瞬態(tài)熔融理論在單螺桿擠出機(jī)中研究進(jìn)展

金曉明，賈明印，薛 平，李珊珊

（北京化工大學(xué) 塑料機(jī)械及塑料工程研究所, 北京 100029）

瞬態(tài)熔融理論在單螺桿擠出機(jī)中研究進(jìn)展

金曉明，賈明印，薛 平，李珊珊

（北京化工大學(xué) 塑料機(jī)械及塑料工程研究所, 北京 100029）

總結(jié)了瞬態(tài)熔融理論的發(fā)展歷程，并對(duì)比了其與螺桿擠出行業(yè)中的強(qiáng)制熔體移走的熔融理論?？偨Y(jié)了瞬態(tài)熔融理論應(yīng)用于單螺桿擠出機(jī)的相關(guān)熔融理論的研究，指出將瞬態(tài)熔融理論與溝槽機(jī)筒和分離型螺桿結(jié)合，理論上可提高單螺桿擠出機(jī)熔融能力的提升，從而匹配溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的高固體輸送效率，提升單螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量和制品質(zhì)量。

瞬態(tài)熔融； 單螺桿擠出機(jī)； 熔融； 溝槽； 分離型螺桿

單螺桿擠出機(jī)是聚合物加工中應(yīng)用最廣泛的裝備之一。對(duì)單螺桿擠出機(jī)熔融理論的研究多集中于20世紀(jì)后半葉的繁盛時(shí)期。在熔融理論繁盛時(shí)期，科研工作者們提出了很多的沿用至今的熔融理論，其中最主要也是影響最深遠(yuǎn)的是Tadmor熔融理論[1]，其后很多研究者基于Tadmor熔融理論和自身的實(shí)踐研究，提出了相關(guān)的修正[2,3]和擴(kuò)展[4-9]。北京化工大學(xué)朱復(fù)華教授在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身可視化研究等手段，提出了三段七區(qū)擠出理論[10]，其中將擠出機(jī)熔融段分成了上熔膜區(qū)（延遲區(qū)）、下熔膜區(qū)、環(huán)流區(qū)、固相破碎區(qū)等四步，對(duì)國內(nèi)擠出熔融相關(guān)理論研究的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21世紀(jì)，擠出過程熔融理論的研究相對(duì)而言就少了許多，但瞬態(tài)熔融理論在擠出機(jī)中的應(yīng)用正逐漸受到重視。在朱復(fù)華教授的相關(guān)研究中[11]，曾明確的指出，在固體輸送段末端，物料與機(jī)筒之間存在摩擦，從而導(dǎo)致物料受摩擦熱影響而開始熔融，這樣的熔融是基于物料與機(jī)筒之間的摩擦熱的，該現(xiàn)象可以利用瞬態(tài)熔融理論來進(jìn)行分析，并進(jìn)一步將其優(yōu)化擴(kuò)展，為熔融段高效熔融理論服務(wù)，從而根本上解決溝當(dāng)前日益嚴(yán)重的熔融效率與固體輸送段產(chǎn)量之間的不匹配問題。

1 瞬態(tài)熔融理論介紹

瞬態(tài)熔融，英文為Transient Melting，和緊密接觸熔融（Close Contact Melting）是同一種原理的不同說法。其基本的原理是：當(dāng)固體材料與剛性加熱體（熱源）間相互擠壓，且熱源溫度高于或等于固體材料的熔化溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)固體熔化現(xiàn)象；由于受引力、浮力與張力等作用產(chǎn)生相互擠壓，固體與熱源間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熔化的液體不斷地產(chǎn)生，并通過一個(gè)薄的液體層被擠向兩側(cè)，使得固體在熔化過程能保持與熱源的“接觸”，從而獲得較高的熔化率。否則，如果固體與熱源間沒有相互運(yùn)動(dòng), 熔融的物質(zhì)流動(dòng)僅僅是自然對(duì)流作用的結(jié)果，且很微弱，這樣的熔化稱為非接觸式或固定式熔融。因此，瞬態(tài)熔融過程中固體與熱源始終保持“接觸”狀態(tài)，而非瞬態(tài)熔融過程固體與熱源距離不斷加大。

