BMC模塑料在机筒螺杆中的流动性
前面提到,相对于其他热固性塑料来说,BMC具有良好的流动性,是一种在常温下“己经塑化好”的预混合料。因此,其无需要有一个熔融的过程。因此,从某种意义上来说,BMC注射螺杆与普通热塑性塑料的注射螺杆所起的作用是有所不同的,其主要起着对物料输送、混合和计量的作用。当然,在螺杆的具体结构上也就有所不同。
(1) BMC在螺杆机筒中的流动理论模型 BMC模塑料在螺杆中的流动与热塑性塑料的流动类似,主要是存在拖流流动。由于黏性耗散的存在,其温度会不断增加,BMC在螺槽内的这一流动过程可用连续性方程、动量方程和能量方程来描述:
方程式(f4-8)
在温度低于60℃时,因没有交联反应,BMC的本构方程可用式(4-5)描述。
在“输送、混合”期间,螺杆一边转动,一边向后退计量。如将螺杆的螺槽和机筒分别展开为两个平面,假定螺杆静止不动,机筒以线速度V=πDN/60运动,同时以Vt(螺杆后退速度)沿轴线向前运动,坐标如图4-6所示,并假设如下:

①物料为不可压缩流体、且忽略重力的影响;
②流体为充分发展的层流运动;
③流动速度和压力只是X和Z方向的函数;
④螺槽为等深等宽,且螺杆根部温度和机筒内表面温度Tb相等;
⑤沿螺槽宽度(X向)和螺槽方向(Z向)的热对流远远小于螺深度方向(Y向);
⑥物料的比热容、比容、热导率为常数。[-page-]
通过上述假设,上面三式简化为:
方程式(f4-11)
式中 W――螺槽宽度,m;
D――螺杆直径,m;
h――螺杆螺槽深度,m。
边界条件在y=0时:
Vx=Vz=0,T=Tb 〔4-18)
在y=h时:
Vz=Vcosθ+Vtsinθ (4-19)
Vx=Vsinθ-Vtcosθ (4-20)
T=Tb (4-21)
在z=0和0<y<h时:
T=Tv=20℃(初始料温) (4-22)
在x=0和z=0(即正对加料口处):
P0=0(初始压力) (4-23)
沿螺杆轴线方向的压力平衡条件为:
方程式(f4-24)
式中 L ――螺杆的轴向长度;
P1――螺杆后一个螺槽的压力(出口压力,也即为背压Pb)。
由此建立了非等温的二维流动数学模型。解此模型要用的参数如下。
螺杆几何参数:
螺杆直径D=0.04m;螺杆长径比L/D=15.4;螺槽的深度h=0.0048m;螺纹升角θ=17.66°。
BMC性能:
密度ρ=2000kg/m3;比热容cv=65.65J/(kg・K);热导率k=1.OOW/(m・K.)。
机筒温度Tb=293K。
螺槽截面内物料的平均温度按式(4-25)计算:
方程式(f4-25)
式中 T(BM)――螺槽截面内物料的平均温度,K;
V(y) ――物料在Y=y处的速度分布
T(y) ――物料在Y=y处的温度分布;
h――螺杆螺槽深度,m;
y――y方向上距原点的距离,m。[-page-]
(2) BMC模塑料在螺杆机筒中混合输送所消耗的功率 图4-6中,机筒速度V可分为Z与X方向的两个分速度,即Vt是顺着螺槽向前运动的“拖流”速度;Vx是与螺棱垂直的起混合作用的环流速度。假定螺杆输送物料时采用小面不变的背压,且忽略输送过程中出现的压力倒流和漏流,则可以将注射螺杆对BMC的输送能力近似地表达为:
方程式(f4-26)
方程式(f4-27)
式中 Q(D)――顺着螺槽向前的“拖流”流率,m3/s;
W――输入螺杆并在输送和混合BMC上所消耗的功率,W;
D――螺杆直径,m;
h――螺杆螺槽深度〔压缩比为1 : 1),m;
θ――螺杆螺旋升角;
N――螺杆转速,r/min;
L――螺杆的有效工作长度,m;
η――BMC在螺槽中的表观黏度,Pa・s。
从实验结果和(4-28)式可以看出,对于已定的螺杆来说,单位体积流率的BMC物料所消耗的功率与转速和黏度有直接的关系。转速或猫度越高,其所消耗的功率也高,而其制品的强度损失也高。而对于成型某种黏度的BMC来说,为能保持其制品有比较高的强度,则在螺杆几何参数的选择上〔如螺杆直径、长度和螺槽的深度等),在设计时应作适当的调整。[-page-]
(3) BMC模塑料在螺杆机筒内的热行为 BMC在注射螺杆流场的温度分布规律在螺杆“预塑”转动期间,BMC沿螺槽方向被向前输送,由于受到挤压、剪切和摩擦,BMC温度。当表观温度超过600℃时,螺杆中的物料极容易发生交联反应而固化。因此必须严格控制注射螺杆流场的温度分布。通过上述非等温的二维流动数学模型的分析。(图4-7、图4-8),发现螺槽内不同高度层物料的高温度大约出现在y/H=O.7左右。螺杆转速愈高,物料温度愈高。研究分析发现,螺杆转速为150r/min时,螺杆出入口的物料温度相差不到10℃。图4-9是沿螺杆轴向长度的物料实测温度分布图。很明显,在螺杆前端至L/D=2的范围内,BMC升温速度很快。这是由于BMC在刚进入螺槽时,料温低,黏度高。



所以螺杆转动时BMC受挤压、剪切和摩擦所产生的热量多,因此螺槽内的料温迅速升高。
在L/D=6时,随着料温升高,BMC的黏度迅速下降,剪切热也少,此时螺槽内的物料就处于热平衡状态,其平均温度基本保持不变。








































