開槽機筒單螺桿擠出機的研究進展

金曉明，薛 平，賈明?。?，潘 龍，蔡建臣，苗立榮

（1.北京化工大學(xué)塑料機械及塑料工程研究所，北京100029；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100190）

0 前言

高分子材料由于具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。2010年全球塑料消費量超過250000kt［1］，2012年1～5月，國內(nèi)塑料制品累計總產(chǎn)量21470.2kt，同比增長11.17%［2］。不論是塑料樹脂的塑化造粒，還是成型加工，約80%都是通過螺桿擠出工藝實現(xiàn)的，主要原因是螺桿擠出技術(shù)具有將塑料的一系列物理變化過程在機筒和螺桿上一次性連續(xù)完成的優(yōu)勢［3］。

單螺桿擠出機是聚合物加工中應(yīng)用最廣泛的裝備之一。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的單螺桿擠出機按照機筒的特點可分為：光滑機筒單螺桿擠出機、開槽機筒單螺桿擠出機兩類。長期的實踐證明，光滑機筒單螺桿擠出機主要存在如下問題：（1）對物料性能要求苛刻，難以實現(xiàn)高黏度、低摩擦因素物料的穩(wěn)定擠出；（2）固體輸送段建壓能力差，沿螺桿軸向為逆向壓力系統(tǒng)，使擠出機壓力漏流嚴重；（3）物料輸送效率低下，產(chǎn)量低，比能耗較大等。1968年，德國亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所開發(fā)了強制輸送IKV單螺桿擠出機［4］，通過在單螺桿擠出機固體輸送段開設(shè)軸向直槽，將物料之間的內(nèi)摩擦引入物料輸送，從而極大地提高了物料與機筒之間的等效摩擦因數(shù)，成功實現(xiàn)對高黏度物料的穩(wěn)態(tài)擠出，目前已在國內(nèi)外塑料擠出加工行業(yè)普遍采用。

1 開槽機筒單螺桿擠出機

開槽機筒單螺桿擠出機常按溝槽的螺旋升角（θ）進行分類，可分為軸向直槽機筒單螺桿擠出機（θ＝0）和螺旋開槽機筒單螺桿擠出機（-90°＜θ＜90°，且θ≠0），當θ＝±90°時，溝槽與螺桿垂直，沒有實用意義，因此不研究。而螺旋開槽機筒單螺桿擠出機又可分為異向螺旋開槽機筒單螺桿擠出機（機筒溝槽與螺桿螺槽旋向相反，0°＜θ＜90）和同向螺旋開槽機筒單螺桿擠出機（機筒溝槽和螺桿螺槽旋向相同，-90°＜θ＜0°）。由于同向螺旋開槽機筒單螺桿擠出機［5-6］并不適合于工業(yè)應(yīng)用，已經(jīng)被淘汰，因而常將異向螺旋開槽機筒單螺桿擠出機簡稱為螺旋開槽機筒單螺桿擠出機。

開槽機筒單螺桿擠出機的研究主要側(cè)重于溝槽尺寸參數(shù)（溝槽螺旋角、溝槽深度、溝槽寬度、溝槽深寬比等）、物料物性參數(shù)（密度、摩擦因素、黏度等）和加工工藝參數(shù)（加工溫度、螺桿轉(zhuǎn)速等）對擠出機產(chǎn)量、功耗、比能耗、比產(chǎn)量、建壓能力等的影響。

開槽機筒單螺桿擠出機的主要特點是：

（1）開槽機筒單螺桿擠出機內(nèi)的物料存在部分或者全部的強制輸送，從而提高了輸送的穩(wěn)定性；而物料強制輸送的存在，提高了擠出機的產(chǎn)量，且產(chǎn)量不受擠出機背壓的影響；

（2）開槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段建壓能力明顯強于光滑機筒單螺桿擠出機，并可在擠出機內(nèi)建立正向壓力系統(tǒng)，從根本上消除了光滑機筒單螺桿擠出機內(nèi)存在的壓力漏流，進一步提高產(chǎn)量；

（3）長期的實踐還表明，隨著螺桿轉(zhuǎn)速或者機頭背壓的提高，開槽機筒單螺桿擠出機內(nèi)的熔體溫度僅有少量上升；

（4）開槽機筒單螺桿擠出機還能加工高黏度、低摩擦因素以及難以加工的物料，如低摩擦因素和高黏度的超高相對分子質(zhì)量聚乙烯、高黏度和低加工溫度的固體推進劑等。

1.1 軸向直槽機筒單螺桿擠出機

1.1.1 結(jié)構(gòu)特點

軸向直槽機筒單螺桿擠出機是在單螺桿擠出機機筒或機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)軸向直槽，直槽橫向截面形狀一般為三角形、半圓形、矩形、倒梯形、鋸齒形（表1），其中以矩形居多；為了連接下一功能段，軸向截面形狀常設(shè)計成圓錐形，即加料口處溝槽深度最大，之后逐漸變淺，到溝槽末端溝槽深度減小為0。