雖然瞬態(tài)熔融現(xiàn)象早就被人們所認(rèn)識(shí)并在實(shí)際中應(yīng)用，但從傳熱學(xué)角度來探討其現(xiàn)象與規(guī)律僅始于20世紀(jì)80年代[12]。不過，由于瞬態(tài)熔融廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用背景，且具有高的熔化率，在同樣運(yùn)行工況下比非接觸（固定式）熔化的熔化率高出1～7倍，因而受到國內(nèi)外許多學(xué)者的重視，開展了大量的研究。瞬態(tài)熔融理論主要適用于如下場(chǎng)合：（1）固體在加熱容器內(nèi)的瞬態(tài)熔融（2）熱源在固體中下沉的瞬態(tài)熔融（3）固體與加熱板間滑動(dòng)的瞬態(tài)熔融（4）相變材料（比如冰）的壓力熔化（5）其它形式的瞬態(tài)熔融。

塑料作為一種相變材料，應(yīng)用瞬態(tài)熔融理論進(jìn)行分析，特別是將瞬態(tài)熔融應(yīng)用于螺桿擠出行業(yè)，給螺桿擠出機(jī)行業(yè)帶來了一絲活力。

在傳統(tǒng)單螺桿熔融理論中，強(qiáng)制熔體移走的熔融理論[1]與瞬態(tài)熔融理論類似，其主要包括以下三部分內(nèi)容：強(qiáng)制熔體移走的傳導(dǎo)熔融理論、拖曳熔體移走的熔融理論、壓力作用強(qiáng)制熔體移走的熔融理論。在傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)當(dāng)中，在物料受熱熔融之后形成熔膜，由于液相物料的導(dǎo)熱性能降低，如果不盡快轉(zhuǎn)移熔融的物料，料筒加熱器供給的熱量在傳遞到固體床之前，必須經(jīng)過厚厚的熔膜，能量傳遞的熱損失越來越大；另一方面，長(zhǎng)期滯留在料筒和固體床之間的熔體，其熱量傳遞系數(shù)很小，容易導(dǎo)致聚合物的降解，同時(shí)降低固體床的熔融速率，從而導(dǎo)致擠出過程中熔融不均、局部降解、擠出不穩(wěn)定等情況的發(fā)生，因而必須及時(shí)轉(zhuǎn)移熔融的物料。而傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)正是主要利用機(jī)筒的拖曳和螺桿螺棱的刮擦，將熔融的物料從熔膜中移走，因此出現(xiàn)了三種不同類型的熔融模型：Maddock模型[13]、Klenk模型[14]和Dekker模型[15]。與瞬態(tài)熔融理論中熔融液體“產(chǎn)生即轉(zhuǎn)移”的熔體轉(zhuǎn)移模式相比，傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)中的強(qiáng)制熔體移走的熔融理論是一種被動(dòng)的熔融理論，只有當(dāng)熔膜達(dá)到一定的厚度之后，熔體才被機(jī)筒拖曳或者被螺棱掛下，才能保證固相不斷熔融。

2 瞬態(tài)熔融理論在單螺桿擠出機(jī)的中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的瞬態(tài)熔融理論[16,17]，主要考慮熱傳導(dǎo)和粘性耗散對(duì)熔融的貢獻(xiàn)，尚未考慮摩擦熱對(duì)物料熔融的影響并且尚未應(yīng)用到螺桿擠出行業(yè)當(dāng)中。進(jìn)入21世紀(jì)，研究者們才將瞬態(tài)熔融理論應(yīng)用到螺桿擠出機(jī)中，但是目前相關(guān)研究也并不多見。

2.1 瞬態(tài)熔融理論在光滑機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)中的應(yīng)用

