李晨昕，薛 平，賈明印，楊 茜

(北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所，北京 100029)

機械與模具

溝槽機筒單螺桿擠出機塑化特性的實驗研究

李晨昕，薛 平，賈明印*，楊 茜

(北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所，北京 100029)

采用剖分式機筒單螺桿擠出機實驗平臺，對熔融段溝槽機筒單螺桿擠出機塑化過程中熔融起始點、熔融長度、熔體溫度/壓力等塑化性能及產(chǎn)量進行了實驗研究，比較了不同物料在不同工藝條件下對溝槽機筒單螺桿擠出機塑化特性的影響。結果表明，增大螺桿轉(zhuǎn)速或提高機筒溫度，塑化過程實際所需熔融長度增加，但對熔融起始點影響不大；熔融段機筒溝槽內(nèi)熔體溫度和熔體壓力隨螺桿轉(zhuǎn)速增大無明顯變化；隨螺桿轉(zhuǎn)速增大，溝槽機筒單螺桿擠出機擠出產(chǎn)量呈線性增加，表現(xiàn)出良好的擠出特性。

溝槽機筒；單螺桿擠出機；塑化性能；工藝

0 前言

自20世紀70年代起，德國亞琛工業(yè)大學[1-2]率先研制出了固體輸送段開設縱向溝槽的具有強制輸送能力的IKV擠出機，至此對于固體輸送段溝槽機筒單螺桿擠出機的研究已經(jīng)取得了階段性的成果。近些年，國內(nèi)外許多研究者將工作重點轉(zhuǎn)移到熔融段開設溝槽的單螺桿擠出機的研究中，Grünschlo?[3-4]開發(fā)出了一種基于Helibar擠出機的熔融段開設螺旋溝槽的新型高效單螺桿擠出機，金曉明[5-6]在“雙螺棱推動理論”的基礎上，對熔融段溝槽機筒單螺桿擠出機進行了研究，提出了基于機筒溝槽和螺桿螺槽共同作用的耦合雙槽熔融理論[7-8]，建立了物理模型和數(shù)學模型，并搭建了液壓驅(qū)動機筒剖分式單螺桿擠出機實驗平臺[9]。本文利用該實驗平臺，在上述耦合雙槽熔融理論的基礎上，對熔融段溝槽機筒單螺桿擠出機塑化過程中熔融起始點、熔融長度、熔體溫度/壓力等塑化性能及產(chǎn)量進行了實驗研究，比較分析了不同工藝參數(shù)(螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度)和不同加工物料[高密度聚乙烯(PE-HD)、聚丙烯(PP)]條件下，溝槽機筒單螺桿擠出機塑化性能的變化特點。

1 實驗原料及設備

本實驗所用原料為中石化北京燕山分公司提供的牌號為6100M的PE-HD和牌號為B8101的PP。實驗所用螺桿為反壓縮漸變螺桿，螺桿直徑(D)為45 mm，沿螺桿軸向螺槽個數(shù)為20個；螺桿進料段和計量段螺槽深度分別為3.2 mm和4.5 mm，設計該螺桿固體輸送段位于螺桿第1～5個螺槽位置(1D～5D)，設計熔融段位于螺桿第6～14個螺槽位置

(6D～14D)，設計熔體輸送段位于第15～20個螺槽位置(15D～20D)。實驗所用機筒為溝槽機筒，機筒固體輸送段和熔融段均開設溝槽，溝槽個數(shù)為8個。螺桿與機筒實物如圖1所示，其結構參數(shù)如表1所示。

(a)反壓縮比螺桿 (b)熔融段溝槽機筒圖1 實驗所用螺桿和機筒實物圖Fig.1 Screw and barrel physical pictures of the experiment

項目公稱直徑/mm長徑比旋向螺紋頭數(shù)(Ms)槽深(W)/mm固體輸送段熔融段熔體輸送段螺距(S)/mm反壓縮比螺桿4520右旋13．23．2漸變至4．54．545熔融段溝槽機筒——左旋82．52．5漸變至00180

2 實驗研究

圖2 機筒溝槽和螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點Fig.2 The melt starting point in barrel grooves and screw channels

