塑料熔融

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第31页（2336字）

塑料在挤出机中，一方面，由料筒外部加热器传递热量；另一方面，塑料与料筒之间的摩擦及塑料分子间的内摩擦产生了大量的热量。于是，塑料的温度不断地升高，此时，塑料的力热学状态由玻璃态逐渐转变为高弹态，再由高弹态逐渐转变为粘流态。在这一阶段，螺杆中塑料的固体和熔体共存的区域称为熔化区，然而，它与螺杆的压缩段并不相一致，见图2－2。

图2－2 螺杆展开图

1－固体 2－熔体

由图2－2可知，螺杆的加料段、压缩段和计量段(也称为均化段)是人为设计的，而成型过程中螺杆的固体区、熔化区和熔体区是客观存在的，螺杆的三段与三个区域人们希望一致，实际上不可能完全一致。螺杆的这三个区域是根据冷却实验得出来的。

根据冷却实验，塑料的熔化过程是这样进行的：密实的固体床在前进中与已加热的料筒接触，熔化即从接触部分开始并在料筒的内表面形成一层熔体膜。由于料筒内表面对螺杆和固体床的相对运动，在料筒与固体塞之间所形成的熔体膜内产生速度分布；当熔体膜的厚度(δ₁)超过螺杆与料筒的间隙(δ)时，熔体就会被螺棱“刮下”，并将熔体送到螺棱的推进面而形成熔体池，在螺棱的后侧仍为固体床，见图2－3。这样，固体床在沿螺槽向前移动的过程中，其宽度(X)逐渐减小，熔体池的宽度逐渐增大，最后，固体床完全消失，即塑料完全熔化。

图2－3 固体床熔化过程示意图

1－熔池中的环流 2－料筒 3－固体床 4－螺杆

在稳态挤出中，固体床是均匀的，可变形的和连续的，它以恒定的速度(v_sz)沿螺槽移动，且与螺槽长度(Z_I)无关；塑料具有恒定的性质(包括熔体粘度)；熔化是在固体／熔体的界面上进行。Tadmor等人从守恒方程出发，推导出固体床在单位螺槽距离上的熔化速率(ω)，固体床分布(X／W)和熔化速率长度(Z_T)的数学表达式。这些公式对于合理设计挤出机，对于控制挤出工艺都有重要的意义。

1．固体床熔化速率

固体床的熔化速率可用式(2－2)表示。

式中：ρ_m和k_m分别是熔体的密度和导热系数，T_b，T_s和T_m分别是料筒温度进料时塑料温度和塑料熔体温度，C_s是固体床的热容，v_bx是料筒速度(v_b=πDn)在螺槽模向的分量，v_j是v_bx与v_sz矢量的总(v_sz是固体床沿螺槽方向的移动的速率)，λ是熔化热。

由Φ表示的变量群是熔化速率的一个量度，Φ值大，则熔化速率高。式(2－3)的分子正比于熔化时供热的速率，其中k_m(T_b－T_m)来自料筒的热传导率，(μ／2)vj²表示剪切所产生的热，分母则正比于塑料从进料时的温度(T_s)变为熔体温度(T_m)时所需的热量。

2．固体床宽度分布

对于等深螺槽(H₂≤H₁)，固体床宽度分布可用下式表示：

在Z=0表示熔体池开始形成，这时X=W。Φ是无因次数群，它表示单位面积的熔化速率ΦW^1／2／W与沿螺槽固体质量通量v_sz·ρ_s之比［开始处的v_sz是由质量流率(G)获得的v_sz=G／(ρ_sH₂W)］：

从式(2－5)可见，等深螺槽中固体床的分布呈抛物线。令X=0，可获得熔化区的长度Z_T：

从式(2－6)可以看出，熔化区长度与ψ成正比；也就是说，它与质量流率成正比，与熔化速率成反比。很明显，通过Φ的变量群，可以估算不同操作条件对熔化区长度的影响。因此，当流率不变时，螺杆转速的增加将引起熔化速率增加，因为不仅v_bx增加，也使剪切热增加。料筒温度的升高，先使熔化速率增加，因为热伟导项k_m(T_b－T_m)加大了，但因料筒温度的提高会使熔体膜粘度下降，从而使剪切热减少，因此，就存在着对应于最大熔化速率的最佳料筒温度。另外，进料时温度T_s的升高可提高熔化速率，从而缩短了熔化区的长度；但T_s的升高对固体输送不利。

对于恒锥度(A)的螺槽()，固体床分布和熔化区长度分别是：

同Z_T=2H₁／Φ比较，锥形螺槽中的熔化区长度总比等深螺槽的熔化区长度短些。锥度越大，熔化区长度越短，但有一个允许的锥度限。因为大的锥度可能导致固体床宽度趋向于增加，进而导致螺槽堵塞；固体床加速一般还导致挤出波动(即温度、压力和流率随时间而变化)。

有关资料的计算表明，对于恒锥度螺槽，在大多数情况下的Z_T的长度要有(9～10)D，也就是说，压缩段的长度是螺杆直径的(9～10)倍，见图2－4。由此可见，突变型螺杆从熔融理论上是不成立的。

图2－4 由冷却实验所确定的固体床宽度曲线