤出量均随着螺杆转速的增加而呈线性增长 ,其中具有Maddock螺旋混炼段的屏障型螺杆的挤出量始终大于其它两种螺杆,符合以前有关螺杆结构与其“动态性 ”能关系的量化研究结果。 单螺纹螺杆中。具有突变压缩段的单螺纹螺杆的挤出量大于具有渐变压缩段的单螺纹螺杆 。
图5比较了三种螺杆的单位质量聚合物的能量消耗 ,可以看出,三种螺杆的单位能量消耗均随着挤出量的增加而下降 ,即从螺杆低转速时的2400J/kg到螺杆转速超过时的 。螺杆低转速时80rpm时的1000J/kg。螺杆低转速时（10 – 50rpm）,屏障型螺杆的单位质量聚合物
的能量消耗小于单螺纹螺杆 ,但是随着螺杆转速的增加 ,其能量消耗大于单螺纹螺杆。在温度不变条件下 ,挤出物质量必须考虑能量消耗。
图6比较了三种螺杆在不同转速下的模头熔体压力变化。由于采用具有相对较大横截面的模头 ,在三种情况下模头压力均较低 。单螺纹螺杆挤出时 ,模头压力在转速范围内呈线性方式增长。两种单螺纹螺杆结构中,具有突变压缩段的单螺纹螺杆产生的压力较高。螺杆低转速时,屏障型螺杆产生的模头压力高于单螺纹螺杆 ,但是螺杆转速超过80rpm时 ,其产生的模头压力比另外两种螺杆低。这与温度对熔体粘度的影响有关,因为高螺杆转速时 ,屏障型螺杆的塑化能力与其它两种螺杆相比具有很大差别 ,这将在一面作全面讨论。
采用热电偶栅极 的数据测得流入模头的熔体平均温度 ,如图7所示 。可以看出三种螺杆的塑化性能(由设定温度与测量温度的相近性定义)及挤出机产量超过一定值后对熔体的塑化能力有很大不 同 接下来考虑的熔体温度均匀性是塑化能力的另一指标 。螺杆最低转速为10rpm时 ,三种螺杆的平均塑化温度相近 ,约为 208℃。对于单螺纹螺杆 ,转速增至30rpm时 ,平均熔体温度随之升高,然后随着螺杆转速增加 ,平均熔体温度徒然下降 ,螺杆转速增至100rpm。时,平均熔体温度下降到198℃。对于屏障型螺杆 ,螺杆转速在10 – 30rpm 。范围内,平均熔体温度略有下降,然后随着螺杆转速增加而上升。在螺杆转速为100rpm时,平均熔体温度增加到最高值210℃。通过热电偶测得的温度分布中的熔体温度的差异表明,增加屏障螺棱和混炼元件可提高螺杆的塑化性能。
图8一 10表示螺杆转速分别为10rpm、50rpm、100rpm时 ,在垂直熔体流动中心线模头入口处平均每1min间隔测量的熔体温度分布。分别代表低 、中、高三种挤 出机产量螺杆最高转速为10rpm)的熔体温度分布 。对于螺杆转速10rpm为 。的三种螺杆的温度分布曲
线 ,温度从机筒壁处的196℃增加到中心线处的215℃,曲线呈扁平状 ,三种曲线形状相似相对扁平状的温度分布曲线表明每种情况下的塑化均匀性良好。而屏障螺杆的温度分布曲线略微不平 。螺杆低转速时(体积产量低)只要有充分的时间塑化聚合物 ,产生的热主要取决于螺杆与机筒的热传导。低转速时,模头壁的温度也受到很大的影响,将模头壁的设定温度提高将有助于形成更为均匀的温度场。
螺杆转速在10rpm到rpm范围内时 ,可观察到熔体流中心处的温度增加 ,但是模壁与中心线之 间的中间“肩 ”区的温度下降。三种螺杆均出现此种现象 ,但是屏障型螺杆的温度下降程度较小,没有造成平均温度的整体下降。图9表示螺杆转速为 时的熔体温度分布。此时 ,三种曲线的扁平形状有所减少 ,在垂直于流动方向距流动中心线约10一 15mm处出现 “肩 ”区。从图中看出,(a)、(b)非屏障型螺杆的最高塑化温度高于(c)。此种类型的曲线归
因于不 同部分 的聚合物 塑化的原因不同螺杆表面沿中心线方向流动的聚合物与高温度的螺杆接触受热传导作用与模壁接触的聚合物的温度最低 ,流动最慢 ,受模壁的传导影响最大,因此受模壁的设定温度影响 其它聚合物的塑化来 自于螺棱间的熔池。经观察,熔池区的最低温度出现在曲线(b)中,此螺杆具有最陡的压缩段。这是由于本次试验所使用的的LDPE热学特征(如塑化行为)更适于具有渐变压缩段的螺杆。
图10表示螺杆转速为10rpm时的熔体温度分布 。可观察到屏障型螺杆的温度分布与其他传统螺杆有显著不同。非屏障型螺杆的温度分布呈 “W”形状 ,均具有低温区 ,这是固体床延迟融熔的结果。已有的研究己证明挤出过程中的相似的温度分布,但是过去受测量精度的限制 ,本次试验通过采用热电偶栅极测量精度有所提高。由于屏障型螺杆的屏障和螺旋混炼作用迫使进一步塑化 ,其温度分布曲线较为平滑 。最近发表的研究数据采用非嵌入式荧光技术对屏障型螺杆与非屏障型螺杆的螺槽中的温度分布进行了分析。测量到的温度分
