BMC模塑料在機筒螺桿中的流動性
前面提到,相對于其他熱固性塑料來說,BMC具有良好的流動性,是一種在常溫下“己經塑化好”的預混合料。因此,其無需要有一個熔融的過程。因此,從某種意義上來說,BMC注射螺桿與普通熱塑性塑料的注射螺桿所起的作用是有所不同的,其主要起著對物料輸送、混合和計量的作用。當然,在螺桿的具體結構上也就有所不同。
(1) BMC在螺桿機筒中的流動理論模型 BMC模塑料在螺桿中的流動與熱塑性塑料的流動類似,主要是存在拖流流動。由于黏性耗散的存在,其溫度會不斷增加,BMC在螺槽內的這一流動過程可用連續性方程、動量方程和能量方程來描述:
方程式(f4-8)
在溫度低于60℃時,因沒有交聯反應,BMC的本構方程可用式(4-5)描述。
在“輸送、混合”期間,螺桿一邊轉動,一邊向后退計量。如將螺桿的螺槽和機筒分別展開為兩個平面,假定螺桿靜止不動,機筒以線速度V=πDN/60運動,同時以Vt(螺桿后退速度)沿軸線向前運動,坐標如圖4-6所示,并假設如下:

①物料為不可壓縮流體、且忽略重力的影響;
②流體為充分發展的層流運動;
③流動速度和壓力只是X和Z方向的函數;
④螺槽為等深等寬,且螺桿根部溫度和機筒內表面溫度Tb相等;
⑤沿螺槽寬度(X向)和螺槽方向(Z向)的熱對流遠遠小于螺深度方向(Y向);
⑥物料的比熱容、比容、熱導率為常數。[-page-]
通過上述假設,上面三式簡化為:
方程式(f4-11)
式中 W――螺槽寬度,m;
D――螺桿直徑,m;
h――螺桿螺槽深度,m。
邊界條件在y=0時:
Vx=Vz=0,T=Tb 〔4-18)
在y=h時:
Vz=Vcosθ+Vtsinθ (4-19)
Vx=Vsinθ-Vtcosθ (4-20)
T=Tb (4-21)
在z=0和0<y<h時:
T=Tv=20℃(初始料溫) (4-22)
在x=0和z=0(即正對加料口處):
P0=0(初始壓力) (4-23)
沿螺桿軸線方向的壓力平衡條件為:
方程式(f4-24)
式中 L ――螺桿的軸向長度;
P1――螺桿后一個螺槽的壓力(出口壓力,也即為背壓Pb)。
由此建立了非等溫的二維流動數學模型。解此模型要用的參數如下。
螺桿幾何參數:
螺桿直徑D=0.04m;螺桿長徑比L/D=15.4;螺槽的深度h=0.0048m;螺紋升角θ=17.66°。
BMC性能:
密度ρ=2000kg/m3;比熱容cv=65.65J/(kg?K);熱導率k=1.OOW/(m?K.)。
機筒溫度Tb=293K。
螺槽截面內物料的平均溫度按式(4-25)計算:
方程式(f4-25)
式中 T(BM)――螺槽截面內物料的平均溫度,K;
V(y) ――物料在Y=y處的速度分布
T(y) ――物料在Y=y處的溫度分布;
h――螺桿螺槽深度,m;
y――y方向上距原點的距離,m。[-page-]
(2) BMC模塑料在螺桿機筒中混合輸送所消耗的功率 圖4-6中,機筒速度V可分為Z與X方向的兩個分速度,即Vt是順著螺槽向前運動的“拖流”速度;Vx是與螺棱垂直的起混合作用的環流速度。假定螺桿輸送物料時采用小面不變的背壓,且忽略輸送過程中出現的壓力倒流和漏流,則可以將注射螺桿對BMC的輸送能力近似地表達為:
方程式(f4-26)
方程式(f4-27)
式中 Q(D)――順著螺槽向前的“拖流”流率,m3/s;
W――輸入螺桿并在輸送和混合BMC上所消耗的功率,W;
D――螺桿直徑,m;
h――螺桿螺槽深度〔壓縮比為1 : 1),m;
θ――螺桿螺旋升角;
N――螺桿轉速,r/min;
L――螺桿的有效工作長度,m;
η――BMC在螺槽中的表觀黏度,Pa?s。
從實驗結果和(4-28)式可以看出,對于已定的螺桿來說,單位體積流率的BMC物料所消耗的功率與轉速和黏度有直接的關系。轉速或貓度越高,其所消耗的功率也高,而其制品的強度損失也高。而對于成型某種黏度的BMC來說,為能保持其制品有比較高的強度,則在螺桿幾何參數的選擇上〔如螺桿直徑、長度和螺槽的深度等),在設計時應作適當的調整。[-page-]
(3) BMC模塑料在螺桿機筒內的熱行為 BMC在注射螺桿流場的溫度分布規律在螺桿“預塑”轉動期間,BMC沿螺槽方向被向前輸送,由于受到擠壓、剪切和摩擦,BMC溫度。當表觀溫度超過600℃時,螺桿中的物料極容易發生交聯反應而固化。因此必須嚴格控制注射螺桿流場的溫度分布。通過上述非等溫的二維流動數學模型的分析。(圖4-7、圖4-8),發現螺槽內不同高度層物料的高溫度大約出現在y/H=O.7左右。螺桿轉速愈高,物料溫度愈高。研究分析發現,螺桿轉速為150r/min時,螺桿出入口的物料溫度相差不到10℃。圖4-9是沿螺桿軸向長度的物料實測溫度分布圖。很明顯,在螺桿前端至L/D=2的范圍內,BMC升溫速度很快。這是由于BMC在剛進入螺槽時,料溫低,黏度高。



所以螺桿轉動時BMC受擠壓、剪切和摩擦所產生的熱量多,因此螺槽內的料溫迅速升高。
在L/D=6時,隨著料溫升高,BMC的黏度迅速下降,剪切熱也少,此時螺槽內的物料就處于熱平衡狀態,其平均溫度基本保持不變。










