表1 溝槽端面形狀Tab.1 Groove shapes

1.1.2 輸送機理

由于引入軸向直槽，在擠出機內(nèi)部物料被分成了軸向直槽內(nèi)物料和螺桿螺槽內(nèi)物料兩部分。隨著螺桿的轉(zhuǎn)動，螺桿螺槽內(nèi)物料與機筒和機筒溝槽內(nèi)物料存在相對運動，從而造成螺桿螺槽中物料與機筒溝槽內(nèi)物料之間發(fā)生內(nèi)摩擦和螺桿螺槽中物料與機筒表面之間發(fā)生外摩擦，如圖1所示。

此時物料與機筒之間的等效摩擦因數(shù)計算公式［7］如式（1）所示。

式中 N——溝槽數(shù)

B——溝槽寬度

H——溝槽深度

D——螺桿公稱直徑

μi——物料內(nèi)摩擦因素μo——物料外摩擦因素

由于物料的μi大約是μo的3～5倍，因而開槽機筒單螺桿擠出機能極大地提高固體輸送的等效摩擦因數(shù)，從而提高固體輸送效率。

1.1.3 研究進展

1968年，德國亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所開發(fā)了強制輸送IKV單螺桿擠出機并進行了初步的理論分析，研究人員常將此作為軸向直槽機筒單螺桿擠出機問世的標志。

圖1 軸向直槽機筒單螺桿擠出機輸送機理Fig.1 Conveying mechanism of axial groove barrel straight single screw extruder

在國外軸向直槽機筒單螺桿擠出機的相關(guān)研究中，德國Potente H、美國Rauwendaal C和波蘭Sikora等對相關(guān)理論的研究作出了突出貢獻。

Potente H對軸向直槽機筒單螺桿擠出機進行了相當深入、系統(tǒng)的研究，其先后研究了不同螺桿轉(zhuǎn)速下的軸向直槽機筒單螺桿擠出機固體輸送特性［7］、固體輸送段軸向直槽機筒單螺桿擠出機中物料的停留時間分布特性［8］、軸向直槽機筒單螺桿擠出機在壓力相關(guān)情形下的固體輸送特性［9］、機筒襯套溝槽深度和螺桿螺槽深度對固體粒料輸送機理的影響［10］，得出了固體輸送段開設(shè)軸向直槽機筒單螺桿擠出機的相關(guān)產(chǎn)量計算公式、壓力計算公式和能耗計算公式，以及停留時間分布特性等。

Rauwendaal C等［11］研究分析了可調(diào)式軸向直槽機筒單螺桿擠出機（圖2）的工作過程。指出可調(diào)式軸向開槽機筒單螺桿擠出機通過改變溝槽深度實現(xiàn)對機筒襯套溝槽幾何尺寸的調(diào)節(jié)，有徑向和軸向兩種槽深調(diào)節(jié)方式，機筒襯套溝槽在加料口處最深，沿螺桿軸向逐漸變淺，在固體輸送段末端處槽深為0，工作中可根據(jù)不同物料的特性對機筒襯套溝槽深度進行自由調(diào)節(jié)以滿足對不同物料的加工需求。Sikora研究［12-13］表明：（1）當溝槽錐角很小時，隨著溝槽錐角增大，物料流率會有輕微的減少，在溝槽錐角超過臨界值后，物料流率隨錐角增大持續(xù)增大；（2）當溝槽錐角很小時，光滑機筒擠出機的比能耗要低于軸向開槽擠出機的比能耗，在溝槽錐角超過某一值后，軸向開槽機筒擠出機的比能耗則低于光滑機筒擠出機的比能耗。

除此之外，Duska J J對溝槽軸向長度和溝槽深度對擠出不同物料性能的影響進行了研究［14-15］；Franzkoch B和Menges G對溝槽的數(shù)量和溝槽長度等進行了研究［16］，并給出了軸向長度不宜超過5D、溝槽數(shù)目不超過螺桿直徑的1／10；Rautenbach R［17-18］用實體法研究了溝槽數(shù)量和螺槽最小配合尺寸下擠出粉料和粒料的區(qū)別；Davis B A研究了45mm直徑軸向開槽擠出機的壓力分布特性、螺桿和機頭特性曲線以及熔體溫度分布特性曲線［19］；Panagopoulos Jr G比較了光滑機筒擠出機和溝槽機筒擠出機在線形低密度聚乙烯成膜性能與質(zhì)量方面的不同［20］，有效推動了軸向直槽機筒單螺桿擠出機的發(fā)展。

