瞬態熔融理論在單螺桿擠出機中研究進展

金曉明，賈明印，薛 平，李珊珊

（北京化工大學 塑料機械及塑料工程研究所, 北京 100029）

瞬態熔融理論在單螺桿擠出機中研究進展

金曉明，賈明印，薛 平，李珊珊

（北京化工大學 塑料機械及塑料工程研究所, 北京 100029）

總結了瞬態熔融理論的發展歷程，并對比了其與螺桿擠出行業中的強制熔體移走的熔融理論。總結了瞬態熔融理論應用于單螺桿擠出機的相關熔融理論的研究，指出將瞬態熔融理論與溝槽機筒和分離型螺桿結合，理論上可提高單螺桿擠出機熔融能力的提升，從而匹配溝槽機筒單螺桿擠出機的高固體輸送效率，提升單螺桿擠出機的產量和制品質量。

瞬態熔融； 單螺桿擠出機； 熔融； 溝槽； 分離型螺桿

單螺桿擠出機是聚合物加工中應用最廣泛的裝備之一。對單螺桿擠出機熔融理論的研究多集中于20世紀后半葉的繁盛時期。在熔融理論繁盛時期，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踐研究，提出了相關的修正[2,3]和擴展[4-9]。北京化工大學朱復華教授在總結前人經驗，結合自身可視化研究等手段，提出了三段七區擠出理論[10]，其中將擠出機熔融段分成了上熔膜區（延遲區）、下熔膜區、環流區、固相破碎區等四步，對國內擠出熔融相關理論研究的發展做出了重要的貢獻。

進入21世紀，擠出過程熔融理論的研究相對而言就少了許多，但瞬態熔融理論在擠出機中的應用正逐漸受到重視。在朱復華教授的相關研究中[11]，曾明確的指出，在固體輸送段末端，物料與機筒之間存在摩擦，從而導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筒之間的摩擦熱的，該現象可以利用瞬態熔融理論來進行分析，并進一步將其優化擴展，為熔融段高效熔融理論服務，從而根本上解決溝當前日益嚴重的熔融效率與固體輸送段產量之間的不匹配問題。

1 瞬態熔融理論介紹

瞬態熔融，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，就會出現固體熔化現象；由于受引力、浮力與張力等作用產生相互擠壓，固體與熱源間出現相對運動，熔化的液體不斷地產生，并通過一個薄的液體層被擠向兩側，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動, 熔融的物質流動僅僅是自然對流作用的結果，且很微弱，這樣的熔化稱為非接觸式或固定式熔融。因此，瞬態熔融過程中固體與熱源始終保持“接觸”狀態，而非瞬態熔融過程固體與熱源距離不斷加大。

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

塑料作為一種相變材料，應用瞬態熔融理論進行分析，特別是將瞬態熔融應用于螺桿擠出行業，給螺桿擠出機行業帶來了一絲活力。

在傳統單螺桿熔融理論中，強制熔體移走的熔融理論[1]與瞬態熔融理論類似，其主要包括以下三部分內容：強制熔體移走的傳導熔融理論、拖曳熔體移走的熔融理論、壓力作用強制熔體移走的熔融理論。在傳統單螺桿擠出機當中，在物料受熱熔融之后形成熔膜，由于液相物料的導熱性能降低，如果不盡快轉移熔融的物料，料筒加熱器供給的熱量在傳遞到固體床之前，必須經過厚厚的熔膜，能量傳遞的熱損失越來越大；另一方面，長期滯留在料筒和固體床之間的熔體，其熱量傳遞系數很小，容易導致聚合物的降解，同時降低固體床的熔融速率，從而導致擠出過程中熔融不均、局部降解、擠出不穩定等情況的發生，因而必須及時轉移熔融的物料。而傳統單螺桿擠出機正是主要利用機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]。與瞬態熔融理論中熔融液體“產生即轉移”的熔體轉移模式相比，傳統單螺桿擠出機中的強制熔體移走的熔融理論是一種被動的熔融理論，只有當熔膜達到一定的厚度之后，熔體才被機筒拖曳或者被螺棱掛下，才能保證固相不斷熔融。