加工溫度為230 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min的條件下，擠出加工PP原料，當擠出機達到穩(wěn)定狀態(tài)后，急停螺桿并使機筒快速冷卻，待機筒完全冷卻后，打開機筒觀察機筒溝槽和螺桿螺槽內(nèi)PP原料的熔融狀態(tài)，如圖2所示。從圖2可以看出，機筒溝槽物料在內(nèi)摩擦熱以及機筒外熱源的共同作用下迅速熔融，在6D～7D位置已經(jīng)完全熔融塑化生成熔池，與螺桿螺槽內(nèi)軟化或部分熔融物料黏結在一起形成一個整體，而6D～7D的位置，恰好是通過計算得到的理論熔融起始點，這說明機筒溝槽物料在熔融段起始點已經(jīng)完全熔融塑化。這一現(xiàn)象表明，該實驗裝置對于溝槽機筒單螺桿擠出機熔融塑化特性的研究具有一定可靠性，其實驗結果對于塑化性能的表征具有較高參考價值。由于機筒溝槽物料在熔融段起始點位置已經(jīng)完全熔融，因此本文主要對塑化過程中螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點與熔融長度進行了研究。

2.1 熔融起始點

利用剖分式機筒單螺桿擠出機，分別對PE-HD和PP擠出過程中螺桿螺槽內(nèi)物料熔融起始點進行了實驗研究。當擠出穩(wěn)定后，急停螺桿并快速打開機筒，在不同螺桿轉(zhuǎn)速或不同機筒溫度下，觀察機筒溝槽和螺桿螺槽內(nèi)物料的熔融狀態(tài)，判斷物料熔融起始點位置。Tadmor熔融理論[10]認為物料熔融過程是由固體塞生成熔膜并不斷聚集成熔池的相態(tài)變化過程，并指出只有當熔池出現(xiàn)后才算熔融開始，因此本實驗定義螺桿螺槽內(nèi)有熔池出現(xiàn)即為熔融起始點所在位置。

2.1.1 螺桿轉(zhuǎn)速對熔融起始點的影響

利用剖分式機筒單螺桿擠出機實驗平臺，考察了螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)PE-HD和PP熔融起始點的影響。對于PE-HD原料，熔融段機筒溫度為180 ℃；對于PP原料，熔融段機筒溫度為230 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速變化范圍為10～30 r/min。從圖3和表2可以看出，對于PE-HD原料，增大螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點影響不大，當螺桿轉(zhuǎn)速由10 r/min增大至30 r/min時，熔融起始點均在6D～7D螺槽位置間；對于PP原料，當螺桿轉(zhuǎn)速由10 r/min增大至15 r/min時，螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點由7D突增至13D，之后隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，螺桿螺槽內(nèi)PP原料熔融起始點穩(wěn)定保持在13D～14D螺槽位置。在熔融段機筒外熱源以及機筒溝槽和螺桿螺槽剪切作用下，進入機筒內(nèi)物料迅速熔融并生成熔膜，熔體逐步堆積在螺桿螺棱推進面并形成熔池，隨螺桿轉(zhuǎn)速增大，物料輸送量增多，熔融所需熱量增加，但機筒溝槽和螺桿螺槽剪切作用產(chǎn)生的剪切熱足以滿足新增加物料熔融所需熱量，因此，螺桿轉(zhuǎn)速增大對溝槽機筒擠出機熔融起始點的影響不明顯。

表2 螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點影響的實驗參數(shù)Tab.2 The experimetal parameters of effect of screw speed on the melt starting point in screw channels

物料種類，螺桿轉(zhuǎn)速/r·min-1：(a)PE-HD，10 (b)PE-HD，15 (c)PE-HD，20 (d)PE-HD，25 (e)PE-HD，30 (f)PP，10 (g)PP，15 (h)PP，20 (i)PP，25 (j)PP，30圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點的影響Fig.3 Effect of screw speed on the melt starting point in screw channels