圖2 可調(diào)式軸向直槽加料段Fig.2 Feed housing with adjustable groove depth

國內(nèi)對開槽機筒單螺桿擠出機認識和研究起步較晚，而且重視程度不夠，相關(guān)文獻很少。早期的研究者有張鐵年、劉輝、羅世杰等，他們主要從實際的應(yīng)用角度對軸向直槽機筒單螺桿擠出機進行了相應(yīng)研究。張鐵年［21］介紹了具有開槽進料段的單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)和特點，并扼要討論了用于不同類型樹脂加工和產(chǎn)品生產(chǎn)時軸向開槽進料段襯套的設(shè)計要點和使用經(jīng)驗；羅世杰［22-23］引進了伊藤公正關(guān)于加料段機筒軸向開槽擠出機的整機性能的研究；劉輝等［24］建立了以強制加料擠出機產(chǎn)量和能耗為優(yōu)化目標的數(shù)學(xué)模型，模擬了機筒襯套溝槽和螺桿螺槽幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對固體輸送性能的影響。

1.1.4 小結(jié)

多年來有關(guān)加料段軸向直槽機筒單螺桿擠出機的研究均是從Darnel-Mol模型出發(fā)，以如何有效增大機筒襯套表面的等效摩擦因數(shù)為目的。因此，這些改進方法或設(shè)備雖顯著提高了擠出機的產(chǎn)量和擠出過程中的穩(wěn)定性，但還存在以下問題：

（1）物料在輸送過程中受到強烈的剪切作用，導(dǎo)致固體輸送段產(chǎn)生大量的摩擦耗散熱，固體輸送段需要強制冷卻，造成額外的能耗；

（2）物料輸送中存在的高剪切、高摩擦熱，導(dǎo)致對不同加工物料的適應(yīng)性差；

（3）因固體塞內(nèi)部受到較大的周向剪切，導(dǎo)致機筒襯套磨損大，設(shè)備成本增加；

（4）擠出機整體的比產(chǎn)量減小，比能耗加大。

1.2 螺旋開槽機筒單螺桿擠出機

1.2.1 結(jié)構(gòu)特點

螺旋開槽機筒單螺桿擠出機基本特點與軸向直槽機筒單螺桿擠出機的類似，區(qū)別在于機筒或者機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)了與螺桿螺槽旋向相反的螺旋溝槽。

1.2.2 輸送機理

螺旋開槽機筒單螺桿擠出機由于溝槽和螺桿結(jié)構(gòu)尺寸的不同，存在兩種完全不同的輸送機理：摩擦拖曳輸送理論和雙螺棱推動輸送理論。通過改變不同的螺桿結(jié)構(gòu)和螺旋溝槽結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)兩種輸送機理之間的轉(zhuǎn)變。

摩擦拖曳輸送理論與軸向直槽機筒單螺桿擠出機的輸送理論類似，可將其類比為螺母模型：固體塞與螺母類似，機筒與扳手類似，螺桿則與螺栓類似。當塑料被壓成密實的固體塞，它像一個螺母一樣由扳手（機筒）拖動著沿螺桿軸向移動。其主要的實現(xiàn)手段是提高固體輸送的等效摩擦因數(shù)。

雙螺棱推動輸送理論的輸送過程類比剪刀模型：剪刀的兩刃與螺桿螺棱、加料套螺棱推進面類似，被剪的板與固體塞類似，剪刀兩刃之夾角（α）與兩螺棱推進面的夾角［180°-（φ＋θ）］類似（φ和θ分別為螺桿和螺旋溝槽的螺旋升角）。對剪板而言，兩刃夾角大，板則打滑而不能剪斷，兩刃夾角小，板則不打滑而容易剪斷。對于固體輸送而言，要求兩螺棱推進面的夾角大，不使固體塞被剪切而讓其打滑；當然，兩螺棱推進面的夾角也不是越大越好，太大會影響輸送流率。雙螺棱推動理路的核心思想是避免固體塞發(fā)生周向剪切，實現(xiàn)單螺桿擠出機由拖曳輸送向正位移輸送轉(zhuǎn)化。

1.2.3 研究進展

1981年，Machen［25］在固體輸送段開設(shè)了與螺桿旋向相反的螺旋溝槽，如圖3所示，從而可以實現(xiàn)將物料壓實成連續(xù)固體塞，達到熔體壓力不依賴于熔體的黏度，完全由固體輸送段的壓力促使物料向前輸送。

1985年，Grünschlo?［26］研究了機筒襯套溝槽螺旋角對擠出機性能的影響。研究表明，機筒襯套溝槽螺旋角增大，壓力會下降，當螺槽內(nèi)填滿物料時，螺桿啟動扭矩以及機筒和螺桿表面磨損均減小。

圖3 Machen發(fā)明的螺旋開槽機筒單螺桿擠出機Fig.3 Helically grooved single screw extruder invented by machen

2003年，Miethlinger［27］對比研究了軸向直槽和螺旋溝槽固體輸送段擠出機的性能。研究中考慮到機筒襯套溝槽對機筒表面等效摩擦因數(shù)的影響，并引入溝槽有效面積來計算固體輸送角。研究表明：（1）當機筒襯套溝槽螺旋角在40°～65°之間時，擠出機的產(chǎn)量最大，而當機筒襯套溝槽螺旋角超過65°時，產(chǎn)量開始下降；（2）當機筒襯套溝槽螺旋角恒定時，螺桿螺距增大產(chǎn)量提高。