Yung等[18-20]利用顆粒數(shù)值分析方法，將聚合物顆粒與螺桿和機(jī)筒之間的摩擦等效為聚合物顆粒與絕熱板之間的摩擦，分析了聚合物顆粒在擠出過程中的熔融和運(yùn)動(dòng)情況，從而真正開啟了瞬態(tài)熔融理論應(yīng)用于螺桿擠出行業(yè)的先河。

2003年，戴曉靜等[21]利用瞬態(tài)熔融理論，針對(duì)光滑機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)（螺桿注塑機(jī)）提出了通過在螺槽中墊高固體床，將熔化的熔融物擠進(jìn)螺槽內(nèi)側(cè)的熔池中，而螺槽內(nèi)側(cè)的熔池保持高度不變，從而使物料和熔融物相對(duì)分離，以提高熔化速率以及減少熔融物降解的新型螺桿模型，該模型從理論上給出了一種較好的實(shí)現(xiàn)物料高效熔融的辦法，但該螺桿模型無法避免固相之間的破碎對(duì)熔融的影響。此模型與早已發(fā)明的分離型螺桿[22]具有一定的共同特點(diǎn)。分離型螺桿通過引入副螺棱，將熔融段物料分成了固相和液相兩個(gè)獨(dú)立的部分，固相槽內(nèi)聚合物固相因固相螺槽容積逐漸減小而被不斷地抬升，擠出機(jī)筒內(nèi)表面熔融的物料通過抬升固相螺槽內(nèi)物料擠入液相槽，從而既達(dá)到了強(qiáng)制熔體移走又達(dá)到了保證固相與高溫機(jī)筒之間的熱傳導(dǎo)。分離型螺桿的設(shè)計(jì)，之前依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)較多，而且已有的理論多是通過計(jì)算熔融的起止點(diǎn)來設(shè)計(jì)分離型螺桿，而螺槽的槽深則直接采用漸進(jìn)式的過度，而并非采用理論計(jì)算獲得。瞬態(tài)熔融理論用于設(shè)計(jì)分離型螺槽槽深，必將極大地提高采用了分離型螺桿的單螺桿擠出機(jī)的熔融效果。

2.2 瞬態(tài)熔融理論在溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)中的應(yīng)用

1968年，德國亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所[23]開發(fā)了強(qiáng)制輸送IKV單螺桿擠出機(jī)，顯著地提高了單螺桿擠出機(jī)產(chǎn)量。2008年，北京化工大學(xué)塑料機(jī)械研究所在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO.50873014)的支持下對(duì)螺旋溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究，提出了螺旋溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)正位移輸送理論[24-27]，極大地提高了螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量，為螺旋溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的工業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送產(chǎn)量的提高卻帶來了熔融能力與固體輸送能力不匹配的問題，容易引起擠出不穩(wěn)定、熔融不完全等加工問題[12]。瞬態(tài)熔融理論引入溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)行業(yè)，以溝槽機(jī)筒和特殊螺桿結(jié)構(gòu)的組合，以期較好的解決固體輸送產(chǎn)量與熔融效率不匹配的問題。

Potente等[28-31]研發(fā)的主要用于食品加工行業(yè)的新型螺旋溝槽錐形機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)，該擠出機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括多頭螺桿和異向多頭機(jī)筒溝槽，兩者相互配合，可以實(shí)現(xiàn)如圖1所示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(jī)筒間隙處存在較大的速度差，間隙處物料受到強(qiáng)烈的剪切而首先熔融；由于機(jī)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螺槽，保持間隙處為未熔融的固相物料，可不斷利用強(qiáng)剪切實(shí)現(xiàn)高效熔融；機(jī)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(jī)熔融生物可降解材料的全部熱源來自于螺桿與機(jī)筒間隙處的剪切摩擦熱，由于剪切速率較大因而生熱效率相比傳統(tǒng)的物料與機(jī)筒之間的外摩擦熱高很多，使其熔融效率顯著提高，可以在極短的長(zhǎng)徑比內(nèi)實(shí)現(xiàn)物料的熔融。

