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幂律系数

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螺杆的几何形状使剪切加热难以理解。设想在管子中转动无轴的轴。可视化填充轴和管之间空间的非常粘稠的流体,并在右端施加一点压力。由于这种虚构的材料非常粘稠,因此需要花费很多工作才能转动轴。轻微的压力使粘性流体从右向左移动。

轴产生的功在粘性流体中转化为热量,称为粘性耗散。在实际的挤出机中,熔融的聚合物也会发生相同的情况。只要熔融物保留在机筒中,熔融物就继续通过螺杆的旋转而被加热。热量要么停留在聚合物中,直到它离开挤出机,要么通过机筒和冷却系统从系统中除去。

It’很难冷却聚合物,因为它们是不良的热导体。实际上,聚合物是极好的绝缘体—它们的传热率不到钢的1%。

同时,螺杆的旋转将热量不断地添加到熔体中,抵消了所提取的热量。机筒温度的微小变化对系统整体热量的释放影响很小。随着螺杆速度的提高,由于粘性耗散而产生的热量通常会超过冷却系统吸收热量的能力,即使采用最大程度的冷却,熔体温度也会继续提高。

螺丝尺寸也是一个因素。随着螺杆尺寸的增加,聚合物的数量相对于机筒的表面积呈指数增长,因此机筒冷却的有效性降低。
幸运的是,失控温度不是常态,因为同时增加温度和剪切速率(螺杆速度)会降低聚合物粘度。结果,对于给定的聚合物,大多数挤出工艺在相对窄的熔融温度范围内进行。也就是说,不同的聚合物对剪切速率或温度具有不同的敏感性。

聚合物可以通过幂律系数来描述,幂律系数是从不同温度下的剪切速率/粘度曲线得出的简单关系。它描述了挤出机大部分加工范围内的粘度。
 

粘度(µ) =m(T)Ÿn-1
 

聚合物的稠度指数(m)和幂律系数(n)描述了聚合物相对于温度(T)和剪切速率(Ÿ)。稠度指数主要是聚合物之间的关系’的粘度和温度。尽管可用于推断粘度以进行设计计算,但稠度指数在某种程度上被认为是因变量。 

但是,幂律系数对热量产生有重大影响,继而影响最终温度和最终粘度。  这对于了解聚合物的预期意义非常重要’使用特定的螺杆设计获得的最终熔体温度。幂律系数较低的聚合物会随着剪切力的变化而出现更大的粘度变化。随着粘度下降,旋转螺杆那部分所需的能量将减少,并且螺杆产生的额外热量将减少。下表显示了几种聚合物类型的稠度指数和幂律系数,以及确定数值的温度范围。

例如,在相同的剪切速率或螺杆速度变化下,与尼龙66的粘度降低相比,HDPE的粘度降低了三倍。这意味着随着螺杆速度的增加,HDPE的附加剪切加热将小于尼龙66。

通过参考幂律系数,可以解释和预期在许多螺杆的计量部分中机筒倍率的影响。具有高幂律系数的聚合物可能会通过粘性耗散以增加剪切速率的方式在熔体中产生更多的热量。这增加了最佳挤出机选择的复杂性,其中理想的L / D会受到聚合物的影响’的幂律系数。通常,与低系数的聚合物相比,高幂律系数的聚合物应以较低的螺杆速度和较短的L / D螺杆进行加工。

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