2.1.2 機筒溫度對熔融起始點的影響

恒定螺桿轉(zhuǎn)速，改變?nèi)廴诙螜C筒溫度，研究了外熱源對溝槽機筒單螺桿擠出機熔融起始點的影響。對于PE-HD，熔融段機筒溫度變化范圍為150～190 ℃；對于PP，熔融段機筒溫度變化范圍為200～240 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速均為10 r/min。分析圖4和表3可知，恒定螺桿轉(zhuǎn)速下，對于PE-HD，當熔融段機筒溫度由150 ℃增加至190 ℃時，螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點穩(wěn)定保持在6D～7D螺槽位置；對于PP，當熔融段機筒溫度由200 ℃增加至210 ℃時，螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點由13D位置提前至8D位置，有較大變化，這可能是由熔融段機筒溫度過低造成；繼續(xù)提高熔融段機筒溫度，螺桿螺槽內(nèi)熔融起始點穩(wěn)定保持在7D～8D螺槽位置。由此可見，熔融段機筒溫度對螺桿螺槽內(nèi)物料熔融起始點影響不大，這也說明機筒溝槽和螺桿螺槽之間的剪切熱是物料熔融的主要熱源，即使在較低的螺桿轉(zhuǎn)速下，剪切熱仍能起主導作用。而對普通單螺桿擠出機，只有在較高螺桿轉(zhuǎn)速下，機筒和螺桿之間的剪切熱才起主要作用，這也表明了溝槽機筒單螺桿擠出機優(yōu)異的塑化能力。

物料種類，機筒溫度/℃：(a)PE-HD，150 (b)PE-HD，160 (c)PE-HD，170 (d)PE-HD，180 (e)PE-HD，190 (f)PP，200 (g)PP，210 (h)PP，220 (i)PP，230 (j)PP，240圖4 熔融段機筒溫度對溝槽機筒單螺桿擠出機熔融起始點的影響Fig.4 Effect of barrel temperature on the melt starting point in screw channels

2.2 熔融長度

文獻[10]指出，當螺桿螺槽內(nèi)固相物料完全消失，熔池充滿整個螺槽時物料已完全熔融，此時熔融過程結束，熔融結束點與熔融起始點之間的距離為實際所需熔融長度，本實驗也由此定義熔融長度。

物料種類，螺桿轉(zhuǎn)速/r·min-1：(a)PE-HD，10 (b)PE-HD，15 (c)PE-HD，20 (d)PE-HD，25 (e)PP，10 (f)PP，15 (g)PP，20 (h)PP，25圖5 螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)熔融長度的影響Fig.5 Effect of screw speed on the melting lengths in screw channel

2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對熔融長度的影響

利用剖分式機筒單螺桿擠出機，分別對PE-HD和PP擠出過程中熔融長度進行了研究，考察不同螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)熔融長度的影響。對于PE-HD原料，熔融段機筒溫度為180 ℃；對于PP原料，熔融段機筒溫度為230 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速變化范圍為10～25 r/min。如圖5所示，對于PE-HD原料，當螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min時，在12D螺槽位置，明顯觀察到螺槽內(nèi)完全為透明狀熔體，表明物料已完全熔融。當螺桿轉(zhuǎn)速增大至15、20、25 r/min時，對應熔融結束點位置分別為14D、18D和19D螺槽位置，熔融結束位置逐漸向物料輸送正向移動。螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min時，熔融起始點位于6D螺槽位置，因此其熔融長度為7D。同理可知，當螺桿轉(zhuǎn)速為15、20、25 r/min時，對應熔融長度分別為9D、12D和4D。PE-HD原料螺桿螺槽內(nèi)熔融長度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增大，這是因為螺桿轉(zhuǎn)速增大時，擠出產(chǎn)量增加，物料在機筒溝槽和螺桿螺槽內(nèi)停留時間縮短，物料沿著螺桿軸向迅速向前輸送，導致實際所需物料熔融長度增加。

對于PP原料，當螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min時，在9D螺槽位置，明顯觀察到螺槽內(nèi)完全為透明狀的熔體，表明物料已經(jīng)完全熔融；當螺桿轉(zhuǎn)速增大至為15、20、25 r/min時，對應熔融結束點位置分別為15D、18D和19D螺槽位置，熔融結束位置逐漸向物料輸送正向移動。螺桿轉(zhuǎn)速為10 r/min時，熔融起始點位于7D位置，因此其熔融長度為3D。同理可知，當螺桿轉(zhuǎn)速為15、20、25 r/min時，對應融長度分別為3D、5D和6D。對比PE-HD和PP熔融長度的實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，PP原料熔融長度明顯小于PE-HD，這是因為PP屬于結晶度較高的聚合物，PP原料從固態(tài)到熔融態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度范圍較窄，當溫度沒有達到熔點時，PP固相體積變化很小，而當溫度達到熔點時，PP原料便快速熔融，使其體積驟減，因此，擠出加工PP時螺桿螺槽內(nèi)熔融長度較短。而PE-HD結晶度較低，固相PE-HD需要一定時間逐步軟化直到完全熔融，因此其熔融長度明顯高于PP。此外，PP的熔融速率較快也是導致溝槽機筒單螺桿擠出機螺桿轉(zhuǎn)速對熔融長度影響不大的原因。

