混合理论与新型螺杆的混合机理.ppt
2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,1,混合理论和新型螺杆的混合机理,主讲：马秀清,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,2,一、混合理论,混合机理及混合分类 非分散混合 分散混合,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,3,混合理论及混合分类,混合的概念：混合是一种操作，是一个过程，是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作过程，或者说，混合是这样一种过程：在整个系统的全部体积内，各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,4,混合机理和混合分类(续),混合理论：根据Brodkey的混合理论，混合涉及到三种基本运动形式：分子扩散、涡旋扩散和体积扩散。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,5,混合机理和混合分类(续),分子扩散：是指由浓度梯度驱使自发地发生地一种过程，各组分的颗粒由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域。主要发生在气体和低粘度液体中。注射成型过程中颜料、发泡剂、抗氧剂等低分子物质与聚合物的混合中。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,6,混合机理和混合分类(续),涡旋扩散：也就是紊流扩散。在化工过程中，流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的。注射成型过程中，不希望发生紊流，同时物料粘度较大，很少发生涡流扩散。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,7,混合机理和混合分类(续),体积扩散：即对流扩散。是指流体质点、液滴或固体离子由系统的一个空间位置向另一空间位置的运动，或两种或多种组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均布。体积对流混合：通过塞流对物料进行体积重新排列，需要物料连续变形，可以是无规的，也可以是有序的；层流对流混合：即层流混合。通过层流使物料发生变形，混合中，物料受到剪切、拉伸和挤压作用。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,8,混合机理和混合分类(续),混合过程的要素：剪切 分流、合并和置换 挤压(压缩)拉伸 集聚,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,9,混炼三要素P-压缩 S-剪切 D-置换,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,10,剪切,拉伸,断裂,碰撞集聚,共混分散过程示意图,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,11,剪切的作用,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,12,混合前的分流配置与混合后的分流配置,当x方向分流数m=3，y方向分流数n=3时混合前后分流的配置情况,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,13,混合机理和混合分类(续),混合的分类：按混合形式分类：非分散混合和分散混合，或广泛混合和强烈混合。按物料状态分类：固体/固体混合、液体/液体混合和液体/固体混合。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,14,无规的(左)和有序的(右)分布性混合,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,15,a,b,c,d,a+bc 非分散混合a+bd 分散混合,非分散混合和分散混合,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,16,混合难易程度的比较,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,17,非分散混合,分布性混合：分布性混合分有序分布性混合和无规分布性混合。有序分布性混合用条纹厚度表征混合物的混合状态和混合过程，而无规分布性混合通常用整体均匀度来表征。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,18,1、有序分布性混合：(1)对同心圆筒混合器：,式中：r为条纹间隔(厚度)；n为内筒累计转数；L为外筒内面和内筒外面径线方向的距离，即着色线的长度。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,19,(2)长方体混合模型 如图，长为L、宽为W的条纹层堆积成高为H的立方体。条纹数为n，则所包围的面积A为：A=2nLW 立方体的体积为V：若V、A一定，则,结论：条纹厚度(间隔)越小，混合越好。