圖1 傳統(tǒng)擠出機(jī)和徑向熔融擠出機(jī)功能段示意圖[29]Fig.1 Schematic diagram of the arrangement of the functional sections[29]

德國斯圖加特大學(xué)Grünschlo?[32,33]報(bào)道了一種新型的HELIBER擠出機(jī)，其典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為機(jī)筒全程開設(shè)螺旋溝槽，螺桿采用分離型螺桿，如圖2所示。熔融的物料通過機(jī)筒溝槽有兩種方式進(jìn)入分離型螺桿液相槽，分別是液相越過分離型螺桿主螺棱進(jìn)入和液相通過機(jī)筒溝槽進(jìn)入。液相越過分離型螺桿主螺棱進(jìn)入為常規(guī)的分離型螺桿內(nèi)熔融物料進(jìn)入液相槽的方式，而液相通過機(jī)筒溝槽進(jìn)入液相槽則為在機(jī)筒開設(shè)溝槽之后液相進(jìn)入螺桿液相槽的新途徑。在Heliber?擠出機(jī)中，機(jī)筒溝槽作為熔體進(jìn)入分離型螺桿的通道，促進(jìn)了熔融物料進(jìn)入螺桿液相螺槽的速率，降低了擠出物料的溫度，但對(duì)熔融的貢獻(xiàn)甚微。

賈明印等[34]在Potente和Grünschlo?的研究工作基礎(chǔ)上，提出了一種基于瞬態(tài)熔融理論的溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)，其結(jié)構(gòu)和熔融原理如圖3所示，在機(jī)筒固體輸送段開設(shè)螺旋溝槽，在后續(xù)功能段內(nèi)開設(shè)部分或者全程的螺旋溝槽，螺桿采用反壓縮比的螺桿。該溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)在固體輸送段開設(shè)螺旋溝槽，固體輸送段物料在機(jī)筒溝槽螺棱和螺桿螺槽螺棱的共同作用下實(shí)現(xiàn)正位移輸送，從而獲得較高的固體輸送產(chǎn)量；機(jī)筒溝槽和螺桿螺槽的容積是相應(yīng)變化的。沿機(jī)筒溝槽方向，固體輸送段機(jī)筒溝槽容積保持不變，而熔融段機(jī)筒溝槽的容積逐漸減小，熔體輸送段為光滑機(jī)筒；沿螺桿螺槽方向，固體輸送段螺桿螺槽容積保持不變，而熔融段螺槽容積逐漸增大，熔體輸送段螺桿螺槽容積保持不變。

圖2 HELIBER擠出機(jī)[32]Fig.2 HELIBER extruder[32]

