第３０卷第１１期
高分子材料科学与工程Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１１２０１４年１１月ＰＯＬＹＭＥＲＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＮｏｖ．２０１４叶片挤出机熔体压力响应及挤出特性 殷小春，汤邦，余忠伟，杨智韬，张桂珍，瞿金平
（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东广州５１０６４０）摘要：利用自行研制的叶片挤出机实验研究了工艺参数对熔体压力及挤出产量的影响，分析了叶片挤出机的挤出特性、成型加工过程中熔体压力的动态特性及响应。结果表明，在叶片挤出机中熔体压力随时间周期性脉动变化，实现了脉动压力诱导的挤出成型过程；熔体压力的脉动频率为转子轴角频率的４倍；脉动幅值随转子轴转速的增加而增加，沿挤出方向逐渐减小，口模压力对脉动幅值的影响较小。与常规单螺杆挤出机相比，叶片挤出机具有正位移输送特性，口模压力、物料特性等对产量的影响小，设备挤出特性“硬”。
关键词：叶片挤出机；脉动压力；挤出特性；拉伸流动
中图分类号：ＴＱ３２０．６６＋３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７５５５（２０１４）１１－０１１７－０５
叶片挤出机［１］是一种拉伸形变支配的新型高分子材料塑化加工设备，已有的研究表明叶片挤出机具有热机械历程短、塑化输运能耗低、塑化混炼效果好等优点。与传统单螺杆挤出机不同的是叶片挤出机成型加工过程中物料在固体输送、压实、熔融塑化等阶段主要受到动态拉伸形变作用，熔体压力将表现出动态特性，实现了脉动压力诱导的挤出成型过程。动态变化的压力强化了挤出成型中的传质传热过程［２］，提高了塑化输运效率，从而有利于实现低温挤出成型，提高制品质量。然而熔体压力会受到转速、温度、物料特性等诸多因素的综合影响［３］，压力大小不能直接进行设定与控制。在实际生产和研究工作中，通常是对挤出机机头或者口模处的压力进行测量［４，５］，分析口模压力对产量及制品质量的影响规律，同时对成型过程进行监控；也可以在料筒上沿挤出方向安装多个压力传感器对熔体压力进行在线实时采集与分析［６，７］，通过采集到的压力了解挤出加工中的实际情况，分析不同工艺条件下的熔体压力轮廓曲线，为优化成型工艺条件提供实验依据。此外还有学者建立挤出过程的数学、物理模型，理论研究挤出成型过程中熔体压力与工艺参数、物料特性之间的规律［８，９］，并通过优化机械结构及工艺参数来对熔体压力进行调控，实现提高制品性能的目的。目前这些研究的对象基本上都是单螺杆挤出机，有关叶片挤出机熔体压力方面的研究较少，而且主要
集中于理论研究。文劲松等［１０］利用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件对１个叶片单元中的流场进行了３Ｄ有限元数值模拟，结果表明随着相邻２个叶片间容腔体积的增大，容腔中的压力为负，此时处于进料阶段；而随着容腔体积的减小，容腔中的压力为正，此时处于排料阶段。杨智韬［１１］提出叶片单
元楔形收敛流道模型和梯形流道挤压模型，得到了流道中熔体的压力分布规律，结果表明流道中的压力分布与熔体黏度、流道结构参数、转子轴转速等因素有关。以上报道的研究从理论上表明叶片单元的特殊结构决定了叶片挤出机中熔体压力的动态特性，而且熔体压力是与工艺、结构参数及物料特性等密切相关的，但尚未得到实验验证。因而对叶片挤出机挤出成型过程中的熔体压力响应进行实验研究，不仅能够对理论模型进行优化，而且还能够为分析加工工艺、设备结构参数及物料特性对挤出成型制品的性能和外观质量的影响提供强有力的手段。
热流道温控器１实验部分
１〃１叶片挤出机及压力测量装置
叶片挤出机：自行设计，由１７组叶片塑化输运单元组成，转子轴直径为４０ｍｍ，偏心距为３ｍｍ。其结构示意图如Ｆｉｇ．１所示，沿挤出方向从加料口至口模的１＃～４＃位置设置测压点，对应的压力分别为ｐ１、
