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第一篇 挤出工程基础 1

第一章 绪论 1

第一节 概述 1

第二节 螺杆几何参数和挤出过程 2

一、螺杆几何参数 2

二、挤出过程 3

(一)加料 4

(二)输送 4

(三)压缩 4

(五)混合 5

(四)熔融 5

(六)排气 6

第三节 挤出工程和挤出理论发展简史 6

参考文献 8

第二章 基础知识与基础数据 10

第一节 有关聚合物材料的基础知识 10

第二节 固态散粒体塑料的物理性能 14

一、固态散粒体塑料的真实密度、松密度、安息角和压缩率 14

二、塑料的内摩擦因数和外摩擦因数 15

第三节 塑料的热性能 18

三、比热容 19

一、熔点Tm 19

二、热导率 19

四、比焓 20

五、热扩散系数 21

六、诱导时间 21

第四节 塑料的流变性能 24

参考文献 31

第三章 可视化技术与实验方法 32

第一节 概述 32

一、固体输送模拟实验机 33

第二节 模拟实验机 33

二、固体摩擦和熔融模拟实验机 34

三、排气模拟实验机 35

第三节 静态可视化技术 35

一、骤冷顶出法 36

二、剖分机筒法 36

第四节 宏观动态可视化技术 37

第五节 微观可视化技术 38

参考文献 40

一、g函数群和ｆ函数群 41

第一节 研究领域——g函数群和ｆ函数群 41

第二篇 挤出理论 41

第四章 挤出理论物理模型 41

二、用数学分析方法进行理论研究的困难 42

(一)数学分析公式的复杂化 42

(二)多变量的交互影响难以考虑 42

(三)边界连接的困难 43

第二节 螺杆不冷却时的三段七区挤出物理模型 43

一、可视化实验 43

(一)关于固体塞(Plug)假设 43

(二)关于固相破碎 44

(三)关于固相运动速度 45

(四)关于熔体聚集位置 46

(五)关于相变点位置 46

二、三段七区物理模型 46

第三节 螺杆冷却时的挤出物理模型 48

参考文献 48

第五章 非塞流固体输送理论——固体输送段第一区 49

第—节 概述 49

一、料斗中物料压力分布 50

第二节 料斗压力分布和稳定流动的条件 50

二、料斗中物料稳定流动的条件 52

第三节 非塞流固体输送理论的物理模型及数学模型 52

一、物理模型 52

二、数学模型 54

(一)基本假设 54

(二)单元运动分析和受力分析 54

(三)速度和应力关系式——虚功方程的应用 55

(四)求解应力分布 56

第四节 非塞流固体输送的固相温度、能耗、转矩和轴向力 59

第五节 部分计算结果及其分析 60

一、计算时所需要的补充数据 60

(一)松密度与压力的关系 60

(二)散粒体的摩擦因数 61

(三)弹性模量、泊松比和热导率 61

二、螺槽中散粒体速度分布 61

三、摩擦因数对固体输送流率的影响 63

四、非塞流输送向塞流输送的转换 63

五、螺杆参数对生产率的影响 63

(一)固体输送生产率 65

二、计算结果与实测结果的分析比较 65

(二)固体输送段末端压力 65

六、摩擦因数对系统压力的影响 65

第六节 实验验证 65

一、实验装备 65

(三)固体输送段平均运动速度 67

参考文献 68

第六章 塞流固体输送理论——固体输送段第二区 69

二、运动与受力分析——Darmell-Mol理论基本方程 70

(一)运动分析 70

一、基本假设 70

第一节 塞流固体输送理论的流率和压力分布 70

(二)受力分析 71

(三)讨论 73

第二节 塞流固体输送理论的能量消耗及其分配 76

一、能量消耗 76

二、能量分配 77

(一)消耗在机筒内表面的能量 77

(二)消耗在螺槽底面的能量 77

(三)消耗在螺棱侧面的能量 77

三、关于能量分配的分析与讨论 78

(四)消耗在提高压力的能量 78

第三节 螺槽中固相的温升 81

一、固体摩擦产生的热量 81

二、固体塞温升计算 81

参考文献 84

第七章 延迟区理论——熔融段第一区(上熔膜区) 85

第一节 概述——延迟区特点 85

三、固液相分界面的热量平衡 87

二、固体床质量平衡 87

一、熔膜质量平衡 87

第二节 延迟区数学模型 87

四、固体床应力平衡和压力分布 88

五、固体床温度分布 88

六、熔膜的流动方程 89

第三节 延迟区自我保护机理 91