2002年以來，Potente H 等［8，28-29］研究了適用于谷物的螺旋開槽機筒單螺桿擠出機。

在國內(nèi)，北京化工大學(xué)塑料機械研究所對螺旋開槽機筒單螺桿擠出機進行了創(chuàng)新性的研究，提出了螺旋開槽機筒單螺桿擠出機雙螺棱推動理論、正位移輸送理論，為螺旋開槽機筒單螺桿擠出機的工業(yè)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

2007年，北京化工大學(xué)塑料機械研究所［30］首次提出了螺旋溝槽單螺桿擠出機的雙螺棱推動理論，并對其進行了理論分析和推導(dǎo)，得出實現(xiàn)雙螺棱推動理論下的正位移輸送的判定系數(shù)（k）。

2010年，潘龍等［31］通過在單螺桿擠出機固體輸送段機筒內(nèi)壁開設(shè)螺旋溝槽，建立了將機筒與螺桿視為一個對物料協(xié)同作用的整體的新型物理模型——弧板模型（見圖4），擴展了雙螺棱推動理論實現(xiàn)正位移輸送的邊界條件，并以此為理論依據(jù)進行螺旋開槽機筒單螺桿擠出機的設(shè)計，申報了國家發(fā)明專利一項［32］。

圖4 螺旋溝槽單螺桿擠出機固體輸送弧板模型Fig.4 Solids conveying arc-plate model of helically grooved single screw extruders

2011年以來，潘龍等［3，33-34］在螺旋溝槽單螺桿擠出機上建立了雙螺棱推動理論、正位移輸送理論等全新理論，深入分析了溝槽結(jié)構(gòu)尺寸（溝槽深度、溝槽寬度、螺旋升角等）、物料物性參數(shù)（密度、粒徑、黏度）等，對螺旋開槽機筒單螺桿擠出機的產(chǎn)量、能耗、壓力分布等進行了詳細研究。理論分析獲得了螺旋開槽機筒單螺桿擠出機實現(xiàn)正位移輸送的第一、第二邊界條件，可用于指導(dǎo)相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計；通過分析求解螺槽中固體塞的連續(xù)性方程和運動方程，得到了滿足固體塞正位移輸送機理下的固體輸送段建壓方程式和固體塞運動方程式，研究了正位移輸送機理下固體輸送段的建壓特性，并使用螺桿擠出固體輸送段在線模擬試驗機進行了實驗驗證，揭示了正位移輸送機理下固體輸送段的建壓機理；根據(jù)機筒襯套溝槽深度和螺桿螺槽深度及原料粒徑間的尺寸關(guān)系，建立了新型粒徑輸送模型，分析了不同機筒襯套溝槽深度和螺桿螺槽深度及原料粒徑間的尺寸關(guān)系對螺旋溝槽單螺桿擠出機固體輸送機理的影響，定量計算了不同固體輸送機理下螺旋溝槽單螺桿擠出機固體輸送段的產(chǎn)量和能耗；依據(jù)雙螺棱推動理論研制了具有正位移固體輸送能力的新型螺旋溝槽式單螺桿擠出機，可方便更換不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機筒襯套和螺桿裝置，在線采集擠出機的機頭壓力、產(chǎn)量、能耗和溫度等特性參數(shù)。苗立榮等［35-36］據(jù)此將螺旋溝槽單螺桿擠出機與IKV擠出機進行對比，分析了產(chǎn)量、能耗、壓力等性能參數(shù)。

1.2.4 小結(jié)

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，國外的研究基本是基于摩擦拖曳輸送機理下的分析和研究，2006年以后的研究目前尚未找到。而國內(nèi)的研究，特別是以北京化工大學(xué)為代表的，主要集中于雙螺棱推動理論的研究。目前針對螺旋開槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段理論的研究比較成熟，但是有關(guān)后續(xù)的研究還不是很多，例如螺旋開槽機筒單螺桿擠出機熔融段物料熔融機理等研究相對匱乏。

2 產(chǎn)量與熔融能力匹配

2.1 問題描述

開槽機筒單螺桿擠出機在機筒或者機筒襯套內(nèi)壁開設(shè)軸向直槽、螺旋溝槽均能夠大幅提高單螺桿擠出機產(chǎn)量，但是伴隨著產(chǎn)量的大幅提高，給熔融帶來很大負擔，僅靠機筒外熱源和聚合物與機筒內(nèi)表面之間的外摩擦不足以使固相徹底熔融，從而導(dǎo)致熔融塑化質(zhì)量差，而固體輸送和熔融塑化能力的不匹配又導(dǎo)致固體輸送段壓力過大，進而造成套筒磨損加劇和能源利用效率降低。