收稿日期：２０１４－０５－１４
基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（Ｕ１２０１２４２）；华南理工大学中央高校基本科研业务费资助项目（２０１３ＺＺ００１５，２０１４ＺＢ００２１，２０１３ＺＭ００１４）防爆雷达液位计
通讯联系人：张桂珍，主要从事聚合物成型理论及装备等研究，Ｅ－ｍａｉ
ｌ：ｇｕｉｚｈｅｎｇｚｈａｎｇ＠ｓｃｕｔ．
ｅｄｕ．
加工pcb板
ｃｎ
１１８高分子材料科学与工程２０１４年ｐ２、ｐ３、ｐ４。
Ｆｉｇ〃１ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅＶａｎｅＥｘｔｒｕｄｅｒ
１：ｂａｆｆｌｅ；２：ｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｄｉｅ；３：ｄｉｅ；４：ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；５：ｓｔａｔｏｒ；６：ｍａｌｅｖａｎｅ；７：ｒｏｔｏｒ；８：ｆｅｍａｌｅｖａｎｅ
高温熔体压力传感器：型号ＰＴ４６１６ＢＣ，量程０ＭＰａ～５０ＭＰａ，输出电压信号０Ｖ～１０Ｖ，准确度±０．５％ＦＳ，重复性±０．５％ＦＳ，成都先达电子有限公司生产。
数据采集及处理系统：型号ＤＥＷＥ－ＢＯＯＫ－１６，每路通道采样频率１０００Ｈｚ／ｃｈ，奥地利ＤＥＷＥＴＲＯＮ公司生产。
１〃２实验材料
高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）：牌号５０００Ｓ，密度０．９５４ｇ／ｃｍ３，在标准测试条件下熔融指数为１．２ｇ／１０ｍｉｎ（１９０℃／２．１６ｋｇ），中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司生产；高密度聚乙烯：牌号ＴＲ１４４，密度０．９５６ｇ／ｃｍ３，在标准测试条件下熔融指数为０．２ｇ／１０ｍｉｎ（１９０℃／２．１６ｋｇ），中国石化股份有限公司茂名分公司生产。
１〃３实验方案
（１）在设定的温度下，分析转子轴转速对熔体压力、压力脉动幅值、产量等的影响规律。
（２）在设定的温度和转子轴转速下，调整调压模头分析口模压力（５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１５ＭＰａ、２０ＭＰａ、２５ＭＰａ、３０和３５ＭＰａ）对压力脉动幅值、产量等的影响规律。
２结果与讨论
２〃１叶片挤出机与螺杆挤出机的区别
２．１．１塑化输运原理不同：：如Ｆｉｇ．２（ａ）所示，在单螺杆挤出机中，物料的塑化输运是
建立在静力学平衡基础之上的，塑化过程中物料主要受到与运动方向垂直的剪切形变作用，其输运过程主要依靠料筒对物料的摩擦拖曳作用，加工过程中物料主要以稳定的剪切层流为主，相同位置的熔体压力、速度等不随时间变化；如Ｆｉｇ．２（ｂ）所示，在叶片挤出机中，物料除了受到定子的摩擦拖曳作用（Ｖ１引起）外还将受到叶片的正应力作用（Ｖ２引起），也就是说物料受到剪切与拉伸形变的共同作用，因而物料的流动方向与速度梯度方向之间有１个小于９０°的夹角，夹角的大小由拉伸形变及剪切形变之间的分量决定。由于转子轴旋转时物料在体积发生周期性变化的流道中流动，从而导致熔体流动时的压力、速度随时间周期性变化。
Ｆｉｇ〃２ＳｃｈｅｍａｔｉｃＭａｐｏｆＰｌａｓｔｉｃｉｚｉｎｇＣｏｎｖｅｙＰｒｉｎｃｉｐｌｅ
（ａ）：ｓｉｎｇｌｅｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒ；（ｂ）：ｖａｎｅｅｘｔｒｕｄｅｒ
２．１．２挤出特性不同：Ｆｉｇ．３、Ｆｉｇ．４是相同工艺条件下测量得到的单螺杆挤出机与叶片挤出机的产量随口模压力的变化曲线。从Ｆｉｇ．３可以看出，单螺杆挤出机的产量随着口模压力的增加明显降低，挤出特性“软”。这主要是由于在单螺杆挤出机中物料输送原理是建立在摩擦输运基础之上的，口模压力增加将会引
第１１期殷小春等：叶片挤出机熔体压力响应及挤出特性１１９
