挤压:如何估计和控制水头压力

头部压力似乎从来都不是挤压处理器的一个大问题，而熔体温度总是让他们担心的事情。但它们是紧密相连的。开排时熔体温度仅与挤出机有关;由螺杆设计、螺杆转速、长径比、聚合物性能、螺杆与筒体状态、筒体加热/冷却效率等因素控制。这就变成了一个基线温度，它只能通过改变一个或多个挤出机变量来改变。

当封头压力施加到挤出机的末端时，熔体温度从基线随压力的增加而非线性上升。这是由于压力流量的级联效应——随着水头压力的增加，螺杆的输出减少。随着螺杆继续旋转，产量减少，通过剪切应力进入聚合物的能量增加。增加的能量输入导致熔体温度的升高和聚合物粘度的降低，进一步增加压力流量和进一步减少输出。

压头压力进一步提高了挤出机基准的熔体温度。

因此，熔体温度与磁头压力有关，导致输出减少，功率需求增加，下游冷却更多，甚至可能降低聚合物性能。这将导致更大的制造成本和不必要的损害整个系统的性能时，它很容易诊断和纠正。

熔体泵可以通过允许通常远低于全头压力的头部压力来校正大部分效果。然而，由于掺入填料和聚合物降解和污染的可能性，许多过程不能妨碍熔融泵的使用。在这些应用中，下游工具设计对于线路的性能和盈利能力非常重要。不幸的是，通常没有考虑头部压力在选择下游部件的影响及其对整个过程的影响。

通过适当的设计可以准确地估计和控制头部压力。这涉及主要是简单的东西，例如限制适配器和流管的长度，屏幕更换器的适当尺寸，模具设计对聚合物性能，所有流动通道的适当尺寸为预期输出，以及下游的正确加热。组件。

最简单的流动通道是圆形，狭缝和环。计算每个基本形状的简单近似值。通过为每个形状使用基本的牛顿公式，您可以说明原理并获得对头部压力的良好估计（参见附表和图1）。使用牛顿方程需要在适当温度下确定该聚合物的剪切速率/粘度曲线中的粘度。牛顿分析忽略了墙壁上的一些粘弹性粘性加热和入口效果，因为流动形状变化。必须计算剪切速率，然后将其施加到加工温度下的剪切速率/粘度曲线，以获得正确的粘度。因此，这些是近似值，适用于设备选择，并且它们展示了重要变量的效果，使处理器提供分析的知识，而不会有利于更严格的计算机分析。

在选择下游部件时，往往没有考虑扬程压力的影响及其对整个过程的影响。

从表中可以看出，对于圆形孔板，压力增加了8倍于通道长度，但减小了半径的4次方。对于狭缝孔和环形通道，压力增加了12倍的长度，减少了宽度的一次方和高度或半径差的三次方。因此，为了使水头压力最小化，流道应尽量短，尽量大。然而，“尽可能大”有一个明确的限制。

为了清洁通道的壁（在墙壁上没有得到尺度或静态层），壁上的剪切应力需要足够大，以便在墙壁附近的材料中连续更新（参见图2）。

不同的模具设计人员喜欢不同的应力水平，但10psi是典型的。壁面处的剪应力过低，由于停留时间的差异较大，会使挤出物产生温差，并导致流动不稳定。

甚至可能导致墙壁上的层劣化，具有热敏聚合物。墙壁的剪切应力是一个简单的配方，但取决于压降，如下所述计算：

墙壁剪切应力=ΔP•r / 2L

L是圆形孔的半径，或狭缝开口之间的间隙(H)或环形模间隙(R0-Ri)。正确加热下游工装是控制压头压力的重要组成部分。模具温度应尽可能接近熔体温度。这就阻止了在内壁上形成更冷、更粘的聚合物的水垢或静态层，这只会使流道变窄，并导致压力下降增加。由于其对提高封头压力的影响以及聚合物的低导热性，因此很难通过冷却工具来降低熔体温度。

当装配任何新的形状的挤压线时，应该在输出和冷却计算中考虑来自模具的压头的估计。这是通过最小化流道的长度，并通过调整流道的大小使壁面剪切应力尽可能接近10psi来实现的。

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关于作者Jim Frankland是一名机械工程师，40多年来一直从事各种挤压加工。他现在是Frankland Plastics Consulting, LLC. Contact的总裁jim.frankland@comcast.net或（724）651-9196。