2.2 當前解決途徑

為提高塑化質(zhì)量，當前解決途徑一般采用加大長徑比的螺桿設(shè)計、采用混煉元件（如分離型螺桿、銷釘混煉頭、Maddock混煉頭等）或不得不降低螺桿轉(zhuǎn)速的方法。加大長徑比導(dǎo)致物料塑化輸送所經(jīng)歷的熱力學(xué)歷程過長、能耗增加、設(shè)備體積龐大等問題；混煉元件雖塑化、剪切、分散能力較好，但輸送能力較弱，無正向泵送作用，是一種壓力消耗元件，能耗大，并會產(chǎn)生較高的壓力降且容易產(chǎn)生滯流，嚴重影響擠出的穩(wěn)定性，是治標不治本的措施；降低轉(zhuǎn)速更是以犧牲效率和產(chǎn)量為代價。因此，上述手段和措施均無法以從本質(zhì)上解決溝槽機筒擠出機的熔融塑化問題。

2.3 研究進展

通過在螺桿上增加提高塑化混煉的元件，可以有效提高擠出機的塑化效果，而屏障型螺桿憑借其優(yōu)異的熔融塑化效果，被廣泛采用。針對軸向直槽機筒配備屏障型螺桿的單螺桿擠出機，Wortberg［37］研究指出其主要優(yōu)點是高的比產(chǎn)量和產(chǎn)量不受背壓影響，并且結(jié)合螺桿設(shè)計，可以實現(xiàn)大部分聚合物的最大產(chǎn)量和優(yōu)異的熔融質(zhì)量；Daniel［38］研究其產(chǎn)量僅為機筒結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺桿轉(zhuǎn)速和物料密度的函數(shù)；Timothy［39］研究了3種不同結(jié)構(gòu)的屏障型螺桿的性能，指出不同的螺桿結(jié)構(gòu)對產(chǎn)量、壓力和熔體溫度的影響都非常顯著，需要對溝槽機筒擠出機的螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計進行相當?shù)闹匾暋?003～2004年，德國斯圖加特大學(xué)的 Grünschlo?［40-42］相繼報道了一種新型的Heliber擠出機（見圖5），其典型結(jié)構(gòu)特點為機筒全程開設(shè)螺旋溝槽，螺桿采用分離型螺桿，并增加了混煉元件和剪切元件。

圖5 Heliber擠出機Fig.5 Heliber extruder

也有研究者從單螺桿擠出機機筒上進行研究。Potente H等［29，43］研發(fā)了一種新型螺旋開槽機筒單螺桿擠出機。該擠出機主要應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域，為解決熔融效率與固體輸送效率匹配提供了一個新思路。該擠出機基本結(jié)構(gòu)包括多頭螺桿和異向多頭機筒溝槽，兩者相互配合，可以實現(xiàn)如圖6所示的沿螺桿周向布置的固體輸送段、熔融段、熔體輸送段。由于在螺桿與機筒間隙處存在較大的速度差，造成間隙處為物料與物料之間的內(nèi)摩擦而非物料與機筒之間的外摩擦，其摩擦熱生成效率很高，間隙處首先熔融；由于機筒溝槽呈圓錐形，溝槽深度逐漸減小，而螺桿螺槽深度則相應(yīng)的增加，兩者協(xié)調(diào)將熔融的物料壓入螺桿，始終保持間隙處為未熔融的物料，利用物料的內(nèi)摩擦熱實現(xiàn)高效熔融；機筒溝槽內(nèi)物料為未熔融物料，螺桿螺槽內(nèi)物料為熔融物料。該擠出機熔融生物可降解材料的全部熱源來自于螺桿與機筒間隙處的剪切熱，由于該剪切熱為物料之間的內(nèi)摩擦熱，因而生熱效率相比傳統(tǒng)的物料與機筒之間的內(nèi)摩擦熱高很多，使其熔融效率顯著提高，可以在極短的長徑比（L／D≤5）內(nèi)實現(xiàn)物料的熔融。Potente在給出該擠出機設(shè)想之后，繼續(xù)給出了其產(chǎn)量計算公式［44］、能耗計算公式［45］，其與擠出機實際的能耗誤差在均在可接收范圍之內(nèi)。2006年，Potente［46］指出，由于固體輸送的物料不密實，熔膜并沒有在預(yù)定的螺桿與機筒間隙處出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在了機筒溝槽的內(nèi)表面，仍然是利用了機筒上的外熱源和物料與機筒之間外摩擦實現(xiàn)物料的熔融，從而破壞了原有的相關(guān)假設(shè)，造成擠出物熔融不完全。

圖6 傳統(tǒng)擠出機和徑向熔融擠出機功能段分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of the arrangement of the functional sections

國內(nèi)針對提高溝槽機筒擠出機熔融能力的相關(guān)研究論文尚未見到。

2.4 小結(jié)