2 瞬態熔融理論在單螺桿擠出機的中的應用

傳統的瞬態熔融理論[16,17]，主要考慮熱傳導和粘性耗散對熔融的貢獻，尚未考慮摩擦熱對物料熔融的影響并且尚未應用到螺桿擠出行業當中。進入21世紀，研究者們才將瞬態熔融理論應用到螺桿擠出機中，但是目前相關研究也并不多見。

2.1 瞬態熔融理論在光滑機筒單螺桿擠出機中的應用

Yung等[18-20]利用顆粒數值分析方法，將聚合物顆粒與螺桿和機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動情況，從而真正開啟了瞬態熔融理論應用于螺桿擠出行業的先河。

2003年，戴曉靜等[21]利用瞬態熔融理論，針對光滑機筒單螺桿擠出機（螺桿注塑機）提出了通過在螺槽中墊高固體床，將熔化的熔融物擠進螺槽內側的熔池中，而螺槽內側的熔池保持高度不變，從而使物料和熔融物相對分離，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現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熔融的影響。此模型與早已發明的分離型螺桿[22]具有一定的共同特點。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獨立的部分，固相槽內聚合物固相因固相螺槽容積逐漸減小而被不斷地抬升，擠出機筒內表面熔融的物料通過抬升固相螺槽內物料擠入液相槽，從而既達到了強制熔體移走又達到了保證固相與高溫機筒之間的熱傳導。分離型螺桿的設計，之前依據經驗設計較多，而且已有的理論多是通過計算熔融的起止點來設計分離型螺桿，而螺槽的槽深則直接采用漸進式的過度，而并非采用理論計算獲得。瞬態熔融理論用于設計分離型螺槽槽深，必將極大地提高采用了分離型螺桿的單螺桿擠出機的熔融效果。

2.2 瞬態熔融理論在溝槽機筒單螺桿擠出機中的應用

1968年，德國亞琛工業大學塑料加工研究所[23]開發了強制輸送IKV單螺桿擠出機，顯著地提高了單螺桿擠出機產量。2008年，北京化工大學塑料機械研究所在國家自然科學基金項目(NO.50873014)的支持下對螺旋溝槽機筒單螺桿擠出機進行了創新性的研究，提出了螺旋溝槽機筒單螺桿擠出機正位移輸送理論[24-27]，極大地提高了螺旋溝槽單螺桿擠出機的產量，為螺旋溝槽機筒單螺桿擠出機的工業化奠定了堅實的基礎。但是溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送產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，容易引起擠出不穩定、熔融不完全等加工問題[12]。瞬態熔融理論引入溝槽機筒單螺桿擠出機行業，以溝槽機筒和特殊螺桿結構的組合，以期較好的解決固體輸送產量與熔融效率不匹配的問題。

Potente等[28-31]研發的主要用于食品加工行業的新型螺旋溝槽錐形機筒單螺桿擠出機，該擠出機基本結構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。由于在螺桿與機筒間隙處存在較大的速度差，間隙處物料受到強烈的剪切而首先熔融；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的增加，兩者協調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，可不斷利用強剪切實現高效熔融；機筒溝槽內物料為未熔融物料，螺桿螺槽內物料為熔融物料。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摩擦熱，由于剪切速率較大因而生熱效率相比傳統的物料與機筒之間的外摩擦熱高很多，使其熔融效率顯著提高，可以在極短的長徑比內實現物料的熔融。

圖1 傳統擠出機和徑向熔融擠出機功能段示意圖[29]Fig.1 Schematic diagram of the arrangement of the functional sections[29]

德國斯圖加特大學Grünschlo?[32,33]報道了一種新型的HELIBER擠出機，其典型結構特點為機筒全程開設螺旋溝槽，螺桿采用分離型螺桿，如圖2所示。熔融的物料通過機筒溝槽有兩種方式進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入和液相通過機筒溝槽進入。液相越過分離型螺桿主螺棱進入為常規的分離型螺桿內熔融物料進入液相槽的方式，而液相通過機筒溝槽進入液相槽則為在機筒開設溝槽之后液相進入螺桿液相槽的新途徑。在Heliber?擠出機中，機筒溝槽作為熔體進入分離型螺桿的通道，促進了熔融物料進入螺桿液相螺槽的速率，降低了擠出物料的溫度，但對熔融的貢獻甚微。