只要将条纹厚度减少到任意所需要的值，就可以达到所希望的混合水平。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,20,剪切变形量,(3)平行平板间的剪切层流,结论：变形后的条纹厚度与剪切变形量成反比。熔体承受的剪切变形量越大，混合越均匀，当条纹厚度趋于零时，可获得均匀的混合物。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,21,2、无规分布性混合：无规分布性混合不易表征，通常用总体均匀度表示。总体均匀度是一个统计学概念，是一种表征，对螺杆设计不具指导意义。在此不赘述。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,22,层流混合1、流变性均匀流体的层流混合,简单剪切流场中表面元素C的变化,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,23,结论：界面的增加是初始取向和总应变的函数。,讨论：当界面初始取向是yz平面时，这时界面与剪切流方向垂直，这时界面的增加获得最大值；当界面初始取向是xy平面时，这时界面与剪切流方向平行，这时界面虽有变形，但面积保持不变；当界面初始取向是xz平面时，这时界面与流动方向平行，这时界面没有变形。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,24,对三维流动：,结论：在简单剪切流动中，以大应变无规则取向的表面系统的总的最终界面积与总的初始面积的比是施加到液体上总应变的一半。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,25,图a，少组分未横过所有流线，界面平行于剪切方向，最终没发生混合。图b，少组分在垂直于剪切方向的界面处横切所有流线，混合很好。图c，少组分的界面只横切部分流线，只实现部分混合。图d，将A、B两种流体置于同心圆筒混合器中的不同情况。如果A、B两种流体的界面垂直于流线，则混合得很快，否则混合得很慢。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,26,结论：简单剪切流不能重新排列界面取向，因此在这种流动中界面面积的增加并不是最大的，混合效果并不是最好的。如果能使界面取向不断地调整，或不断改变剪切方向，就可以得到更大的截面面积的增加，从而得到良好的混合效果。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,27,2、流变性非均匀流体的层流混合 不同牌号的同一种聚合物的混合；同一种聚合物两种组成部份(其中一部分含有不同的添加剂)的混合；不同聚合物的混合；把一种较低分子量的液体组分混合到一种聚合物中去的混合；热致非均匀系统的混合。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,28,以平行平板混合器为例讨论多组分与少组份的粘度比对剪切应变的影响。假设：(1)、下板固定，上板以速度V移动；(2)、少组份被夹在两层多组分之间，均为不可压缩的牛顿型流体，彼此不相容，忽略界面张力；(3)、两层间边界处剪应力是连续的。,流变性非均匀流体在平行平板混合器中的混合,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,29,结论：在少组分中得到的剪切速率 是粘度比 和 的 函数。当 增加时，下降，表明粘度比大，变形速率小。因此为了得到较好的混合质量，不能使两种组分的粘度相差太多，而应使其粘度相近或相等，即粘度相近原则。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,30,讨论：把高粘度的少组分混合到低粘度的多组分与把低粘度的少组分混合到高粘度的多组分中哪个容易哪个难？,结论：把高粘度的少组分混合到低粘度的多组分比把低粘度的少组分混合到高粘度的多组分难。这是因为要实现层流混合，两种组分就必须变形，而使放在容易变形的低粘度的多组分中的高粘度的少组分变形比使放在不易变形的高粘度的多组分中的低粘度的少组分变形更困难。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,31,分散混合,分散混合的目的是把少组分的固体颗粒和液相分散开来，成为最终粒子或允许的更小颗粒或液滴，并均匀地分布到多组分中。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,32,分散混合过程：1、在流场产生的粘性拖曳下，将大块的固体添加剂破碎为较小的粒子；2、聚合物在剪切热和传导热的作用下熔融塑化，粘度逐渐降低至粘流态时的粘度；3、较小粒子克服聚合物的内聚力，渗入到聚合物中；4、较小粒子在流场剪应力的作用下，进一步减小粒径，直到最终粒子大小；5、固相最终粒子在流场作用下，产生分布混合，混合均匀；6、聚合物和活性填充剂之间产生力-化学作用。,-使聚合物和添加剂粉碎-使粉状和粒状固体添加剂渗入聚合物中-分散-分布均化1-聚合物 2、3-任何粒状和粉状固体添加剂,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,33,物理模型：如右图。