從當前國外研究的趨勢分析，目前通過螺桿改型或者增加功能段，可以較好地解決溝槽機筒擠出機固體輸送效率和熔融速率的匹配，但是設(shè)備成本較高；Potente的嘗試，雖然理論與實踐有所矛盾，但是如果能夠?qū)崿F(xiàn)物料的密實輸送，也許能夠像Potente原先設(shè)想的那樣可以實現(xiàn)物料的周向熔融。塑化問題已經(jīng)成為當前制約開槽機筒單螺桿擠出機實現(xiàn)高速化、高效化、節(jié)能化發(fā)展以及大型塑料制品擠出成型的技術(shù)瓶頸。在提高開槽機筒單螺桿擠出機固體輸送效率的同時，如何從本質(zhì)上提高其熔融塑化效率，進而真正實現(xiàn)高速、高效和節(jié)能，是當前學(xué)術(shù)界和工程界的難題。

3 開槽機筒單螺桿擠出機的應(yīng)用

開槽機筒單螺桿擠出機可加工摩擦因素較小的物料、黏度較高但對溫度控制要求較高的物料、加工不規(guī)則形狀顆粒，因而在很多行業(yè)都有相關(guān)的應(yīng)用。

在食品加工行業(yè)，開槽機筒單螺桿擠出機應(yīng)用出現(xiàn)于19世紀60年代，當時主要用于谷物的和膨化食品的加工。Potente研發(fā)的專用于生物可降解材料加工的全程螺旋開槽機筒單螺桿擠出機開創(chuàng)了食品加工領(lǐng)域溝槽機筒擠出機的新時代。

在塑料加工行業(yè)，開槽機筒單螺桿擠出機應(yīng)用比較成熟除先前介紹的Heliber擠出機之外，超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（PE-UHMW）專用單螺桿擠出機也是一個比較成熟的溝槽機筒擠出機的應(yīng)用領(lǐng)域。PE-UHMW因其黏度極高，成型加工困難，長期以來只能采用壓制燒結(jié)和柱塞推壓的方法成型制品，北京化工大學(xué)［47-48］經(jīng)過長期研究，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在不添加任何加工助劑下應(yīng)用專用單螺桿擠出機直接擠出PEUHMW各類制品的能力，促進了其廣泛應(yīng)用。

在軍事工業(yè)方面，作為常用材料的固體推進劑因具有高黏度、低加工溫度、低流動指數(shù)等特點，很難用常規(guī)擠出機進行加工，需要設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)正位移單螺桿擠出機，開槽擠出機理論具有一定的借鑒作用。

4 結(jié)語

（1）軸向直槽機筒單螺桿擠出機和螺旋開槽機筒單螺桿擠出機均具有擠出產(chǎn)量高、擠出穩(wěn)定性好、建壓能力強等優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域已有比較成功的應(yīng)用；

（2）當前開槽機筒單螺桿擠出機的研究熱點主要集中在固體輸送段，對固體輸送段的固體輸送效率、能耗分析、建壓能力分析等都有了比較成熟的研究成果，但是對固體輸送段的溫度分布、固體輸送段結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方面相關(guān)研究較少，而這些研究對后續(xù)功能段影響較大，必將限制開槽機筒單螺桿擠出機的進一步發(fā)展；

（3）除了對固體輸送段研究較多外，對后續(xù)功能段如熔融段的研究相對較少。由于開槽機筒單螺桿擠出機相對于傳統(tǒng)光滑機筒單螺桿擠出機而言，其固體輸送效率有了極大提高，而目前并沒有行之有效的方法來解決固體輸送效率和熔融效率的匹配問題，因而后續(xù)的研究應(yīng)該向提高聚合物熔融效率方向傾斜。提高聚合物熔融效率已經(jīng)成為限制當前開槽機筒單螺桿擠出機發(fā)展的一大障礙；

（4）雖然目前開槽機筒單螺桿擠出機已在多個領(lǐng)域有所應(yīng)用，但是關(guān)于開槽機筒單螺桿擠出機的完整理論尚未成型，尤其是熔融段塑化理論還沒有相關(guān)研究，已經(jīng)制約了開槽機筒單螺桿擠出機的發(fā)展。開展對開槽機筒擠出機的基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)應(yīng)用研究，大幅提高單螺桿擠出機的擠出效率，滿足當前塑料加工行業(yè)的苛刻要求，提升我國塑機行業(yè)的創(chuàng)新能力，具有重要的理論意義及工業(yè)價值。

［1］生意社.中國塑料產(chǎn)量增加成全球塑料消費最大國［EB／OL］.http：／／china.toocle.com／cbna／item／2012-01-05／6601148.html.

［2］生意社.2012年1-5月中國塑料制品產(chǎn)量情況［EB／OL］.http：／／china. toocle. com／cbna／item／2012-06-21／6772212.html.

［3］潘 龍.螺旋溝槽單螺桿擠出機新型擠出理論研究［D］.北京：北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，2012.

［4］Schreider K，Der F?rdenorgang in Der Einzugszone Eines Exthuders［D］.Aachen：Faculty of mechanical Engineering 1968.

［5］A Magerkurth W.Extrusion Apparatus：United States，2765491［P］.1956-10-09.

［6］Maillefer C.Screw-type Plastics Extruder：Switzerland，4154535［P］.1979-05-15.