表4 螺桿轉(zhuǎn)速對螺桿螺槽內(nèi)熔融長度影響的實驗參數(shù)Tab.4 The experimental parameters of effect of screw speed on the melting lengths in screw channels

2.2.2 機筒溫度對熔融長度的影響

恒定螺桿轉(zhuǎn)速，改變?nèi)廴诙螜C筒溫度，研究外熱源對溝槽機筒單螺桿擠出機熔融長度的影響。對于PE-HD原料，熔融段機筒溫度變化范圍為150～190 ℃；對于PP原料，熔融段機筒溫度變化范圍為200～240 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速均為10 r/min。從表5可以看出，對于PE-HD原料，當熔融段機筒溫度從150 ℃增加到180 ℃時，其熔融長度保持在7D～8D之間，這也說明機筒外熱源對物料熔融塑化效果影響不大，對于溝槽機筒單螺桿擠出機，外熱源不是物料熔融塑化的主要熱源，這和熔融起始點的分析相一致。還可以看出，只有當機筒溫度遠高于PE-HD塑化溫度(130 ℃)時，機筒外熱源才對熔融長度有較大影響，熔融長度由8D縮短到5D，此時，外熱源的作用大于機筒溝槽和螺桿螺槽之間的剪切熱，固相物料從機筒中獲得較高外熱源能量，再加上PE-HD熱導率較高，因此，物料熔融速率加快，所需熔融長度縮短。同樣，對于PP原料，當熔融段機筒溫度從200 ℃增加到240 ℃時，其熔融長度變化在2D～4D之間，這也說明機筒外熱源對物料熔融塑化效果影響不大，分析其原因與PE-HD一致。

表5 機筒溫度對螺桿螺槽內(nèi)熔融長度影響的實驗參數(shù)Tab.5 The experimental parameters of effect of barrel temperature on the melting lengths in screw channels

2.3 熔體溫度

實驗研究了不同螺桿轉(zhuǎn)速下，機筒外熱源和螺桿剪切熱對熔融段機筒溝槽內(nèi)熔體溫度的影響。熔體溫度檢測點位于機筒溝槽底部，分別對應螺桿的7D、10D和13D螺槽位置，熔體溫度/壓力檢測位置如圖6所示。

圖6 機筒溝槽內(nèi)熔體溫度/壓力檢測位置Fig.6 Detection position of melt temperature/ pressure in barrel grooves

恒定機筒溫度，改變螺桿轉(zhuǎn)速，研究螺桿剪切熱對溝槽機筒單螺桿擠出機熔體溫度的影響。對于PE-HD原料，熔融段機筒溫度為180 ℃；對于PP原料，熔融段機筒溫度為230 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速均為10 r/min。從圖7可以看出，溝槽機筒單螺桿擠出機螺桿轉(zhuǎn)速變化對于PE-HD或PP熔體溫度的變化影響不大，且隨著螺桿轉(zhuǎn)動，物料在機筒內(nèi)經(jīng)過各個檢測點檢測到的熔體溫度基本保持穩(wěn)定。螺桿轉(zhuǎn)速增加，機筒溝槽和螺桿螺槽之間剪切熱增大，但是固體輸送量也隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大而增大，所需熔融熱增加，額外增加的熔融熱與產(chǎn)生的剪切熱達到了熱量平衡，因此，螺桿轉(zhuǎn)速變化對熔體溫度影響不大，這對擠出過程有利，特別是在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下，不會由于剪切熱過大造成局部熔體溫度過高而產(chǎn)生分解。

位置：■—7D ●—10D ▲—13D ▼—機頭(a)PE-HD (b)PP圖7 螺桿轉(zhuǎn)速對機筒溝槽內(nèi)熔體溫度的影響Fig.7 The effect of screw speed on melt temperature in barrel grooves

