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用挤出法论证幂律模型

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挤出是一种工业过程, 它将聚合物和其他材料转化为定义的形状, 如汽车零部件和玩具等各种应用的管材和管材。在工业机械设计之前, 它是在小规模的研究。常用的挤出材料有聚烯烃、聚乙烯和共聚物。在挤出过程中, 被称为固体饲料的热塑材料被运输、混合和熔化。这种物质通过一种称为模具的模子, 然后冷却并恢复到非柔韧性。简单的实验室挤出机可以利用幂律模型研究影响聚合物输出的各种参数。此外, 还可以建立操作条件与理论行为的偏差以及挤出形状之间的关系。这段视频将说明一个挤出机是如何工作的, 如何操作它, 以及如何使用幂律模型来评估这个过程。

挤出机由一个漏斗组成, 该料斗以聚合物颗粒为原料, 一桶, 由带有电阻加热元件的圆柱室组成, 用于控制不同的温度区和围绕中心线旋转的螺旋螺钉。螺杆的通道在喂料器上最宽, 以促进混合和熔化。然而, 渠道变得越来越狭窄和浅沿螺丝的长度。螺杆的设计, 以确保稳定的运输从馈线, 同时核算减少体积和建设和压力的饲料融化。熔融聚合物的行为取决于温度、压力和粘度, 即剪切应力与剪切速率的比值。对于大多数聚合物, 粘度随温度和剪切速率的降低而减小, 使其成为非牛顿流体。具体来说, 聚合物熔体通常是粘弹性的, 它们的流动是由幂定律模型描述的。幂定律包含两个经验常数。M 是粘度的模量和强烈的温度依赖性。和 n 可能也随温度变化。幂定律常数可以从体积流量、压力和几何计算。通过在两个时间间隔内称量模具输出来建立流量。现在, 你知道一个挤出机是如何工作的, 让我们在一个真正的实验中应用幂定律模型。

本实验所用的热塑性材料是一种高密度聚乙烯共聚物, 含有乙烯和长链烯烃的链接。开始, 把排气管打开。取聚合物颗粒, 填充挤出机的料斗。确保马达开关关闭, 然后将主开关打开。温度设置应调整到所使用的材料。将第一区的温度设置在聚合物熔点的五到20摄氏度以上, 这是大约200摄氏度。设置三区的温度, 即圆柱形模具的温度, 介于220和250摄氏度之间。最后, 将第二区的温度设置为第一和三。检查所有加热区域的温度, 看它们是否达到了所需的设定点。一旦达到设定点, 等待至少一小时, 一个阶段称为热浸泡。热浸泡确保了任何残余固体聚合物的熔化, 否则会对模具施加过高的压力, 导致不稳定的流动。

把马达打开。使用以低转速启动的开关设置所需的速度。并逐渐增加的速度, 因为聚合物被视为退出模具, 直到达到最低的期望速度。不超过 3000 psi 压模。在达到预期的速度后, 运行挤出机10分钟。定期检查料斗, 确保有足够的树脂颗粒。前称锅, 用于样品收集。戴上安全手套使用剪刀, 小心地把非常热的挤出到一个加权的平底锅, 并权衡在测量的时间间隔内挤出的聚合物的质量来计算流速。用千分尺测量挤出带的直径。使用速度控制器, 将设置点调整为新设置, 等待10分钟。收集以前执行的示例和数据。要在不同温度下获取数据集, 请降低速度并使用温度控制器来调整区域的设置点。在收集样品前等待15分钟。

关闭挤出机马达开关和主开关。利用聚合物的质量速率和熔体密度, 计算体积流速, q. 使用幂律确定粘度、m 和幂律指数, 即在给定的模具温度下最能表征材料的系数。这两个方程式之间的关键是动量平衡, 它将剪应力与整个枪管的压降联系起来。将这三方程组合成一个可以求解以产生容积流速的微分方程。线性这个方程, 并使用线性和非线性回归找到 m 和 n, 并比较结果。现在, 让我们分析一下这些数据, 并检查它是如何符合幂律模型的, 以及它是否与模型一致。

在该图中, 对幂律模型进行了线性回归, 描述了压强、P 和流速、Q 的关系。测定系数显示出良好的适应度。幂律指数, n, 和粘度的模量, m, 表明这是一个塑性, 即, 随着剪切速率的增加, 粘度降低。在室温下, 粘性比水多1000万倍, 比甘油更粘稠1万倍。流动速率对模具膨胀率有一定的影响, 但对聚合物的滑移率却不高。综上所述, 幂律模型与动量方程相结合, 适当地描述了这种非牛顿流体的流动, 表明了在响应螺杆速度和温度时的流动和粘度变化。

在工业技术过程和台式研究中都有各种挤出技术, 用于制造各种类型的产品, 从管道和塑料到生物材料。挤出机将聚合物转化为简单的形状。他们也可以混合非聚合物添加剂的聚合物混合。添加添加剂, 以修改最终产品的机械性能, 往往传授更多的韧性。例子包括增塑剂、抗氧化剂和阻燃剂。无机添加剂, 如滑石或碳, 是有限的使用, 因为它们不融化。挤出也是3D 印刷的基础, 在这个过程中, 热塑性墨水从喷嘴出口, 并在许多层表面沉积, 以创建一个三维材料。这个多才多艺的技术正在探索生物工程应用到生物打印组织特异细胞结构。挤出机的另一个关键用途是将产品送进注塑模, 这将迫使材料进入模腔使用压力。它类似于压铸。这一过程创造了更多的专业产品, 因此在其应用范围内受到限制。除了管道、管材和包装材料外, 挤出也常用于食品加工。产品, 如面包, 面食, 糖果, 谷物, 或宠物食品, 是挤出大量数量。淀粉含量高的产品通常是由于其水分和粘度的分布而在食品挤出过程中加工的。

你刚刚看了朱庇特的介绍聚合物挤出。现在, 您应该了解挤出的过程、流程、速度和温度对过程的影响, 以及如何应用幂定律模型对其进行评估。谢谢收看

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