［7］Potente H.The Forced Feed Extruder Must Be Reconsidered［J］.Kunstst Ger Plast，1988，78（4）：37-42.

［8］Potente H， Koch M. Residence Time Behavior in Grooved-barrel Extruders［J］.Advances in Polymer Technology，1989，9（2）：119-127.

［9］Potente H，Stenzel H，Bergedieck J.Output Computation in the Grooved-barrel Extruder with Regard to Various Conveyance Techniques［J］.Advances in Polymer Technology，1990，10（4）：285-295.

［10］Potente H，Sch ppner V.A Throughput Model for Grooved Bush Extruders［J］.International Polymer Processing X，1995，（4）：289-295.

［11］Rauwendaal C，Sikora J.The Adjustable Grooved Feed Extruder［J］.International Polymer Processing，2000，15（2）：26-30.

［12］Sikora J W.The Effect of the Feed Section Groove Taper Angle on the Performance of a Single Screw Extruder［J］.Polymer Engineering ＆ Science，2001，41（9）：1636-1643.

［13］周 密.喂料段溝槽錐角對單螺桿擠出機性能的影響［J］.塑料擠出，2004，（2）：36-42.Zhou Mi.The Effect of the Feed Section Groove Taper Angle on the Performance of a Single-screw Extruder［J］.Extrusion Equipment，2004，（2）：36-42.

［14］Duska J J，Gasior J，Pomper A W.Effects of Grooved Feed Throat on Extruder Performance［J］.Plastics Engineering，1975：434-438.

［15］Duska J J，Gasior J.How Grooved Feed Throat Design Effects Extruder Performance［J］.Plastics Engineering，1976，（S1）：432-438.

［16］Franzkoch B，Menges G.Grooved Forced-feeding Zone Can Improve Extruder Performance［J］.Plastics Engineering，1978，34（7）：51-54.

［17］Rautenbach R，Peiffer H.Model Calculation for the Design of the Grooved Forced Conveying Feed Section of Single-screw Extruders［J］.Kunstst Ger Plast，1982，72（3）：6-11.

［18］Rautenbach R，Peiffer H.Throughput and Torque Characteristics of Grooved Feed Sections in Single-screw Extruders［J］.Kunstst Ger Plast，1982，72（5）：199-204.

［19］Davis B A，Grama P J，Emdpn，et al.Grooved Feed Single Screw Extruders-improving Productivity and Reducing Viscous Heating Effects［J］.Polymer Engineering and Science，1998，38（7）：1199-1204.

［20］Panagopoulos Jr G.Comparison of Grooved Feed vs.Smooth Bore Extrusion on LLDPE Film Properties and Film Quality［C］.Atlanta，Georgia.ANTEC，1998：45-46.

［21］林鐵年，楊平福.進料段軸向開槽擠出機的特點和使用經(jīng)驗［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，1989，（4）：22-31.Lin Tienian，Yang Pingfu.Features and Operation Experience af the Axial Grooved Feed Zone Used Extuders［J］.Modern Plastics Processing and Applications，1989，（4）：22-31.

［22］羅世華.用開槽進料段提高單螺桿擠出機的性能（連載之一）［J］.塑料加工應(yīng)用，1990，（4）：42-56.Luo Shihua.Performance Improvement with Grooved Feed Single-Screw Extruder（1）［J］.Plastics Processing and Applications，1990，（4）：42-56.

［23］羅世華.用開槽進料段提高單螺桿護出機的性能（連載之二）［J］.塑料加工應(yīng)用，1991，（1）：65-80.Luo Shihua.Performance Improvement with Grooved Feed Single-screw Extruder（2）［J］.Plastics Processing and Applications，1991，（1）：65-80.

［24］劉 輝，吳 靖，馮金海，等.強制加料擠出機優(yōu)化目標數(shù)學(xué)模型的建立［J］.塑料科技，1994，（6）：31-34.Liu Hu，Wu Jing，F(xiàn)eng Jinhai，et al.Optimization Objective Mathematical Model of Forced Feeding Extruder［J］.Plastics Science and Technology，1994，（6）：31-34.

［25］F Machen J.High-speed Direct-drive Extruder：United States，4249877［P］.1981-02-10.

［26］Grünschlo? E.Process Improvements in Single-screw Extruders with Grooved Feed Sections［J］.Kunstst Ger Plast，1985，75（11）：850-854.

［27］Meithlinger J. Modelling the Solids Feed Section in Grooved-feed Extruders［J］.Kunststoffe Plast Europe，2003，（4）：17-19.

［28］Potente H，Heim H P，Ernst W，et al.Characterisation and Modelling of Specific Enthalpy and Heat Conductivity of Corn Grits under Consideration of Water Sorption Behaviour［J］.Starch St?rke，2006，58（2）：82-91.

［29］Potente H，Reckert F.Extruder Concept for the Direct Plastification of Cereal Materials［J］.Macromolecular Materials and Engineering，2002，287（11）：791-799.

