金曉明，薛 平，賈明印＊，潘 龍，蔡建臣，苗立榮

（1.北京化工大學(xué)塑料機(jī)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(fèi)量超過250000kt［1］，2012年1～5月，國內(nèi)塑料制品累計(jì)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(shí)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(jī)筒和螺桿上一次性連續(xù)完成的優(yōu)勢［3］。

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。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的單螺桿擠出機(jī)按照機(jī)筒的特點(diǎn)可分為：光滑機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)、開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)兩類。長期的實(shí)踐證明，光滑機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)主要存在如下問題：（1）對物料性能要求苛刻，難以實(shí)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?yàn)槟嫦驂毫ο到y(tǒng)，使擠出機(jī)壓力漏流嚴(yán)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(qiáng)制輸送IKV單螺桿擠出機(jī)［4］，通過在單螺桿擠出機(jī)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(jī)筒之間的等效摩擦因數(shù)，成功實(shí)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)

開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)常按溝槽的螺旋升角（θ）進(jìn)行分類，可分為軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)（θ＝0）和螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)（-90°＜θ＜90°，且θ≠0），當(dāng)θ＝±90°時(shí)，溝槽與螺桿垂直，沒有實(shí)用意義，因此不研究。而螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)又可分為異向螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)（機(jī)筒溝槽與螺桿螺槽旋向相反，0°＜θ＜90）和同向螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)（機(jī)筒溝槽和螺桿螺槽旋向相同，-90°＜θ＜0°）。由于同向螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)［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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)簡稱為螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)。

開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)產(chǎn)量、功耗、比能耗、比產(chǎn)量、建壓能力等的影響。

開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的主要特點(diǎn)是：

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

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

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

（4）開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jìn)劑等。

1.1 軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)

1.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)是在單螺桿擠出機(jī)機(jī)筒或機(jī)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(jì)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(jī)理

由于引入軸向直槽，在擠出機(jī)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(dòng)，螺桿螺槽內(nèi)物料與機(jī)筒和機(jī)筒溝槽內(nèi)物料存在相對運(yùn)動(dòng)，從而造成螺桿螺槽中物料與機(jī)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(jī)筒表面之間發(fā)生外摩擦，如圖1所示。

此時(shí)物料與機(jī)筒之間的等效摩擦因數(shù)計(jì)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jìn)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(qiáng)制輸送IKV單螺桿擠出機(jī)并進(jìn)行了初步的理論分析，研究人員常將此作為軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)問世的標(biāo)志。

圖1 軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)輸送機(jī)理Fig.1 Conveying mechanism of axial groove barrel straight single screw extruder

在國外軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(xiàn)。

Potente H對軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了相當(dāng)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送特性［7］、固體輸送段軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)中物料的停留時(shí)間分布特性［8］、軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)在壓力相關(guān)情形下的固體輸送特性［9］、機(jī)筒襯套溝槽深度和螺桿螺槽深度對固體粒料輸送機(jī)理的影響［10］，得出了固體輸送段開設(shè)軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的相關(guān)產(chǎn)量計(jì)算公式、壓力計(jì)算公式和能耗計(jì)算公式，以及停留時(shí)間分布特性等。

Rauwendaal C等［11］研究分析了可調(diào)式軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)（圖2）的工作過程。指出可調(diào)式軸向開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)通過改變溝槽深度實(shí)現(xiàn)對機(jī)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(jī)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(jī)筒襯套溝槽深度進(jìn)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(dāng)溝槽錐角很小時(shí)，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(dāng)溝槽錐角很小時(shí)，光滑機(jī)筒擠出機(jī)的比能耗要低于軸向開槽擠出機(jī)的比能耗，在溝槽錐角超過某一值后，軸向開槽機(jī)筒擠出機(jī)的比能耗則低于光滑機(jī)筒擠出機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jī)的壓力分布特性、螺桿和機(jī)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(jī)筒擠出機(jī)和溝槽機(jī)筒擠出機(jī)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(dòng)了軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)認(rèn)識和研究起步較晚，而且重視程度不夠，相關(guān)文獻(xiàn)很少。早期的研究者有張鐵年、劉輝、羅世杰等，他們主要從實(shí)際的應(yīng)用角度對軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)研究。張鐵年［21］介紹了具有開槽進(jìn)料段的單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并扼要討論了用于不同類型樹脂加工和產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)軸向開槽進(jìn)料段襯套的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)；羅世杰［22-23］引進(jìn)了伊藤公正關(guān)于加料段機(jī)筒軸向開槽擠出機(jī)的整機(jī)性能的研究；劉輝等［24］建立了以強(qiáng)制加料擠出機(jī)產(chǎn)量和能耗為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，模擬了機(jī)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的研究均是從Darnel-Mol模型出發(fā)，以如何有效增大機(jī)筒襯套表面的等效摩擦因數(shù)為目的。因此，這些改進(jìn)方法或設(shè)備雖顯著提高了擠出機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)筒襯套磨損大，設(shè)備成本增加；