参考文献 91

第八章 Tadmor熔融理论——熔融段第二区(熔池区) 93

第一节 Tadmor熔融理论的物理模型 93

一、基本假设 95

二、固相的质量平衡 95

第二节 Tndmor熔融理论的牛顿数学模型 95

三、熔膜的质量平衡 96

四、固液相分界面上的热量平衡 97

(一)固相温度分布 97

(二)熔膜的速度方程和温度分布 98

五、求解固相分布函数 100

(一)槽深为常量时的固相分布函数 101

(二)槽深为变量时的固相分布函数 102

六、对分界面单位面积上的热量平衡的修正 105

七、熔融过程计算举例 106

第三节 非牛顿数学模型 110

一、对粘度的修正 110

二、非牛顿模型的速度方程和温度分布 110

三、非牛顿模型详解 112

(一)熔膜温度为线性分布时的非牛顿模型解 112

(二)熔膜温度为非线性分布时的非牛顿模型解 114

四、对螺槽截面形状的修正 116

五、对固相温度分布的修正 118

六、对固相速度的修正 118

一、螺棱间隙对挤出能量效率的影响 121

第四节 有关熔融理论的其它研究 121

二、横向压力梯度和环流的形成 122

三、无定形聚合物的熔融 123

四、亚宏观熔融理论 125

五、五区熔融模型及其它研究情况 125

参考文献 126

第九章 五区熔融模型——熔融段第三区(环流区) 127

第一节 概述 127

第二节 五区模型的数学模型 128

三、熔池的质量平衡 129

二、下熔膜及侧熔膜的质量平衡 129

一、上熔膜的质量平衡 129

四、全螺槽质量平衡 130

五、上熔膜分界面热量平衡 130

六、下熔膜分界面热量平衡 130

七、固相应力平衡 130

第三节 一维非等温复合幂律流熔膜流场 132

第四节 环流模型 134

参考文献 136

一、固相破碎过程和固相破碎开始点的决定 137

第二节 固相破碎理论的物理模型 137

第一节 概述 137

第十章 固相破碎理论——熔融段第四区(固相破碎区) 137

二、碎块完全熔融点的决定 138

三、用混沌的观点分析固相破碎问题 139

第三节 固相破碎理论的数学模型 141

一、基本假设 141

二、固相破碎开始点和碎块完全熔融点的求解 141

第四节 实验验证 143

一、固相破碎强度的测定 143

二、计算应力和实测强度的比较 145

参考文献 147

第十一章 熔体输送理论——计量段熔体输送区 148

第一节 概述 148

一、有关熔体输送理论研究历史的综述 148

二、熔体输送理论的基本方程与基本假设 149

(一)基本方程 149

(二)基本假设及其分析 150

第二节 无限平行平板模型详解 152

一、速度场和流率 152

(一)速度场和流率的基本方程 152

(二)拖曳流(正流)、压力流(反流)和截流比 153

(三)x方向流动和L方向流动 154

二、螺棱间隙漏流对流率的影响 156

(一)考虑螺棱间隙后的流率公式 156

(二)讨论 157

(三)工程界使用的生产率公式 158

三、压力分布 158

四、剪应力分布 159

五、能耗 160

(一)工程界使用的能耗(拖动功率)公式 160

(二)有关能耗的比较近代的分析 162

(三)讨论 163

第三节 牛顿平行平板模型的修正 164

一、螺纹侧壁影响的修正 164

二、螺槽深度方向粘度变化的修正 166

三、机筒内表面曲率影响的修正 168

四、熔料非牛顿性的修正 168

第四节 二维和三维流动模型分析 169

参考文献 172

二、一般塑料机械共有的问题 174

一、一般机械装置方面的问题 174

第十二章 机头及口模设计 174

第一节 机头设计的基本要求 174

第三篇 挤出理论的应用 174

三、与高聚物流变学有密切联系的问题 175

第二节 机头和螺杆的关系 175

一、螺杆特性线与口模特性线 175

二、挤出机工作点 177

第三节 熔料在机头体系中的粘性流动 179

一、熔料在机头口模中的流动 179

(一)一维流道 179

(二)二维流道 180

(三)三维流道 181

(四)分析与讨论 185

二、三维和二维流道的化简 186

三、流道的综合计算——流道的串联与并联 188

四、流道的形状因子图解法 189

第四节 熔料在机头体系中的弹性效应 190

一、入口效应 191

二、出模膨胀 192

