混合理論與新型螺桿的混合機(jī)理

混合理論與新型螺桿的混合機(jī)理第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/151一、混合理論?

混合機(jī)理及混合分類?

非分散混合?

分散混合第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/152混合理論及混合分類混合的概念：混合是一種操作，是一個過程，是一種趨向于減少混合物非均勻性的操作過程，或者說，混合是這樣一種過程：在整個系統(tǒng)的全部體積內(nèi)，各組分在其基本單元沒有本質(zhì)變化的情況下的細(xì)化和分布。第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/153混合機(jī)理和混合分類(續(xù))混合理論：根據(jù)Brodkey的混合理論，混合涉及到三種基本運(yùn)動形式：分子擴(kuò)散、渦旋擴(kuò)散和體積擴(kuò)散。第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/154混合機(jī)理和混合分類(續(xù))分子擴(kuò)散：是指由濃度梯度驅(qū)使自發(fā)地發(fā)生地一種過程，各組分的顆粒由濃度較大的區(qū)域遷移到濃度較小的區(qū)域。主要發(fā)生在氣體和低粘度液體中。注射成型過程中顏料、發(fā)泡劑、抗氧劑等低分子物質(zhì)與聚合物的混合中。第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/155混合機(jī)理和混合分類(續(xù))渦旋擴(kuò)散：也就是紊流擴(kuò)散。在化工過程中，流體的混合一般是靠系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生紊流來實(shí)現(xiàn)的。注射成型過程中，不希望發(fā)生紊流，同時物料粘度較大，很少發(fā)生渦流擴(kuò)散。第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/156混合機(jī)理和混合分類(續(xù))體積擴(kuò)散：即對流擴(kuò)散。是指流體質(zhì)點(diǎn)、液滴或固體離子由系統(tǒng)的一個空間位置向另一空間位置的運(yùn)動，或兩種或多種組分在相互占有的空間內(nèi)發(fā)生運(yùn)動，以期達(dá)到各組分的均布。體積對流混合：通過塞流對物料進(jìn)行體積重新排列，需要物料連續(xù)變形，可以是無規(guī)的，也可以是有序的；層流對流混合：即層流混合。通過層流使物料發(fā)生變形，混合中，物料受到剪切、拉伸和擠壓作用。第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/157混合機(jī)理和混合分類(續(xù))

混合過程的要素：

剪切分流、合并和置換擠壓(壓縮)

拉伸集聚第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/158混煉三要素P-壓縮S-剪切D-置換第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/159剪切拉伸斷裂碰撞集聚共混分散過程示意圖第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1510剪切的作用第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1511混合前的分流配置與混合后的分流配置當(dāng)x方向分流數(shù)m=3，y方向分流數(shù)n=3時混合前后分流的配置情況第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1512混合機(jī)理和混合分類(續(xù))混合的分類：按混合形式分類：非分散混合和分散混合，或廣泛混合和強(qiáng)烈混合。按物料狀態(tài)分類：固體/固體混合、液體/液體混合和液體/固體混合。第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1513無規(guī)的(左)和有序的(右)分布性混合第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1514abcda+b－c非分散混合a+b－d分散混合非分散混合和分散混合第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1515物料狀態(tài)混合的難易程度主要組份添加劑混合物固態(tài)固態(tài)固態(tài)易固態(tài)(粗顆粒)固態(tài)(細(xì)粒、粉)固態(tài)相當(dāng)困難固態(tài)液態(tài)(粘)固態(tài)困難固態(tài)液態(tài)固態(tài)相當(dāng)困難固態(tài)液態(tài)液態(tài)難易程度取決于固體組份粒子的大小液態(tài)固態(tài)液態(tài)(粘)易－相當(dāng)困難液態(tài)液態(tài)(粘)液態(tài)相當(dāng)困難－困難液態(tài)(粘)液態(tài)液態(tài)易－相當(dāng)困難液態(tài)液態(tài)液態(tài)易混合難易程度的比較第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1516非分散混合分布性混合：分布性混合分有序分布性混合和無規(guī)分布性混合。有序分布性混合用條紋厚度表征混合物的混合狀態(tài)和混合過程，而無規(guī)分布性混合通常用整體均勻度來表征。第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/15171、有序分布性混合：

(1)對同心圓筒混合器：式中：r為條紋間隔(厚度)；

n為內(nèi)筒累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)；

L為外筒內(nèi)面和內(nèi)筒外面徑線方向的距離，即著色線的長度。第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1518(2)長方體混合模型