布曲线与本次试验在螺杆下游测量结果相近。为了进一步理解温度分布的生成 ,采用与无因数准数分析组热传导、热对流、生热在塑化过程中的相对作用 。在不同加工条件下的与 。准数大小表明聚合物塑化的热来源 ,如来自机筒壁的热传导或通过电机功率产生的粘性剪切。准数表示 向 沿螺杆长度中心线方向的热传递作用 ,其定义为
毛细管流变仪对不同模壁剪切速率下的剪切粘度进行测量 ,计算用全部数据见表1。螺杆转速为10rpm时 ,Graetz准数和Griffiths准数值均小于1 ,表明此时传导为产生热的主要形式。
因此,螺杆计量段的熔体温度主要由计量段螺杆表面及机筒壁的温度确定 。螺杆转速为20rpm-40rpm 时 ,Graetz准数增加到1以上 ,而Griffiths准数与Graetz准数之比小于 。这表明此时传导、对流 、粘性剪切生热均对塑化温度有影响。螺杆转速为100rpm时 ,Griffiths
准数和Graetz准数大约为9和6,这表明此时沿流动方向上的对流是螺杆塑化段产生热的主要方式,正如 所证明过的。此时,生热受机筒壁温度的传导作用要小于物料先前己有的热量递作用 。这些分析有助于解释图7 一 10中观察到的试验数据 ,结果表明,当螺杆转速超过 时,
在单螺纹螺杆中出现的温度下降是由于螺杆计量段前的塑化性能造成的。
表1单螺纹挤出机螺杆计量段Graetz、Griffiths无因次准数计算相关数据表 毛细 管流变仪粘度测 量值 温度200℃模壁温度的热传导对熔体温度分布的影响如图 所示 ,数据通过置于模头入口和螺杆尾部的两个热电偶栅极在相同的加工条件下(螺杆转速为50rpm测量而得 。可以看出 ,由于测量位置的直径不同模头出口为口处 ,螺杆尾部
为 处 及缺少模壁温度数据 ,温度分布有一些差别,但是曲线的形状非常类似。两种情况下 ,
最高温度均发生在流动中心位置 ,数值也几乎相同。这表明了本次试验测量到的温度场是螺杆塑化的原因 ,熔体流入模头后 ,并没有发生变化,不过模壁温度对模壁附近的材料区温度场有一定影响,这取决于相关的温度值及同模壁接触的时间长度。
图8一11所示数据为平均每隔1min测量到的数据 。然而 ,当以频率为1HZ或更高频率观察时 ,可得到试验过程熔体温度及压力出现波动。图13表示螺杆转速为 时 ,三种几何形状的螺杆在流动径向方向距流动中心 处测量到的的熔体温度分布。可以看出,屏障型螺杆熔体温度最为稳定 ,平均温度为205.49℃,其变化系数(C.V.)为0.90%,单螺纹螺杆 的熔体温度波动很大 对于渐变单螺纹螺杆平均温度为203.37,C.V.为1.01%)这表现 了采用突变单螺纹螺
杆加工高质量产品如薄膜时可能出现问题 ,同时再次显示了屏障型螺杆的良好性能。相应的压力波动数据如图14所示。可以看出,挤出过程中屏障型螺杆模头产生的压力最高 ,压力波动最小 最高
压力1.57bar ,波动0.24)。与熔体温度波动一样,突变单螺纹螺杆的压力波动最大 ,为1.76%。
对于温度和压 力波动两种情形 ,在5一 10秒的时间周期内,伴随机频率时出现的波动小于螺杆转动频率时的波动。中间频率时出现的不稳定性将造成螺杆塑化不良,这与图8一 10所示的温度分布有关。图13、14表明,同性能良好的屏障型螺杆相比,高产量挤出时,单螺纹螺杆几何形状对物料的塑化效果不好。
本次研究证实 ,由于熔体温度值除了与机筒和模壁设定温度有关以外,还与螺杆类型和挤出机产量有很大关系,因此 ,为了提高聚合物的塑化效果、挤出效率和产品质量 ,需要考虑螺杆几何形状。因为模头入口处的熔体粘度将沿料流径向变化 ,熔体流动表现出较大的温度波动的径向区(从料流中心线到模50%一 90%的距离 对模头设计具有重要的影响。
结论
采用了热电偶栅极监测单螺杆挤出机模头入口处的流动熔体的温度分布。观察到螺杆转速对熔体温度有很大影响 。熔体流动速率较低时 ,熔体温度主要决定于传导热 ,高挤出量时,
主要反映出熔池与固体床熔融机理。此外 ,发现螺杆几何形状对熔体温度分布也有很大影响 ,尤其是具有屏障螺棱的螺杆在高转速时可提供最好的塑化条件。本次试验所采用的单螺纹螺杆在高转速时不能有效地塑化 ,将产生具有低温“肩 ”区的不均匀的塑化 ,这与固体床塑化不 良有关。试验还发现单螺纹螺杆表现出较大的熔体温度与压力波动 。