（4）擠出機(jī)整體的比產(chǎn)量減小，比能耗加大。

1.2 螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)

1.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)基本特點(diǎn)與軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的類似，區(qū)別在于機(jī)筒或者機(jī)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(jī)理

螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)理：摩擦拖曳輸送理論和雙螺棱推動(dòng)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(shí)現(xiàn)兩種輸送機(jī)理之間的轉(zhuǎn)變。

摩擦拖曳輸送理論與軸向直槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)筒與扳手類似，螺桿則與螺栓類似。當(dāng)塑料被壓成密實(shí)的固體塞，它像一個(gè)螺母一樣由扳手（機(jī)筒）拖動(dòng)著沿螺桿軸向移動(dòng)。其主要的實(shí)現(xiàn)手段是提高固體輸送的等效摩擦因數(shù)。

雙螺棱推動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)面的夾角大，不使固體塞被剪切而讓其打滑；當(dāng)然，兩螺棱推進(jìn)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(dòng)理路的核心思想是避免固體塞發(fā)生周向剪切，實(shí)現(xiàn)單螺桿擠出機(jī)由拖曳輸送向正位移輸送轉(zhuǎn)化。

1.2.3 研究進(jìn)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(shí)現(xiàn)將物料壓實(shí)成連續(xù)固體塞，達(dá)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(jī)筒襯套溝槽螺旋角對擠出機(jī)性能的影響。研究表明，機(jī)筒襯套溝槽螺旋角增大，壓力會下降，當(dāng)螺槽內(nèi)填滿物料時(shí)，螺桿啟動(dòng)扭矩以及機(jī)筒和螺桿表面磨損均減小。

圖3 Machen發(fā)明的螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)的性能。研究中考慮到機(jī)筒襯套溝槽對機(jī)筒表面等效摩擦因數(shù)的影響，并引入溝槽有效面積來計(jì)算固體輸送角。研究表明：（1）當(dāng)機(jī)筒襯套溝槽螺旋角在40°～65°之間時(shí)，擠出機(jī)的產(chǎn)量最大，而當(dāng)機(jī)筒襯套溝槽螺旋角超過65°時(shí)，產(chǎn)量開始下降；（2）當(dāng)機(jī)筒襯套溝槽螺旋角恒定時(shí)，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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)。

在國內(nèi)，北京化工大學(xué)塑料機(jī)械研究所對螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究，提出了螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)雙螺棱推動(dòng)理論、正位移輸送理論，為螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的工業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2007年，北京化工大學(xué)塑料機(jī)械研究所［30］首次提出了螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)的雙螺棱推動(dòng)理論，并對其進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)，得出實(shí)現(xiàn)雙螺棱推動(dòng)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(jī)固體輸送段機(jī)筒內(nèi)壁開設(shè)螺旋溝槽，建立了將機(jī)筒與螺桿視為一個(gè)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(kuò)展了雙螺棱推動(dòng)理論實(shí)現(xiàn)正位移輸送的邊界條件，并以此為理論依據(jù)進(jìn)行螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)，申報(bào)了國家發(fā)明專利一項(xiàng)［32］。

圖4 螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)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(jī)上建立了雙螺棱推動(dòng)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的產(chǎn)量、能耗、壓力分布等進(jìn)行了詳細(xì)研究。理論分析獲得了螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)實(shí)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(jì)；通過分析求解螺槽中固體塞的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程，得到了滿足固體塞正位移輸送機(jī)理下的固體輸送段建壓方程式和固體塞運(yùn)動(dòng)方程式，研究了正位移輸送機(jī)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(yàn)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了正位移輸送機(jī)理下固體輸送段的建壓機(jī)理；根據(jù)機(jī)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(jī)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(jī)固體輸送機(jī)理的影響，定量計(jì)算了不同固體輸送機(jī)理下螺旋溝槽單螺桿擠出機(jī)固體輸送段的產(chǎn)量和能耗；依據(jù)雙螺棱推動(dòng)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(jī)，可方便更換不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)筒襯套和螺桿裝置，在線采集擠出機(jī)的機(jī)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(jī)與IKV擠出機(jī)進(jìn)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(jī)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(dòng)理論的研究。目前針對螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)熔融段物料熔融機(jī)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)在機(jī)筒或者機(jī)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(jī)產(chǎn)量，但是伴隨著產(chǎn)量的大幅提高，給熔融帶來很大負(fù)擔(dān)，僅靠機(jī)筒外熱源和聚合物與機(jī)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(jìn)而造成套筒磨損加劇和能源利用效率降低。