容積的變化主要是通過增大或者減小機(jī)筒溝槽或者螺桿螺槽的槽深和槽寬得以實(shí)現(xiàn)的。在開設(shè)螺旋溝槽的固體輸送段，聚合物顆粒由松散到密實(shí)，形成一個(gè)密實(shí)的固體塞。當(dāng)該固體塞到達(dá)熔融段初始端時(shí)，機(jī)筒溝槽和螺桿螺槽槽深的變化破壞了固體塞的整體性，固體塞被機(jī)筒溝槽推進(jìn)面和螺桿螺槽推進(jìn)面剪斷，形成兩個(gè)小固體塞。固體塞之間存在相對(duì)的位移，發(fā)生了摩擦，并產(chǎn)生了大量的摩擦熱。在該摩擦熱作用下，物料開始熔融。由于機(jī)筒溝槽容積的不斷減小，機(jī)筒溝槽內(nèi)物料被迫推向螺桿，此時(shí)熔融的物料在溝槽固體塞的擠壓作用下向兩側(cè)擠出，最終被螺桿推進(jìn)面掛下并形成熔池。在此過程中，雖然螺桿螺槽容積不斷增大，但是由于熔融物料聚集在螺桿螺槽內(nèi)，螺桿螺槽內(nèi)固相實(shí)際占有的螺桿螺槽容積不斷減小，螺桿螺槽內(nèi)固相被不斷的往機(jī)筒方向擠壓，進(jìn)一步的迫使熔融物料不斷擠出。機(jī)筒溝槽內(nèi)物料和螺桿螺槽內(nèi)物料的相向運(yùn)動(dòng)，一來保證了熔融的物料被及時(shí)的擠出固體塞分界面，二來保證固相之間的緊密接觸，從而為持續(xù)不斷的內(nèi)摩擦生熱創(chuàng)造條件，物料經(jīng)歷不斷的剪切，迅速熔融。由于是物料與物料之間的摩擦，而并非傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)內(nèi)的物料與周圍機(jī)筒和螺桿的摩擦，因而其摩擦生熱效率將顯著提高，因?yàn)樵谙嗤闆r下（溫度，速度，壓力，接觸面積等），內(nèi)摩擦生熱是外摩擦生熱的3～5倍。隨著物料的不斷熔融，機(jī)筒溝槽和螺桿螺槽內(nèi)固相物料完全熔融并被擠入螺桿螺槽形成熔池。最終，機(jī)筒溝槽容積減小為零，螺桿螺槽容積增大為最大值，熔融的物料進(jìn)入熔融段，經(jīng)機(jī)頭擠出并成型為所需制品。如果將上述模型與分離性螺桿結(jié)合，利用分離型螺桿副螺棱分離固液相并強(qiáng)迫螺槽內(nèi)固相抬升從而保證螺桿螺槽內(nèi)固相與機(jī)筒溝槽內(nèi)固相緊密接觸，通過物料之間強(qiáng)烈的摩擦，從而實(shí)現(xiàn)物料的高效熔融，必將進(jìn)一步促進(jìn)溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的熔融效率的提升。

圖3 基于瞬態(tài)熔融理論溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)熔融過程Fig.3 Melting process of grooved single screw extruder based on transient melting

3 結(jié)束語

瞬態(tài)熔融理論在螺桿擠出機(jī)中的研究和應(yīng)用，特別是將瞬態(tài)熔融理論與溝槽機(jī)筒和分離型螺桿相結(jié)合，可以從理論上極大地提高螺桿擠出機(jī)的熔融效率，解決困擾溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送段產(chǎn)量高而與熔融段熔融能力不匹配的問題，提升單螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量和制品質(zhì)量。

目前針對(duì)上述理論的研究尚處于起步階段，下一步主要的工作在于以下幾方面：

（1）建立和完善適用于溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的瞬態(tài)熔融理論；

（2）建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并摸索溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和物料物性參數(shù)對(duì)瞬態(tài)熔融理論指導(dǎo)下的熔融性能的影響；

（3）建立觀測(cè)溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)熔融現(xiàn)象的手段，并表征瞬態(tài)熔融理論指導(dǎo)下的擠出機(jī)熔融能力。

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Research on Transient Melting in Single Screw Extruder

Jin Xiao-ming, Jia Ming-yin, Xue Ping, Li Shan-shan
（Institute of Plastics Machinery and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 10002, China）

The development of transient melting was reviewed and compared with the melt removal in Tadmor melting theory. The research of the transient melting on the single screw extruder was also summarized. It’s pointed out that the melting capacity of the single screw extruder can be improved by the transient melting in theory, especially by combination of grooved barrel and barrier screw. With improved melting capacity, the mismatching of the high solid conveying efficiency and the low melting capacity in conventional barrel-grooved extruders can be solved, improving the throughput of the extruder and the quality of the final product.

Transient melting; Single screw extruder; Melting；Groove; Barrier screw

TQ 325

A

1671-0460（2015）01-0141-04

2014-07-21

金曉明（1986-），男，浙江桐鄉(xiāng)人，博士，研究方向：從事單螺桿擠出機(jī)理論研究。E-mail：colin-jinxm@foxmail.com。

薛平（1963-），男，研究員，碩士，塑料加工設(shè)備及新材料。E-mail：xueping@mail.buct.edu.cn，電話：010-64436016。