起漏流增加，因而产量降低；相反对叶片挤出机来说，如Ｆｉｇ．４所示，口模压力对挤出产量基本上没有影响，挤出特性“硬”。这主要是因为叶片挤出机是基于体积
输运原理，具有完全正位移输送特性，输送物料的多少不再依赖物料与料筒的摩擦力以及物料的内摩擦力，而是被强制从一个叶片单元向另一个叶片单元输送，输运能力几乎不受口模压力的影响。挤出特性“硬”有
利于提高塑化输运过程的稳定性，提高制品质量。２．１．３熔体压力随时间变化不同：江顺亮等［１２分析了普通单螺杆挤出加工ＬＤＰＥ时沿挤出方向的熔体压力随时间的变化关系，如Ｆｉｇ．５（ａ）所示，在熔体输送段，熔体压力随时间变化很小，基本上保持不变。而在叶片挤出机中，如Ｆｉｇ．５（ｂ）所示，熔体压力ｐ１、ｐ２、ｐ３是随时间作类似于正弦规律的周期性脉动，从而实现了脉动压力控制的挤出成型过程；而ｐ４是挤出机机头处的熔体压力，它几乎不随时间变化，从而有利于实现稳定挤出。ｐ１、ｐ２、ｐ３能随时间周期性脉动这主要归因于叶片挤出机特殊的结构，由于转子轴与定子内腔偏心布置，当转子轴旋转时物料在体积发生周期性变化的空间中流动，从而导致熔体流动时的压力周期性变化，实现了脉动压力诱导的塑化输运过程。动态变化的压力强化了传质传热过程，在提高塑化质量与输运效率的同时降低了能耗。
Ｆｉｇ〃３ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐＢｅｔｗｅｅｎＯｕｔｐｕｔａｎｄＤｉｅＰｒｅｓｓｕｒｅ
ｉｎＳｉｎｇｌｅＳｃｒｅｗＥｘｔｒｕｄｅｒ（ＨＤＰＥ－ＴＲ１４４）Ｆｉｇ〃４ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐＢｅｔｗｅｅｎＯｕｔｐｕｔａｎｄＤｉｅＰｒｅｓｓｕｒｅｉｎＶａｎｅＥｘ－ｔｒｕｄｅｒ（ＨＤＰＥ－ＴＲ１４４）
Ｆｉｇ〃５ＣｕｒｖｅｓｏｆＭｅｌｔＰｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈＴｉｍｅ（ａ）：ｓｉｎｇｌｅｓｃｒｅｗｅｘｔｒｕｄｅｒ［１２］；（ｂ）：ｖａｎｅｅｘｔｒｕｄｅｒ
２〃２叶片挤出机中熔体压力的动态特性及响应２．２．１转子轴转速对熔体压力的影响：：Ｆｉｇ．６是在不同转子轴转速下成型加工ＨＤＰＥ时熔体压力ｐ１随时间的变化曲线。从Ｆｉｇ．６可以看出，压力脉动的频率及幅值随转子轴转速的变化而变化，熔体压力（ｐ１）的脉动频率为转子轴角频率的４倍，这是由组成叶片
１２０高分子材料科学与工程２０１４年
地沟油检测挤出机的塑化输运单元的结构特点决定的。由Ｆｉｇ．１所示的叶片塑化输运单元的结构可知，２组互相垂直的叶片将由定子、转子轴及档板所围成的几何空间分成了大小不等的４个部分。转子轴旋转
时，４个部分的空间容积周期性变化。转子轴每转动１圈，完成加料及排料４次，因而熔体压力的脉动频率为转子轴角频率的４倍。
Ｆｉｇ〃６ＰｕｌｓａｔｉｏｎＣｕｒｖｅｓｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅ（ｐ１）ｗｉｔｈＴｉｍｅＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒ－ｅｎｔＲｏｔｏｒＳｐｅｅｄ（ＨＤＰＥ－５０００Ｓ，１５ＭＰａ）
Ｆｉｇ．７是熔体压力ｐ１的平均脉动幅值对转子轴转速的响应规律。从Ｆｉｇ．７可以看出，随着转子轴转速的升高，熔体压力脉动的幅值明显增加。这主要是由于随着转子轴转速的增加，叶片塑化输运单元空间中熔体的体积脉动变化速率幅值会增加，从而造成熔体压力脉动幅值增加。
Ｆｉｇ〃７ＥｆｆｅｃｔｏｆＲｏｔｏｒＳｐｅｅｄｏｎＡｖｅｒａｇｅＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆＰｒｅｓ－ｓｕｒｅｐ１（ＨＤＰＥ－５０００Ｓ，１５ＭＰａ）