賈明印等[34]在Potente和Grünschlo?的研究工作基礎上，提出了一種基于瞬態熔融理論的溝槽機筒單螺桿擠出機，其結構和熔融原理如圖3所示，在機筒固體輸送段開設螺旋溝槽，在后續功能段內開設部分或者全程的螺旋溝槽，螺桿采用反壓縮比的螺桿。該溝槽機筒單螺桿擠出機在固體輸送段開設螺旋溝槽，固體輸送段物料在機筒溝槽螺棱和螺桿螺槽螺棱的共同作用下實現正位移輸送，從而獲得較高的固體輸送產量；機筒溝槽和螺桿螺槽的容積是相應變化的。沿機筒溝槽方向，固體輸送段機筒溝槽容積保持不變，而熔融段機筒溝槽的容積逐漸減小，熔體輸送段為光滑機筒；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[32]Fig.2 HELIBER extruder[32]

容積的變化主要是通過增大或者減小機筒溝槽或者螺桿螺槽的槽深和槽寬得以實現的。在開設螺旋溝槽的固體輸送段，聚合物顆粒由松散到密實，形成一個密實的固體塞。當該固體塞到達熔融段初始端時，機筒溝槽和螺桿螺槽槽深的變化破壞了固體塞的整體性，固體塞被機筒溝槽推進面和螺桿螺槽推進面剪斷，形成兩個小固體塞。固體塞之間存在相對的位移，發生了摩擦，并產生了大量的摩擦熱。在該摩擦熱作用下，物料開始熔融。由于機筒溝槽容積的不斷減小，機筒溝槽內物料被迫推向螺桿，此時熔融的物料在溝槽固體塞的擠壓作用下向兩側擠出，最終被螺桿推進面掛下并形成熔池。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，螺桿螺槽內固相實際占有的螺桿螺槽容積不斷減小，螺桿螺槽內固相被不斷的往機筒方向擠壓，進一步的迫使熔融物料不斷擠出。機筒溝槽內物料和螺桿螺槽內物料的相向運動，一來保證了熔融的物料被及時的擠出固體塞分界面，二來保證固相之間的緊密接觸，從而為持續不斷的內摩擦生熱創造條件，物料經歷不斷的剪切，迅速熔融。由于是物料與物料之間的摩擦，而并非傳統單螺桿擠出機內的物料與周圍機筒和螺桿的摩擦，因而其摩擦生熱效率將顯著提高，因為在相同情況下（溫度，速度，壓力，接觸面積等），內摩擦生熱是外摩擦生熱的3～5倍。隨著物料的不斷熔融，機筒溝槽和螺桿螺槽內固相物料完全熔融并被擠入螺桿螺槽形成熔池。最終，機筒溝槽容積減小為零，螺桿螺槽容積增大為最大值，熔融的物料進入熔融段，經機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合，利用分離型螺桿副螺棱分離固液相并強迫螺槽內固相抬升從而保證螺桿螺槽內固相與機筒溝槽內固相緊密接觸，通過物料之間強烈的摩擦，從而實現物料的高效熔融，必將進一步促進溝槽機筒單螺桿擠出機的熔融效率的提升。

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

3 結束語

瞬態熔融理論在螺桿擠出機中的研究和應用，特別是將瞬態熔融理論與溝槽機筒和分離型螺桿相結合，可以從理論上極大地提高螺桿擠出機的熔融效率，解決困擾溝槽機筒單螺桿擠出機固體輸送段產量高而與熔融段熔融能力不匹配的問題，提升單螺桿擠出機的產量和制品質量。

目前針對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筒單螺桿擠出機的瞬態熔融理論；

（2）建立相關實驗平臺進行實驗研究，并摸索溝槽機筒單螺桿擠出機的結構參數和物料物性參數對瞬態熔融理論指導下的熔融性能的影響；

（3）建立觀測溝槽機筒單螺桿擠出機熔融現象的手段，并表征瞬態熔融理論指導下的擠出機熔融能力。

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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，浙江桐鄉人，博士，研究方向：從事單螺桿擠出機理論研究。E-mail：colin-jinxm@foxmail.com。

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