如圖，長為L、寬為W的條紋層堆積成高為H的立方體。條紋數(shù)為n，則所包圍的面積A為：A=2nLW

立方體的體積為V：

若V、A一定，則結(jié)論：條紋厚度(間隔)越小，混合越好。只要將條紋厚度減少到任意所需要的值，就可以達(dá)到所希望的混合水平。第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1519剪切變形量(3)平行平板間的剪切層流結(jié)論：變形后的條紋厚度與剪切變形量成反比。熔體承受的剪切變形量越大，混合越均勻，當(dāng)條紋厚度趨于零時，可獲得均勻的混合物。第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/15202、無規(guī)分布性混合：無規(guī)分布性混合不易表征，通常用總體均勻度表示。總體均勻度是一個統(tǒng)計(jì)學(xué)概念，是一種表征，對螺桿設(shè)計(jì)不具指導(dǎo)意義。在此不贅述。第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1521層流混合1、流變性均勻流體的層流混合簡單剪切流場中表面元素C的變化第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1522結(jié)論：界面的增加是初始取向和總應(yīng)變的函數(shù)。討論：

當(dāng)界面初始取向是yz平面時，這時界面與剪切流方向垂直，這時界面的增加獲得最大值；當(dāng)界面初始取向是xy平面時，這時界面與剪切流方向平行，這時界面雖有變形，但面積保持不變；當(dāng)界面初始取向是xz平面時，這時界面與流動方向平行，這時界面沒有變形。第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1523對三維流動：結(jié)論：在簡單剪切流動中，以大應(yīng)變無規(guī)則取向的表面系統(tǒng)的總的最終界面積與總的初始面積的比是施加到液體上總應(yīng)變的一半。第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1524圖a，少組分未橫過所有流線，界面平行于剪切方向，最終沒發(fā)生混合。圖b，少組分在垂直于剪切方向的界面處橫切所有流線，混合很好。圖c，少組分的界面只橫切部分流線，只實(shí)現(xiàn)部分混合。圖d，將A、B兩種流體置于同心圓筒混合器中的不同情況。如果A、B兩種流體的界面垂直于流線，則混合得很快，否則混合得很慢。第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1525結(jié)論：簡單剪切流不能重新排列界面取向，因此在這種流動中界面面積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斷地調(diào)整，或不斷改變剪切方向，就可以得到更大的截面面積的增加，從而得到良好的混合效果。第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/15262、流變性非均勻流體的層流混合不同牌號的同一種聚合物的混合；同一種聚合物兩種組成部份(其中一部分含有不同的添加劑)的混合；不同聚合物的混合；把一種較低分子量的液體組分混合到一種聚合物中去的混合；熱致非均勻系統(tǒng)的混合。第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1527

以平行平板混合器為例討論多組分與少組份的粘度比對剪切應(yīng)變的影響。

假設(shè)：(1)、下板固定，上板以速度V移動；

(2)、少組份被夾在兩層多組分之間，均為不可壓縮的牛頓型流體，彼此不相容，忽略界面張力；

(3)、兩層間邊界處剪應(yīng)力是連續(xù)的。流變性非均勻流體在平行平板混合器中的混合第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1528結(jié)論：在少組分中得到的剪切速率是粘度比和的函數(shù)。當(dāng)增加時，下降，表明粘度比大，變形速率小。因此為了得到較好的混合質(zhì)量，不能使兩種組分的粘度相差太多，而應(yīng)使其粘度相近或相等，即粘度相近原則。第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1529討論：把高粘度的少組分混合到低粘度的多組分與把低粘度的少組分混合到高粘度的多組分中哪個容易哪個難？結(jié)論：

把高粘度的少組分混合到低粘度的多組分比把低粘度的少組分混合到高粘度的多組分難。這是因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)層流混合，兩種組分就必須變形，而使放在容易變形的低粘度的多組分中的高粘度的少組分變形比使放在不易變形的高粘度的多組分中的低粘度的少組分變形更困難。第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1530分散混合分散混合的目的是把少組分的固體顆粒和液相分散開來，成為最終粒子或允許的更小顆?；蛞旱?，并均勻地分布到多組分中。第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1531分散混合過程：

1、在流場產(chǎn)生的粘性拖曳下，將大塊的固體添加劑破碎為較小的粒子；

2、聚合物在剪切熱和傳導(dǎo)熱的作用下熔融塑化，粘度逐漸降低至粘流態(tài)時的粘度；

3、較小粒子克服聚合物的內(nèi)聚力，滲入到聚合物中；

4、較小粒子在流場剪應(yīng)力的作用下，進(jìn)一步減小粒徑，直到最終粒子大??；

5、固相最終粒子在流場作用下，產(chǎn)生分布混合，混合均勻；

6、聚合物和活性填充劑之間產(chǎn)生力-化學(xué)作用。Ⅰ-使聚合物和添加劑粉碎Ⅱ-使粉狀和粒狀固體添加劑滲入聚合物中Ⅲ-分散Ⅳ-分布均化1-聚合物2、3-任何粒狀和粉狀固體添加劑

