木塑单螺杆挤出机挤出过程喂料混合与传热机理研究

摘要

木塑复合材料WPC(Wood Plastic Composites)具有比纯木材或纯塑料更佳的性质。利用木粉和废塑料复合，不仅可以解决废塑料对城市环境的污染问题，而且可以充分利用木材边角料，其产品在诸多领域具有非常广阔的应用前景。正因其环保的重要作用，国家科技部将其作为“国家重大技术装备研发和重大产业技术开发专项”研究。研究木粉与塑料材料的相融性、探讨利用木粉和废塑料加工成型材及相关设备的可实施性具有重要经济价值及社会意义。
　　木塑加工设备结构主要借鉴塑料加工设备，在应用过程中发现木塑复合材料有诸多不同于塑料的特性，特别是木粉与塑料的混合、加工过程的传热是决定加工质量与能耗的主要因素，各有其特有的规律。研究木塑挤出设备的混合喂料过程及其传热效率将解决加工质量、生产效率及能耗的问题，也是解决加工问题的关键技术。近十几年大量学者进行了多方面的研究，人们对木塑材料的特性有了更多的认识，但对加工设备的研究较为欠缺。如加工过程中如何实现木粉与塑料的均匀混合，木塑粉料在机筒中如何有效吸收能量使其快速达到加工熔融温度等尚未被研究。本文就此问题进行了系统研究。
　　论文主要研究内容及结论:对木塑喂料结构进行分析与研究，通过木塑混合原理和木塑混合实验证明了木塑混合干燥的重要性，证明了干燥的木粉有利于木粉在挤出前混合;应用自制的木塑混合搅拌系统，进行了木塑搅拌混合实验，用相似性实验法证明了影响混合效果的重要因素:湿度、搅拌时间、物料几何形状;对金属板及物料的导热性进行了理论分析与实验研究，了解了导热时间与金属板厚度的对应关系，为导热能量充分利用提供了实验数据;对物料厚度及导热时间进行实验研究，了解木粉、塑料及木粉-塑料混合物在不同壁面温度条件下的导热规律，为合理设计木塑加工螺杆提供实验数据;在理论模拟及实验分析结果基础上设计了新型节能型挤出机机筒，新机筒具有节能、安装拆卸方便的优点。

目录

摘要

1 绪论

1．1 木塑加工设备国内外研究现状

1．1．1 国外木塑发展

1．1．2 国内木塑发展

1．2 预混合和温度对挤出的影响

1．2．1 木塑挤出预混合作用

1．2．2 温度对挤出的影响

1．3 挤出机机筒的加热方法

1．3．1 电阻丝加热

1．3．2 电磁感应加热

1．4 机筒壁热量向筒内传热分析

1．4．1 热传导微分方程的应用

1．4．2 恒热流加热机筒分析

1．4．3 脉冲热流加热机筒分析

1．5 本课题研究的主要内容

2 木塑挤出加工过程中的混合

2．1 木塑混合原理

2．1．1 木塑原料在筒内的混合

2．1．2 混合质量的表征方式

2．1．3 混合效果的统计描述

2．2 新型喂料系统的结构设计

2．2．1 改进设计原理

2．2．2 新结构设计说明

2．2．3 新混合装置

2．2．4 热供给及温度控制

2．3 物料混合实验

2．3．1 实验方案

2．3．2 实验原料及仪器

2．3．3 实验过程

2．3．4 实验结果和分析

2．3．5 实验结论

2．4 本章小结

3 木塑挤出过程的传热

3．1 半无限厚模型对物料的传热分析

3．1．1 非稳态半无限模分析

3．1．2 传热深度与时间的关系

3．2 木塑混合物的熔化

3．2．1 熔化机理

3．2．2 熔化过程中的传热

3．2．3 筒壁温度对熔化的影响

3．3 金属板上物料升温模拟

3．3．1 物料几何模型

3．3．2 金属板上物料升温模拟

3．4 金属板上物料升温实验

3．4．1 实验方案

3．4．2 实验原料及仪器

3．4．3 实验过程

3．4．4 实验结果分析

3．4．5 实验结论

3．5 本章小结

4 金属板升温实验

4．1 实验方案

4．2 实验仪器

4．3 实验过程

4．4 实验结果及分析

4．5 实验结论

4．6 本章小结

5 木塑挤出机新型机筒的设计

5．1 节能式机筒结构设计概述

5．2 节能式机筒设计

5．2．1 节能式机筒的结构设计(方案一)

5．2．2 节能式机筒的结构设计(方案二)

5．2．3 节能式机筒壁厚选择

5．2．4 节能式机筒加热装置的确定

5．2．5 温控装置

5．3 机筒加热功率的确定

5．4 两种节能式机筒对比分析论证

5．4．1 结构设计的论证

5．4．2 加热方式的论证

5．4．3 传热效果的论证

5．5 新型实验用挤出机机筒设计初探

5．5．1 实验用机筒设计背景

5．5．2 实验用机筒的结构设计

5．5．3 实验用机筒的加热方式

5．6 本章小结

结论与展望

1．结论

2．展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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