2.2 當(dāng)前解決途徑

為提高塑化質(zhì)量，當(dāng)前解決途徑一般采用加大長徑比的螺桿設(shè)計(jì)、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(yán)重影響擠出的穩(wěn)定性，是治標(biāo)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(jià)。因此，上述手段和措施均無法以從本質(zhì)上解決溝槽機(jī)筒擠出機(jī)的熔融塑化問題。

2.3 研究進(jìn)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(jī)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(jī)筒配備屏障型螺桿的單螺桿擠出機(jī)，Wortberg［37］研究指出其主要優(yōu)點(diǎn)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(jì)，可以實(shí)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(jī)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(jī)筒擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相當(dāng)?shù)闹匾暋?003～2004年，德國斯圖加特大學(xué)的 Grünschlo?［40-42］相繼報(bào)道了一種新型的Heliber擠出機(jī)（見圖5），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，并增加了混煉元件和剪切元件。

圖5 Heliber擠出機(jī)Fig.5 Heliber extruder

也有研究者從單螺桿擠出機(jī)機(jī)筒上進(jìn)行研究。Potente H等［29，43］研發(fā)了一種新型螺旋開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)。該擠出機(jī)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(gè)新思路。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(jī)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(jī)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(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，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(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(jī)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(shí)現(xiàn)物料的熔融。Potente在給出該擠出機(jī)設(shè)想之后，繼續(xù)給出了其產(chǎn)量計(jì)算公式［44］、能耗計(jì)算公式［45］，其與擠出機(jī)實(shí)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(shí)，熔膜并沒有在預(yù)定的螺桿與機(jī)筒間隙處出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在了機(jī)筒溝槽的內(nèi)表面，仍然是利用了機(jī)筒上的外熱源和物料與機(jī)筒之間外摩擦實(shí)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(jī)和徑向熔融擠出機(jī)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(jī)筒擠出機(jī)熔融能力的相關(guān)研究論文尚未見到。

2.4 小結(jié)

從當(dāng)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(jī)筒擠出機(jī)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(shí)踐有所矛盾，但是如果能夠?qū)崿F(xiàn)物料的密實(shí)輸送，也許能夠像Potente原先設(shè)想的那樣可以實(shí)現(xiàn)物料的周向熔融。塑化問題已經(jīng)成為當(dāng)前制約開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)實(shí)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)固體輸送效率的同時(shí)，如何從本質(zhì)上提高其熔融塑化效率，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)高速、高效和節(jié)能，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工程界的難題。

3 開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的應(yīng)用

開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)應(yīng)用出現(xiàn)于19世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)開創(chuàng)了食品加工領(lǐng)域溝槽機(jī)筒擠出機(jī)的新時(shí)代。

在塑料加工行業(yè)，開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)應(yīng)用比較成熟除先前介紹的Heliber擠出機(jī)之外，超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（PE-UHMW）專用單螺桿擠出機(jī)也是一個(gè)比較成熟的溝槽機(jī)筒擠出機(jī)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(jī)直接擠出PEUHMW各類制品的能力，促進(jìn)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(jìn)劑因具有高黏度、低加工溫度、低流動(dòng)指數(shù)等特點(diǎn)，很難用常規(guī)擠出機(jī)進(jìn)行加工，需要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)正位移單螺桿擠出機(jī)，開槽擠出機(jī)理論具有一定的借鑒作用。

4 結(jié)語

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

（2）當(dāng)前開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的研究熱點(diǎn)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的進(jìn)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)相對于傳統(tǒng)光滑機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(dāng)前開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)發(fā)展的一大障礙；

（4）雖然目前開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)已在多個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，但是關(guān)于開槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)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(jī)筒單螺桿擠出機(jī)的發(fā)展。開展對開槽機(jī)筒擠出機(jī)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(jī)的擠出效率，滿足當(dāng)前塑料加工行業(yè)的苛刻要求，提升我國塑機(jī)行業(yè)的創(chuàng)新能力，具有重要的理論意義及工業(yè)價(jià)值。

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