第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1532物理模型：如右圖。將兩個連接在一起的顆粒抽象為兩個小球，用連接桿將它們連接在一起，兩個小球的半徑分別為r1和r2，中心距為L，如啞鈴狀。假設(shè)啞鈴位于不可壓縮的牛頓型流體中，流體的速度場為均勻流場，啞鈴的存在沒有改變其附近流場，忽略布朗運(yùn)動，小球半徑不等。由于流場對每一個小球粘性拖曳的結(jié)果，在連接桿上形成力，該力取決于粘性拖曳的大小和啞鈴的取向，當(dāng)該力超過某一臨界值時，兩個球就分開，即粒子或結(jié)塊就破裂。固體顆粒在什么條件下破裂？第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1533小球共受三個力：慣性力，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積；連接桿上的力，是小球之間的相互作用力。這三個力使小球處于平衡狀態(tài)。對每一個小球可寫出一個平衡方程：第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1534經(jīng)過推導(dǎo)，若把坐標(biāo)原點(diǎn)放在小球的中心，可求出作用在連接桿上的力：第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1535新型混煉元件分離型螺桿：

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在熔融段增加一條副螺棱，將主螺紋槽分為兩部分，在螺桿塑化過程中形成固液相分離，固相料全部留于固相槽中，而固相槽中的氣體則在壓力的作用下向后自料斗中排出，減少了制品中的氣泡。同時增大了固相料與機(jī)筒內(nèi)壁的熱交換面積。主要作用：改進(jìn)塑化質(zhì)量，提高塑化效率。分離型螺桿相變點(diǎn)不會因螺桿轉(zhuǎn)速的提高而向螺桿末端移動。第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1536第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1537屏障型混煉段：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在圓柱面上等距地開若干縱向溝槽，分為兩組，一組為進(jìn)料槽，其出口在軸向是封閉的，另一組為出料槽，其入口在軸向是封閉的，兩組槽相間開設(shè)。主要作用：可促進(jìn)未徹底熔融的物料熔融塑化，可提供高剪切，利于分散混合；物料通過屏障段時由一股變?yōu)閹坠?，因而增加了界面；幾股物料流出出料槽后又匯合在一起，利于位置的交換；進(jìn)料槽和出料槽中的物料因機(jī)筒運(yùn)動而產(chǎn)生渦旋，不斷改變流動方向，對非分散混合有益。其混色及塑化效果都比較好。第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1538屏障型混煉段屏障型混煉段中的渦流第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1539其它形式的屏障型混煉段第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1540DIS元件：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：外形象塞子，其表面上加工出兩組螺旋狀進(jìn)料槽和出料槽，但兩組螺旋槽在圓柱面上不相通，而是靠通過塞子芯部按一定規(guī)律排列的連通孔把它們按一定次序連接起來。主要作用：物料進(jìn)入DIS段后被分成了若干股，這種分流作用，增加了界面，各股料流的匯合和換位，造成了熔體維元在空間的再分布(處于進(jìn)料螺旋槽中料流的外層物料，經(jīng)過聯(lián)通孔后進(jìn)入出料槽時變?yōu)榻咏喜鄣撞康牧蠈?，而原來在進(jìn)料槽底部的料層在出料槽中變成靠近機(jī)筒壁了)，這對分布混合是有利的。同時物料在進(jìn)料槽和出料槽均會受到剪切，特別是當(dāng)物料由聯(lián)通孔流出時，其料流方向和剪切方向接近垂直，這也對混合有利。第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1541第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1542銷釘螺桿：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在常規(guī)螺桿的熔融段或計(jì)量段的螺槽內(nèi)或光滑圓柱形表面上以一定的排列方式設(shè)置疏密不等、數(shù)量不等的銷釘，銷釘可以是圓柱狀的，也可以是方形或菱形的。主要作用：如果銷釘是設(shè)置在壓縮段，則銷釘將會把固體床打碎，破壞兩相流動，把固液相攪在一起，使未熔固相碎塊與已熔物料的接觸面積加大，同時對料流產(chǎn)生一定的阻力和摩擦剪切，促進(jìn)熔融。如果銷釘是設(shè)置在均化段，則其主要作用是分割料流，增加界面，改變料流方向，使流束重新排列，通過多次分流、匯合、改變流動方向而對熔體溫度進(jìn)行均化。第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1543第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1544波狀螺桿：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在常規(guī)全螺紋螺桿上用一波狀段代替某一全螺紋段。常規(guī)三段螺桿均化段的螺槽是等深的，而波狀螺桿的螺槽深度是按一定規(guī)律周期性變化的，即由淺變深再由深變淺地重復(fù)幾個循環(huán)。螺槽最淺處稱為波峰，螺槽最深處稱為波谷。這種波狀段可以是單波的，也可以是雙波的。波狀螺桿能獲得比常規(guī)螺桿溫度均勻的熔體，可減少熱敏性物料的降解，既具有分散混合能力，又具有分布混合能力。第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1545第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1546第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1547