将两个连接在一起的颗粒抽象为两个小球，用连接杆将它们连接在一起，两个小球的半径分别为r1和r2，中心距为L，如哑铃状。假设哑铃位于不可压缩的牛顿型流体中，流体的速度场为均匀流场，哑铃的存在没有改变其附近流场，忽略布朗运动，小球半径不等。由于流场对每一个小球粘性拖曳的结果，在连接杆上形成力，该力取决于粘性拖曳的大小和哑铃的取向，当该力超过某一临界值时，两个球就分开，即粒子或结块就破裂。,固体颗粒在什么条件下破裂？,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,34,小球共受三个力：惯性力，是由加速度引起的；拖曳力，等于小球受到的粘性拖曳和速度差的乘积；连接杆上的力，是小球之间的相互作用力。这三个力使小球处于平衡状态。对每一个小球可写出一个平衡方程：,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,35,经过推导，若把坐标原点放在小球的中心，可求出作用在连接杆上的力：,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,36,新型混炼元件,分离型螺杆：结构特点：在熔融段增加一条副螺棱，将主螺纹槽分为两部分，在螺杆塑化过程中形成固液相分离，固相料全部留于固相槽中，而固相槽中的气体则在压力的作用下向后自料斗中排出，减少了制品中的气泡。同时增大了固相料与机筒内壁的热交换面积。主要作用：改进塑化质量，提高塑化效率。分离型螺杆相变点不会因螺杆转速的提高而向螺杆末端移动。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,37,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,38,屏障型混炼段：结构特点：在圆柱面上等距地开若干纵向沟槽，分为两组，一组为进料槽，其出口在轴向是封闭的，另一组为出料槽，其入口在轴向是封闭的，两组槽相间开设。主要作用：可促进未彻底熔融的物料熔融塑化，可提供高剪切，利于分散混合；物料通过屏障段时由一股变为几股，因而增加了界面；几股物料流出出料槽后又汇合在一起，利于位置的交换；进料槽和出料槽中的物料因机筒运动而产生涡旋，不断改变流动方向，对非分散混合有益。其混色及塑化效果都比较好。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,39,屏障型混炼段,屏障型混炼段中的涡流,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,40,其它形式的屏障型混炼段,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,41,DIS元件：结构特点：外形象塞子，其表面上加工出两组螺旋状进料槽和出料槽，但两组螺旋槽在圆柱面上不相通，而是靠通过塞子芯部按一定规律排列的连通孔把它们按一定次序连接起来。主要作用：物料进入DIS段后被分成了若干股，这种分流作用，增加了界面，各股料流的汇合和换位，造成了熔体维元在空间的再分布(处于进料螺旋槽中料流的外层物料，经过联通孔后进入出料槽时变为接近料槽底部的料层，而原来在进料槽底部的料层在出料槽中变成靠近机筒壁了)，这对分布混合是有利的。同时物料在进料槽和出料槽均会受到剪切，特别是当物料由联通孔流出时，其料流方向和剪切方向接近垂直，这也对混合有利。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,42,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,43,销钉螺杆：结构特点：在常规螺杆的熔融段或计量段的螺槽内或光滑圆柱形表面上以一定的排列方式设置疏密不等、数量不等的销钉，销钉可以是圆柱状的，也可以是方形或菱形的。主要作用：如果销钉是设置在压缩段，则销钉将会把固体床打碎，破坏两相流动，把固液相搅在一起，使未熔固相碎块与已熔物料的接触面积加大，同时对料流产生一定的阻力和摩擦剪切，促进熔融。如果销钉是设置在均化段，则其主要作用是分割料流，增加界面，改变料流方向，使流束重新排列，通过多次分流、汇合、改变流动方向而对熔体温度进行均化。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,44,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,45,波状螺杆：结构特点：在常规全螺纹螺杆上用一波状段代替某一全螺纹段。常规三段螺杆均化段的螺槽是等深的，而波状螺杆的螺槽深度是按一定规律周期性变化的，即由浅变深再由深变浅地重复几个循环。螺槽最浅处称为波峰，螺槽最深处称为波谷。这种波状段可以是单波的，也可以是双波的。波状螺杆能获得比常规螺杆温度均匀的熔体，可减少热敏性物料的降解，既具有分散混合能力，又具有分布混合能力。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,46,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,47,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,48,单波状段的混合作用：物料未进入波状段之前，在熔融段已形成固液相分开的稳定熔融状态，一旦进入波状段，该稳定熔融状态赖以存在的条件已不复存在，深度呈周期变化的螺槽将固液相分开的状态破坏，固体床很快解体，已建立的高压将原来以熔膜和熔池形式存在的熔体挤入解体的固体床碎块之间，高温熔体将固体床碎块的表面熔融，而其本身的温度却下降。