［30］唐廣利，賈明印，薛 平，等.IKV擠出機新型固體輸送理論研究［J］.中國塑料，2007，21（2）：90-95.Tang Guangli，Jia Mingyin，Xue Ping，et al.Research on Novel Solid Conveying Theory of IKV Extruders［J］.China Plastics，2007，21（2）：90-95.

［31］潘 龍，賈明印，薛 平，等.螺旋溝槽單螺桿擠出機雙螺棱推動理論模型的研究［J］.中國塑料，2010，24（11）：94-99.Pan Long，Jia Mingyin，Xue Ping，et al.Study on Double Flight Driving Theoretic Model for Helically Grooved Feed Single Screw Extruder［J］.China Plastics，2010，24（11）：94-99.

［32］唐廣利，賈明印，薛 平，等.一種基于雙螺棱推動輸送的單螺桿擠出機：中國，102152464A［P］.2011-08-17.

［33］潘 龍，賈明印，薛 平，等.螺旋溝槽單螺桿擠出機中固體段壓力分布研究［J］.中國塑料，2011，25（4）：102-106.Pan Long，Jia Mingyin，Xue Ping，et al.Pressure Distribution in Solid Section of Helically Grooved Feed Singlescrew Extruders［J］.China Plastics，2011，25（4）：102-106.

［34］賈明印，薛 平，苗立榮，等.單螺桿擠出機螺旋溝槽固體段產(chǎn)量的實驗研究［J］.當代化工，2012，41（1）：4-6.Jia Mingyin，Xue Ping，Miao Lirong，et al.Experimental Research on the Throughput of Solid Conveying Section in Helically Grooved Feed Single-screw Extruder［J］.Contemporary Chemical Industry，2012，41（1）：4-6.

［35］苗立榮.螺旋溝槽襯套單螺桿擠出機固體輸送段的研究［D］.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，2011.

［36］苗立榮，潘 龍，薛 平，等.單螺桿擠出機螺旋溝槽固體段壓力的實驗研究［J］.當代化工，2011，41（4）：347-350.Miao Lirong，Pan Long，Xue Ping，et al.Experimental Research on the Pressure of Solid Conveying Section in Helically Grooved Feed Single-screw Extruder［J］.Contemporary Chemical Industry.2011，41（4）：347-350.

［37］Wortberg J，Michels R.Barrier Screws for Grooved Barrel Extruders High Performance Extrusion for a Broad Range of Resins［C］.Toronto SPE-ANTEC，1997.48-52.

［38］Schl?fli D， Zweifel Y. Barrier Screws in Helically Grooved Barrels：Operating Characteristics and Implications For Simulation Models［C］.Dallas，TX.ANTEC，2001：195-199.

［39］W Womer T，S Simith W，P Wheeler R.Empirical Evaluation of Different Groove Feed Screw Geometries［C］.Boston，MA（US）.ANTEC，2005：281-285.

［40］Grünschlo?E.Spiral-grooved Barrel Extrudes Faster［J］.Plastics Technology，2003，49（7）：15.

［41］Grünschlo?E.Helibar-a Powerful Universal Plasticating System for Single-screw Extruders and Injectionmoulding Machines［J］.International Polymer Processing，2003，18（3）：226-234.

［42］Grünschlo?E.Helibar A New Style Single Screw Extruder with Improved Plastification and Output Power［J］.Intern Polymer Processing XVII，2002，（4）：291-300.

［43］Potente H，Reckert F.The Processing of Renewable Resources Using a Short Single Screw Extruder with a Combined Section for Solid Conveying and Plastification［C］.Florida：ANTEC，2000：292-296.

［44］Potente H，Reckert F.Solid Conveying Model for Determining the Throughput for Ultra-short Single Screw Extruders with Spiral-groove Cylinder［C］.Dallas：ANTEC，2001：200-204.

［45］Potente H，Ernst W.A New Machine Conception for the Extrusion of Biodegradable Foams and the Influence of Process Parameters on Product Properties［C］.Nashville：ANTEC，2003：163-167.

［46］Potente H，Heim H P，Kleineheismann S.Experimental Investigations on the Plasticating Process Short Single Screw Extruder for Biopolymers［C］.Charlotte，North Carolina.ANTEC，2006：887-891.

［47］何繼敏，薛 平，何亞東，等.超高分子量聚乙烯單螺桿擠出的輸送機理研究［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2001，17（1）：1-3.He Jiming，Xue Ping，He Yadong，et al.Research on Conveying Mechanism of Ultra High Molecular Weight Polyethylene Single-screw Extrusion［J］.Polymer Materials Science ＆Engineering，2001，17（1）：1-3.

［48］薛 平，何繼敏，何亞東.單螺桿擠出機擠出大口徑超高分子量聚乙烯（UHMWPE）管材技術(shù)［J］.中國科技成果，2004，（8）：95-100.Xue Ping，He Jiming，He Yadong.Large Diameter Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Pipe Technology with Single-screw Extruder［J］.China Science and Technology Achievements，2004，（8）：95-100.