2.4 熔體壓力

為考察熔融段機筒溝槽對塑化段建壓能力的影響，本研究分別在7D、10D、13D和機頭位置對熔體壓力進行了測試。恒定機筒溫度，改變螺桿轉(zhuǎn)速，研究螺桿剪切熱對溝槽機筒單螺桿擠出熔體壓力的影響。對于PE-HD原料，熔融段機筒溫度為180 ℃；對于PP原料，熔融段機筒溫度為230 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速均為10 r/min。從表6中可以看出，熔融段熔體壓力沿螺桿軸線方向呈逐漸增大的趨勢，這是因為當固相物料由固體輸送段進入到熔融段時逐漸開始熔融，隨著機筒溝槽和螺桿螺槽內(nèi)熔體增多，熔體沿著物料輸送反向逐漸建壓，使物料加速熔融并沿螺桿軸向向前輸送。還可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速增大，機筒溝槽內(nèi)熔體壓力變化不明顯，而機頭內(nèi)熔體壓力隨螺桿轉(zhuǎn)速增大而增大。

表6 螺桿轉(zhuǎn)速對機筒溝槽內(nèi)熔體壓力影響的實驗參數(shù)Tab.6 The experimental parameters of effect of screw speed on melt pressure in barrel grooves

2.5 產(chǎn)量

實驗研究了恒定熔融段機筒溫度條件下，不同螺桿轉(zhuǎn)速對溝槽機筒單螺桿擠出機擠出產(chǎn)量的影響。對于PE-HD原料，熔融段機筒溫度為180 ℃；對于PP，熔融段機筒溫度為230 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速變化范圍為10～30 r/min。從圖8可以看出，溝槽機筒單螺桿擠出機的擠出產(chǎn)量隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大，根據(jù)圖中擬合曲線可以看出，兩種物料擠出產(chǎn)量與螺桿轉(zhuǎn)速保持良好的線性關系，說明溝槽機筒單螺桿擠出機在保證較好塑化質(zhì)量的前提下，具有很好的擠出特性。

■—PE-HD(180 ℃)產(chǎn)量 ●—PP(230 ℃)產(chǎn)量 —線性擬合曲線圖8 螺桿轉(zhuǎn)速對溝槽機筒單螺桿擠出機產(chǎn)量的影響Fig.8 The effect of screw speed on extrusion output of the single screw extruder with a grooved barrel

3 結論

(1)熔融段機筒溫度恒定時，隨螺桿轉(zhuǎn)速增大，物料塑化過程熔融長度逐漸縮短，而熔融起始點位置幾乎保持不變；增大螺桿轉(zhuǎn)速對機筒溝槽內(nèi)熔體溫度和熔體壓力影響不大，而機頭流道內(nèi)熔體壓力隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大而升高；隨螺桿轉(zhuǎn)速增大，溝槽機筒單螺桿擠出機中物料停留時間呈冪指數(shù)減小，而擠出機產(chǎn)量呈線性增加；

(2)螺桿轉(zhuǎn)速恒定時，升高熔融段機筒溫度對塑化過程中物料熔融狀態(tài)影響不大；熔融段溝槽機筒單螺桿擠出機中，機筒外熱源不是物料熔融塑化的主要熱源，在機筒溝槽和螺桿螺槽剪切作用下，溝槽內(nèi)液相物料與螺槽內(nèi)固相物料之間產(chǎn)生了大量內(nèi)摩擦熱，促使物料熔融速率加快。

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《中國塑料》雜志社

2017年5月24日

Experimental Study on Plasticizing Properties of a Single-screwExtruder with Grooved Barrels

LI Chenxin, XUE Ping, JIA Mingyin*, YANG Qian

(Institute of Plastics Machinery and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

In this article, an experimental platform based on a single-screw extruder with a split barrel was employed to analyze the onset melt temperature, melting duration, temperature and pressure of polymer melt and output of products. The effect of different materials on plasticizing performance of the single-screw extruder was comparatively investigated under different processing conditions. The results indicated that the actual melting duration increased with increasing screw speed or barrel temperature, but it was almost not affected by the onset melt temperature. Moreover, there was no significant change in the temperature and pressure of melting zone in the grooves with an increase of screw speed. However, the output was improved linearly as the screw speed increased. This implicates a good extrusion feature.

grooved barrel; single-screw extruder; plasticizing property; technology

2017-02-27

國家自然科學基金(21404007)

TQ320.66+3

B

1001-9278(2017)06-0111-07

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.06.019

*聯(lián)系人，jiamy@mail.buct.edu.cn