螺槽深度的周期变化，使相对于物料移动的壁面对固体床碎块摩擦剪切、挤压，使之产生连续变形，而熔体很快通过波峰。由于波峰处剪切间隙很小，剪切速率很大，物料在此会受到进一步剪切、均化，如果添加有固体颗粒，在此就实现了分散混合。但固体碎块则不能通过波峰，只有当其软化变形才有可能通过，当通过该间隙时，在剪切热的作用下就熔融塑化。在波谷处的物料因螺槽较深，容积大，受到的剪切较小，压力较低，停留时间也较长，可实现分布性混合和热量的均化，物料的温度也不会升得很高。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,49,有附加螺纹的双波状段的混合作用：(1)两条螺槽深度得变化相差一个相位，一般为180，即一条螺槽的波谷与另一条螺槽的波峰相邻，且附加螺纹与机筒间的间隙比较大。(2)沿螺槽方向建立的压力，对一条螺槽而言，向着口模是逐渐增长的，但随着螺槽深度的周期性变化压力也呈现周期性变化，在波峰处压力较高，在波谷处压力较低。对两条螺槽而言，这种压力变化的相位也相差180(3)两螺槽间存在压力梯度，故一条螺槽中的熔体就会越过间隙较大的附加螺纹而流向另一条螺槽。物料流经该间隙时，熔体还可能受到一定剪切，获得少量附加能量而发生剪切变形。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,50,有附加螺纹的双波状段的混合作用：(4)由于附加螺纹的阻挡，未熔固体块不能通过其与机筒之间的间隙，而被限制在波谷中，进行着如单波段中类似的熔融过程，只有当其软化、变形后，才能通过波峰，在波峰处承受较高的剪切，从而熔融和塑化。(5)在物料沿双波段向前输送的过程中，在一个螺槽中要发生固液相的分离，在两螺槽间发生熔体的交换。两螺槽间熔体的交换和由此伴随的不同速度分布以及流束的连续分流和重新汇合，既因对流而增加了熔体质点的重新排列，也因剪切变形增加了界面的增长，因而有利于分布混合的进行，而波峰处的高剪切速率则有助于分散混合。因而可以说，波谷及附加螺纹间隙主要起非分散混合作用，波峰主要起熔融和分散混合作用。(6)相对其它螺杆而言，不仅可提高塑化能力，而且能增加混炼效果。适用于填料、颜料、及发泡等物料的注射成型。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,51,静态混合器：静态混合器是设在注射机喷嘴中的一组固定元件，它具有特殊的几何形状并按一定规律排列。由螺杆来的熔体及添加物在压力下通过这些元件时会被不断地分割成若干股，每股料流不断改变其流动方向和空间位置，然后汇合在一起进入口模。在这一流动过程中，各组分得到均化，温差也得到均化。,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,52,分析该螺杆的结构特点和混合作用：,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,53,Breaks up and disperses agglomerates of color or filler into nano-size particles using shear and multiple reorientations of the melt stream.,分析该螺杆的结构特点和混合作用：,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,54,Intensive,chaotic distributive mixing；ideal for processing materials with high levels of color,filler or reinforcement；Low shear；Smoothes out temperature variations.,分析该螺杆的结构特点和混合作用：,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,55,Efficient distributive mixing；Positive pumping action：fast purging，quick color changeover；Very low shear，minimal temperature rise.,分析该螺杆的结构特点和混合作用：,2023/9/26,注塑螺杆设计高级研修班,56,Improve color uniformity with excellent mixing and dispersion colorants；Enhance effects of additives,fillers and reinforcements on product properties；Debundle glass fibers with minimal breakage;Homogenize melt temperature;Allow faster material/color changeover.,分析该螺杆的结构特点和混合作用：,