單波狀段的混合作用：物料未進(jìn)入波狀段之前，在熔融段已形成固液相分開的穩(wěn)定熔融狀態(tài)，一旦進(jìn)入波狀段，該穩(wěn)定熔融狀態(tài)賴以存在的條件已不復(fù)存在，深度呈周期變化的螺槽將固液相分開的狀態(tài)破壞，固體床很快解體，已建立的高壓將原來以熔膜和熔池形式存在的熔體擠入解體的固體床碎塊之間，高溫熔體將固體床碎塊的表面熔融，而其本身的溫度卻下降。螺槽深度的周期變化，使相對于物料移動的壁面對固體床碎塊摩擦剪切、擠壓，使之產(chǎn)生連續(xù)變形，而熔體很快通過波峰。由于波峰處剪切間隙很小，剪切速率很大，物料在此會受到進(jìn)一步剪切、均化，如果添加有固體顆粒，在此就實(shí)現(xiàn)了分散混合。但固體碎塊則不能通過波峰，只有當(dāng)其軟化變形才有可能通過，當(dāng)通過該間隙時，在剪切熱的作用下就熔融塑化。在波谷處的物料因螺槽較深，容積大，受到的剪切較小，壓力較低，停留時間也較長，可實(shí)現(xiàn)分布性混合和熱量的均化，物料的溫度也不會升得很高。第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1548

有附加螺紋的雙波狀段的混合作用：

(1)兩條螺槽深度得變化相差一個相位，一般為180°，即一條螺槽的波谷與另一條螺槽的波峰相鄰，且附加螺紋與機(jī)筒間的間隙比較大。

(2)沿螺槽方向建立的壓力，對一條螺槽而言，向著口模是逐漸增長的，但隨著螺槽深度的周期性變化壓力也呈現(xiàn)周期性變化，在波峰處壓力較高，在波谷處壓力較低。對兩條螺槽而言，這種壓力變化的相位也相差180°(3)兩螺槽間存在壓力梯度，故一條螺槽中的熔體就會越過間隙較大的附加螺紋而流向另一條螺槽。物料流經(jīng)該間隙時，熔體還可能受到一定剪切，獲得少量附加能量而發(fā)生剪切變形。第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1549

有附加螺紋的雙波狀段的混合作用：

(4)由于附加螺紋的阻擋，未熔固體塊不能通過其與機(jī)筒之間的間隙，而被限制在波谷中，進(jìn)行著如單波段中類似的熔融過程，只有當(dāng)其軟化、變形后，才能通過波峰，在波峰處承受較高的剪切，從而熔融和塑化。

(5)在物料沿雙波段向前輸送的過程中，在一個螺槽中要發(fā)生固液相的分離，在兩螺槽間發(fā)生熔體的交換。兩螺槽間熔體的交換和由此伴隨的不同速度分布以及流束的連續(xù)分流和重新匯合，既因?qū)α鞫黾恿巳垠w質(zhì)點(diǎn)的重新排列，也因剪切變形增加了界面的增長，因而有利于分布混合的進(jìn)行，而波峰處的高剪切速率則有助于分散混合。因而可以說，波谷及附加螺紋間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)相對其它螺桿而言，不僅可提高塑化能力，而且能增加混煉效果。適用于填料、顏料、及發(fā)泡等物料的注射成型。

第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1550靜態(tài)混合器：靜態(tài)混合器是設(shè)在注射機(jī)噴嘴中的一組固定元件，它具有特殊的幾何形狀并按一定規(guī)律排列。由螺桿來的熔體及添加物在壓力下通過這些元件時會被不斷地分割成若干股，每股料流不斷改變其流動方向和空間位置，然后匯合在一起進(jìn)入口模。在這一流動過程中，各組分得到均化，溫差也得到均化。第51頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1551分析該螺桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和混合作用：第52頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1552Breaksupanddispersesagglome