２．２．２测量位置对熔体压力的影响：Ｆｉｇ．８是不同测量位置（１＃、２＃、３＃）处熔体压力ｐ１、ｐ２、ｐ３随时间的变化曲线。从Ｆｉｇ．８可以看出，沿挤出方向距离加料口越远，熔体压力越高，也就是说：ｐ１＜ｐ２＜ｐ３。同时压力ｐ３相对压力ｐ１、ｐ２来说，随时间的脉动规律较差，脉动幅值也较小，这主要是因为距离加料口越远，
熔体压力越高，高的熔体压力将导致物料流动阻力增加，漏流量增大。漏流量的增大及因漏流而造成的压力变化
将会对熔体压力形成“扰动”，从而导致压力ｐ３的不规
则变化，表现为压力ｐ３脉动规律较差。
Ｆｉｇ〃８ＰｕｌｓａｔｉｏｎＣｕｒｖｅｓｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈＴｉｍｅａｔＤｉｆｆｅｒｅｎｔＭｅａｓｕｒ－ｉｎｇＰｏｓｉｔｉｏｎ（ＨＤＰＥ－５０００Ｓ，６０ｒ／ｍｉｎ，１５ＭＰａ）
Ｆｉｇ．９是计算得到的压力ｐ１、ｐ２、ｐ３的平均脉动
幅值。从Ｆｉｇ．９可以看出，距离加料口越远，压力脉动
钙粉加工生产线幅值越小，这是由于距离加料口越远，物料经历的热机
械历程越长，塑化效果越好，熔体的流动性增加，在阻
力的作用下漏流增加，从而加强了漏流对熔体流动的
正压力的“滤波”作用，使得压力脉动幅值降低。
Ｆｉｇ〃９ＥｆｆｅｃｔｏｆＡｘｉａｌＤｉｓｔａｎｃｅｔｏＨｏｐｐｅｒｏｎＡｖｅｒａｇｅＰ
ｕｌｓｅＡｍｐｌｉ－ｔｕｄｅｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅ（ＨＤＰＥ－５０００Ｓ，６０ｒ／ｍｉｎ，１５ＭＰａ）
２．２．３口模阻力对熔体压力的影响：Ｆｉｇ．１０、Ｆｉｇ．１１分别是不同口模阻力下压力ｐ２随时间的变化曲线及
对压力脉动幅值的影响。从Ｆｉｇ．１０可以看出，随着口
模阻力的升高，熔体压力随时间的脉动规律略微变差，
这主要是因为口模阻力增大后会导致漏流量微小变化，同时会引起熔体流变特性等其它复杂因素的变化，从而
影响压力的周期性脉动，使脉动规律变差。从
第１１期殷小春等：叶片挤出机熔体压力响应及挤出特性１２１
Ｆｉｇ．１１可以看出，口模阻力对熔体压力脉动幅值影响小，这主要是由叶片挤出机具有完全正位移输送特性的特点决定的，口模阻力的变化对漏流量及由漏流产生的“滤波”作用影响较小，这也与前文中所得到的叶片挤出机中口模阻力对产量的影响小相一致。
Ｆｉｇ〃１０ＰｕｌｓａｔｉｏｎＣｕｒｖｅｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅ（ｐ２）ｗｉｔｈＴｉｍｅＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒ－ｅｎｔＤｉｅＰｒｅｓｓｕｒｅ（ＨＤＰＥ－５０００Ｓ，４５ｒ／ｍｉｎ）
Ｆｉｇ〃１１ＥｆｆｅｃｔｏｆＤｉｅＰｒｅｓｓｕｒｅｏｎＡｖｅｒａｇｅＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆＰｒｅｓ－ｓｕｒｅｐ２（ＨＤＰＥ－５０００Ｓ，４５ｒ／ｍｉｎ）
３结论
在自行设计的叶片挤出机上进行实验，实验结果表明：侧搅拌
（１）由叶片塑化输运单元组成的叶片挤出机通过体积拉伸形变实现了通过空间容积的动态变化，将脉动变化的压力引入到挤出成型过程，实现了动态拉伸形变支配的塑化输运过程。
（２）成型过程中熔体的压力脉动频率由转子轴的角频率与叶片数量决定，当叶片数量为４时，压力脉动频率是转子轴角频率的４倍；压力脉动幅值随转子轴转速的增加而增加，沿挤出方向脉动幅值逐渐减小；口模压力对压力脉动幅值的影响小。
（３）叶片挤出机具有完全正位移输送特性，口模压力、物料特性等对产量的影响小，叶片挤出机具有挤出
特性“硬”、物料适应性广等特点。
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ａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，１４（３）：１２６－１２９．
（下转第１２７页。ｔｏｂｅｃｏｎｔｉｎｕｅｄｏｎＰ．１２７）
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