— 聚合物叶片挤出机输运特性研究
        
        
         目前，高分子材料成型加工普遍采用螺杆机械，如螺杆挤出机、螺杆注射机等，在螺杆机械中物料塑化输运主要是靠螺杆旋转时对物料的拖曳作用，物料的速度梯度与其流动和变形方向垂直，这种流动与变形主要受剪切应力支配。因此，可以认为，目前普遍采用的螺杆机械是基于剪切流变的高分子材料螺杆塑化输运设备，无可避免地存在塑化输运能力强烈依赖于物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力的问题。高分子材料动态成型加工设备在一定程度上缩短了成型加工过程中物料所经历的热机械历程，降低了成型加工过程中物料的流动阻力，从而使得塑化输运能耗降低、塑化能力提高。但高分子材料动态成型加工机械本质上还是基于剪切流变的螺杆塑化输运设备，无法从根本上解决塑化输运能力依赖于物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力的问题，因此，其降低塑化输运能耗与提高塑化输运能力的空间也很有限。
         工程中心在对动态成型加工技术多年研究和应用基础上，提出并发明了基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法及设备。
        
        新方法是利用一组具有确定几何形状的空间，它们的容积可以依次由小到大再由大到小周期性变化，容积变大时纳入物料，容积变小时压实、塑化并排出物料，实现正应力起主要作用的物料塑化输运。实现上述方法的关键机械机构称之为叶片塑化输运单元。
        
         由叶片塑化输运单元组合的叶片式挤压系统可以取代常规挤出、注射、混炼设备的螺杆式挤压系统，实现物料的短流程、低能耗、高效率的塑化输运。多个叶片塑化输运单元串联叠加可以组合成塑料拉伸流变塑化挤出成型设备，叶片塑化输运单元与柱塞注射单元可以组合成塑料拉伸流变塑化注射成型设备，而双轴驱动双叶片塑化输运单元可组合成塑料拉伸流变塑化混炼设备。图1是基于拉伸流变的塑料挤出吹膜加工过程示意图。图2是基于拉伸流变的塑料挤出吹膜机组样机。
        


















         实践证明：基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法及设备，解决了螺杆塑化输运过程中塑化能力主要依赖物料与金属料筒表面之间的摩擦力和物料内摩擦力的问题，与螺杆塑化输运技术及设备相比，具有如下优点：
         完成塑化输运过程所经历的热机械历程大大缩短，塑化输运能耗降低；
         塑化输运靠特定形状的空间容积变化完成，具有xx正位移特性，效率提高；
         塑化输运过程在很短的热机械历程内完成，相应的塑化输运设备体积缩小；
         塑化输运能力不依赖于物料的物理特性，塑化输运稳定性提高，对物料适应性提高。
         本文主要介绍物料主要受正应力作用的高分子材料塑化输运方法及设备，实验研究了口模压力、转速等对产量及能耗的影响，分析了叶片挤出机的输运特性。
        
        




















         实验研究
        叶片塑化单元
         叶片塑化输送单元是叶片挤出机的重要组成部分。叶片塑化输送单元的原理结构简图如图3所示。叶片塑化输运单元主要由转子1、隔盘 2、定子 3、隔盘 4、凸叶片 5、凹叶片6等组成，隔盘2及隔盘4布置在转子两侧。转子1偏心安装在空心定子3中，叶片成对安装在转子的径向矩形截面通孔中，两叶片内侧底面相互接触，外部顶面与定子的内表面接触。当转子旋转时，由定子内表面、转子外表面、叶片、挡料盘围成的空间容积不断变化。当该空间容积由小变大时，物料将从上游塑化输运单元或料斗进入该空间；当该空间容积由大变小时，物料主要在正应力的作用下被研磨、压实、排气、塑化，并连续地被压出进入下一塑化输运单元，转子不断旋转从而实现连续的塑化输运过程。
        
         叶片挤出机
         叶片塑化挤出机主要由叶片塑化输运单元I、II、III和驱动轴1、料斗2、连接法兰3、分流器4等零件组成，其结构简图如图4所示。驱动轴1带动塑化输运单元I、II、III的转子2旋转时，来自料斗2的物料被纳入叶片塑化输运单元I，经塑化后依次进入塑化输运单元II、III中被进一步塑化和均化，完成塑化输运过程。
        
        实验材料及工艺参数
         实验所用的材料为中国石油化工股份有限公司茂名分公司生产的低密度聚乙烯（LDPE），牌号为2426H；熔融指数大约为2.0 g/10 min。从料斗到口模共分三段加热，温度设定为T1＝190℃，T2＝190℃，T3＝190℃，口模处的温度为T4＝210℃。
        
        




















        结果及讨论
         从图5可以看出，随着口模压力的增大，曲线出现一平台，随着转速的升高，这一平台范围更宽，这主要是由于物料的特性及工艺参数的变化对叶片挤出机的产量影响较小；当压力继续升高时，产量随口模压力的升高而下降的速度将加快，这主要是由于压力较高时漏流较多引起的。
         图6是不同口模压力下挤出产量随转速的变化关系。从图6可以看出，产量随转速基本上成线性变化，产量对口模压力变化的敏感性小，叶片挤出机工作特性硬。这主要是由于叶片挤出机输运物料是正位移容积输送，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，同时在塑化输运物料时物料主要受到正应力作用，对物料的剪切小。
         图7及图8是挤出功率（不包括加热器功率）随口模压力及转速的变化关系图。从图7可以看出，口模压力不变时，挤出功率随转速的增大而增大，其基本上呈现线性变化。从图8可以看出，转速不变时挤出功率随着口模压力的增大先增大后略微减少。
         这主要是由于口模压力增大导致熔体流动阻力增大，从而引起挤出功率增大。当口模压力较大时，由于露流较多，挤出产量降低从而引起挤出功率减小。
         为了进一步分析叶片挤出的能耗状况，有必要分析工艺参数对比能耗的影响。图9为不同转速下比能耗随口模压力的变化关系。从图9可以看出，口模压力越大，输运物料需要克服更大的阻力，使得能耗增加，所以单耗增大。图10为不同口模压力下比能耗随转速的变化关系图。从图10可以看出，叶片挤出机塑化输运物料的比能耗随转速的升高而先降低后略有升高。当转速较低时比能耗下降得快，当转速超过60rpm时，比能耗随转速的升高略有上升，但升高得较小。
        
        结论
         相比螺杆挤出机，叶片挤出机的长度缩短、体积减小；
         叶片挤出机的输送过程为体积输送，塑化输运过程中物料主要受到正应力作用， 物料特性的变化对产量的影响小；
         产量随转速基本上成线性变化，产量对口模压力变化的敏感性小，叶片挤出机工作特性硬；
         叶片挤出机比能耗低，物料所经历的热－机械历程比螺杆挤出机缩短。