三、不稳定流动——表面粗糙和熔体破碎现象 195

参考文献 197

第十三章 挤出机设计 199

第一节 螺杆直径、生产率、螺杆转速和制品种类及尺寸的关系 199

一、决定螺杆直径、生产率、螺杆转速和制品种类及尺寸的基本原则 199

二、生产率的理论计算 202

(一)螺杆各段生产率和压力的关系 202

(二)固体输送生产率计算示例 202

(三)熔体输送生产率计算示例 204

第二节 挤出机的功率、转速与转矩 204

一、熔料输送所需要的功率 204

二、挤出过程的能量平衡 205

三、功率、螺杆转速和转矩的关系 206

(一)螺杆需要的转矩计算 206

(二)功率、螺杆转速和转矩的关系 206

(三)功率、螺杆转速和转矩的实验分析 206

四、挤出机的效率 208

(一)固体输送效率 208

(二)熔体输送效率 208

(三)能量效率 209

参考文献 209

第十四章 螺杆设计 210

第一节 普通三段式螺杆设计 211

一、螺杆长径比和螺杆各段长度的确定 211

(一)压缩段长度的确定 211

(二)加料段长度的确定 212

(三)计量段长度的确定 212

二、螺槽深度和压缩比的确定 214

(一)计量段槽深的确定 214

(二)加料段槽深和压缩比的确定 217

(一)螺距和螺纹升角的确定 218

三、螺杆其它参数的确定 218

(二)螺纹头数 219

(三)螺纹断面设计 219

第二节 普通螺杆存在的问题 221

一、高速挤出时的塑化不良现象 221

二、挤出时的波动 222

三、波动的定量描述及各个因素对波动的影响 223

第三节 新型螺杆设计 225

一、分流型螺杆设计 225

(一)销钉螺杆设计 225

(二)DIS螺杆设计 227

(三)CTM模腔传递混合器 230

二、屏障型螺杆(Maddock混合头)设计 232

三、分离型螺杆设计 239

(一)分离型螺杆工作原理 239

(二)分离型螺杆设计 240

(三)改进的分离型螺杆 245

(四)特种分离型螺杆——XLK螺杆和SDS螺杆 247

四、变流道型螺杆设计 249

(一)波形螺杆设计 249

(二)HM多角型螺杆 252

五、强制输送的IKV系统 253

(一)IKV系统的原理、结构和设计 253

(二)IKV系统的缺陷和应用范围 256

(三)强制输送的其它途径 257

六、其它新型螺杆 259

(一)减压螺杆设计 259

(二)ICI螺杆 260

七、新型螺杆设计原理小结 260

(一)基本概念与定义 260

(二)塑化能力必须与输送效率相匹配 261

参考文献 264

第—节 排气螺杆的功能 266

第十五章 排气理论和排气螺杆设计 266

第二节 排气螺杆的工作原理和排气挤出机 267

一、螺杆上的排气过程 267

二、各种排气挤出机工作原理 268

第三节 排气理论 270

一、流量平衡方程和冒料及波动的关系 271

二、最大工作压力 271

三、压力平衡的一般方程和特定方程——加装调压阀来解决冒料和波动问题 272

一、螺槽深度和泵比的确定 275

第四节 排气螺杆设计 275

二、螺杆排气段参数的确定 277

三、其它参数的确定 278

参考文献 279

第十六章 混炼和混合 280

第一节 有关混炼和混合的基本概念 280

第二节 混炼过程的基本规律 284

一、混炼指标、分类、条纹间距和界面面积变化 284

(一)混炼指标与分类 284

(二)条纹间距 285

(三)界面面积变化 286

二、分离相粘度的影响 287

三、固相填料的分散 289

四、混炼过程中的力化学效应 291

五、应变分布函数和停留时间分布函数 292

(一)有关应变分布函数和停留时间分布函数的基本概念 292

(二)平行平板模型混炼规律分析示例 293

六、混炼规律小结 294

第三节 挤出机螺杆上的层流混合 295

一、螺槽中熔料的停留时间分析 295

二、螺槽中熔料的剪切总形变量分析 297

三、螺槽中熔料的加权平均总形变量分析 299

第四节 静态混合器 300

一、静态混合器的原理和用途 300

二、KeniQ静态混合器 301

三、Ross静态混合器 302

四、Sulzer静态混合器 303

参考文献 304

附录一 本书主要符号一览表 306

附录二 国产热塑性塑料的流变数据 310

附录三 国产热塑性塑料的摩擦数据 334