注射理论与设备 第二章1

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'注射理论与设备 第二章1'
(硕士研究生非学位课程)§1 概论§2 塑化计量过程§3 注射充模过程§4 增密与保压过程§5 倒流与冷却定型过程 §1 概论§1.1 预塑计量过程◆高聚物在料筒中进行塑化的过程: 把固体粒料或粉料经过加热、压实、混合, 从玻璃态转化成均化的粘流态。◆均化:聚合物熔体温度均化、粘度均化、密度均化 和组份均化。◆重要特征:聚合物的热机性能,影响预塑过程的重要 因素是热能输入和转化条件。◆三种输入方式: 1)外加热 2)内加热(剪切热和摩擦热) 3)前两种加热方式的组合 ◆预塑时的能量平衡条件:Q总热=Q对流+Q传导+Q剪切+Q摩擦 §1 概论§1.1 预塑计量过程◆预塑时影响聚合物熔体塑化质量的因素: 1)工艺参数(T机筒、S螺杆、n螺杆、p背压、s计量) 2)聚合物热物理性能和流变性能有关的参数 3)螺杆、机筒的几何构形及制造质量◆塑化过程追求的主要指标是: 1)塑化质量 2)计量精度 3)塑化能力 §1 概论§1.1 预塑计量过程 §1 概论§1.2 注射充模☆注射充模过程:把计量室中预塑好的熔体注入到模具型腔中。☆两个阶段: 注射阶段与保压阶段。§1.3 冷却定型及过程☆冷却定型过程:从浇口“冻封”开始至制品脱模为止。☆特点:温度表现是主要的。☆研究注塑过程的目的: 1)根据物料和制品调整好注塑工艺参数; 2)控制好注塑制品质量。§1 概论 §2 塑化过程一、柱塞式塑化:过程与特点 柱塞式塑化装置 1-料斗 2-料筒 3-分流梭 4-柱塞 §2 塑化过程二、螺杆式塑化:1.特点:第一阶段:1)短暂的挤出过程 2)螺杆旋转运动+后退直线运动 第二阶段:螺杆静止 油马达或 螺杆式塑化装置 §2 塑化过程二、螺杆式塑化:2.物料在螺槽中的变化 与挤出机类似:聚合物在料筒中从后部(入料口)到前部(喷嘴处)由于热历程不同,也有三种状态。 后部是玻璃态,前部是粘流态,中间是高弹态。与之对应的标准螺杆也分为三段:各段螺槽中物料状态不同。1)固体输送段(加料段)2)压缩段(熔融段)3)均化段(计量段)§2 塑化过程 §2 塑化过程 螺槽展开模型 O1O2—a1a2: 固体料区(Ⅰ区) b1b2--C1C2: 粘流态区( 区)a1a2—b1b2: 高弹态过渡区( 区) §2 塑化过程3、物料在螺槽中的吸热过程◆影响因素:1)固体料区(o1o2—a1a2):(1)传热过程:聚合物的导热性、热容量、密度、筒壁与物料 之间的温差、料筒温度(起重要作用)。(2)剪切与摩擦过程:螺杆旋转时部分机械能转化为热能(粘 度对剪切速率或温度敏感性以及固体料对筒壁的摩擦系数), 螺杆转速起重要作用。2)熔体料区(b1b2—c1c2):温升主要靠剪切功。 ? ? 2 τ-剪应力,γ?-剪切速率 W? ? ? ? ? ? ? η-表观粘度´ ? ?Dn ? ? 60h D-螺杆直径,h-槽深,n-螺杆转 速。 §2 塑化过程3)熔融区: 由于注射螺杆预塑过程的间歇性和复合运动,使压缩段的熔融机理与连续旋转下的挤出机熔融机理有很大区别,主要表现在固体床的物理模型上。 §2 塑化过程4)注射螺杆的一个螺槽与挤出螺杆的区别: 挤出螺杆:工艺条件稳定,固体床的状态稳定; 注射螺杆:流场、温度场、密度场、应力场比挤出有更大 的不稳定性。 §2 塑化过程5)注射螺杆塑化时产生较大轴向温差 (工作不连续并有轴向移动):◆实验曲线表明:螺杆预塑时,熔体的轴向温差与螺杆行 程、螺杆转速有关。 §2 塑化过程轴向熔体温度与螺杆行程关系图 §2 塑化过程4、固体输送过程:1)固体输送段的压力分布 假设加料段的螺槽内被固体料充满形成均衡而密实的弹性固体塞,取一段固体塞做分离体,作用在这个固体塞上的外有:◆螺棱推力面的法向反力(P1)◆料筒壁沿切线方向作用的摩擦(P2)◆两螺棱侧面作用的摩擦力(P3)◆在螺棱推力面法向分力引起的摩擦力(P4) Pz= P◆螺杆底面作用的摩擦力(P5) 2◆阻止固体塞运动的反压力(P6) Ps=P3﹢P4﹢P5 , Pz= P2 , Pn= P1 , Pp= P6 §2 塑化过程 4、固体输送过程: 1)固体输送段的压力分布 根据平衡条件: Pz+Pn+Ps+Pp=0 微分形式: dPz+dPn+dPs+dPp=0 固体输送段的轴向压力分布函数: Wfb cos?? fs (W ?2h?Wfb sin?)Pl ? P0 ?exp[ ]l Whsin? W ??Dsin??W' §2 塑化过程4、固体输送过程:1)固体输送段的压力分布 §2 塑化过程 4、固体输送过程: 2)固体输送段的输送能力(从固体料塞在螺槽的运 动分析中得到)*合成速度: ? ? ? Vw ? Vb ?Vs*轴向合成速度: Ve ? Vw sin(? ??) sin? sin? Vw ? Vb ? ?Dn sin? sin?*固体输送段的输送能力: Wh G L1 ? V e1 ? ?DWhn cos ? (1 ? tan ? cot ? ) sin ? §2 塑化过程4、固体输送过程:2)固体输送段的输送能力 ω=φ时,GL1=0,Vs=0; 最大输送效率时,螺旋角 φ和输送角ω应满足下式: cos 2 ? ? 0.5 ? cot ? sin 2? W ? 2h fs cos ? max ? fs sin ? max ? ? W fb (? ? ? ? 90 ? ) 当fb达到最大等于 1时, fs与?之间的关系如右图, 常见 fs=0.25 ~ 0.5, 则?=17 ? 40‘ ~19 ? cos 2 ? ? 0.5 ? cot? sin 2? §2 塑化过程 W ? 2h fs4c、os固?体m输ax?送f过s s程in:? max ? ? W fb2)固体输送段的输送能力 (? ? ? ? 90? )当fb达到最大等于1时, fs与?之间的关系如右图,常见fs=0.25 ~ 0.5,则?=17? 40‘~19? §2 塑化过程 5、熔体的输送过程 1)速度分布: Navier—Stokes运动方程可简化为: M (t) ? G (n ? p ? t) ? f (t) 2 d Vz 1 dP ? ? dy 2 ? dZ上式进行2次积分并对y采用边界条件后得Vz: 2 V 0 y hy ? y dP Vz ? ? ? ? Vzd ? Vzp h 2? dZ §2 塑化过程5、熔体的输送过程 §2 塑化过程5、熔体的输送过程◆ Vzd与Vzp — 沿z方向的速度分布: 当Vzd/Vzp=a不同时,速度分布不同。 §2 塑化过程2) 输送能力:当不考虑螺棱漏流时,计量段的熔体输送率GL3 由正向流Gs和反向压力流决定,即: 3 V 0Wh Wh dP G L 3 ? ? 2 12? b dZ 式中: W ? (?D tan ? ? e) cos ? ? ?D sin ? ? e cos ? V 0 ? ?Dn cos ? dZ ? dl sin ? §2 塑化过程计量段熔体的总流率为: ? 2 D 2 hnsin? cos? ?Dh3 sin 2 ? GL3 ? Gs ? Gp ? ? ? Pb 2 12?hL3计量段最高输送能力要比固体输送段的最高输送能力低50%左右。 当 ? 时, ?= ? ‘ GL3 max 1 S Ds 17 42 ? cos2 ?, G L 3 max GL1 max 2 =46 .5%
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