企业特殊行业经营资质信息公示
营业执照已认证
摘要：通过总结塑料加工设备塑化三种研究方法实验测试、理论分析、数值仿真发展及 其优缺点， 为塑料塑化质量研究提供借鉴和参考。
塑料加工机械设备按成型方式分主要有挤出机、注塑机、压铸机、吹塑机等，各加工设备虽然成型方法不一样，但其有相同之处：塑料塑化质量好坏直接关系到制品的性能。因此，塑化设备塑化质量的研究是重中之重。
**初，由于科技水平限制，研究者只能通过实验来直接观察测试塑化设备的塑化效果，或者应用简化模型进行简单的理论分析，随着高科技电子显微镜、云计算和图像处理技术的发展，研究者能够对实验结果进行微观的观测和分析，也可以计算复杂的理论模型。随着三维软件的发展，可视化数值仿真技术应运而生，为研究者提供了一个便利的研究工具。
下面，本文将以理论分析、实验测试和数值仿真为顺序来逐一介绍各塑化研究方法的利弊。
1.1理论分析
理论分析是借助于流体动力学控制方程，即质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，应用塑化理论如固体床理论、非塞流理论、两相团熔理论、对流均化熔融理论等，对螺杆内聚合物进行简化处理的分析方法。
优点与缺点：其优点在于成本**，所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果，因而仅局限于非常简单的问题。
1.2实例
华南理工大学陈子运等[1]通过对图1～3所示波状螺杆进行假设简化，提出了双槽波状螺杆内聚合物对流均化熔融原理，建立了固体床区与熔膜区聚合物熔融的物理及数学理论模型，与普通螺杆进行了比较。结论表明，波状螺杆比普通螺杆在相同操作条件下的熔融速率大，熔化长度短，前者的长度仅为后者的58 %左右；机筒温度对波状螺杆的熔融速率及熔化长度的影响小，而转速对它们的影响大，用提高转速方法可以提高熔融速率，从而提高产量。这一点与G. A. Kruder 等人的实验结果一致。
2.1实验测试
由于理论分析只适用于较简单的模型，实际塑化设备内混合混炼状况十分复杂，因而在早期的塑化设备研究中大部分应用实验方法来进行相关研究。
如前所述，起初受制于科技水平，研究者只能通过直接观察塑料加工制品或者塑化设备混合熔体来描述塑化设备塑化质量。高倍显微镜及电子扫描显微镜的发展，使研究者摆脱了人眼睛的局限，可以在分子水平上观察到熔体内部的细微结构。以挤出机为例，其主要思想是[2]：在塑化达到稳定状态时，停止挤出机螺杆旋转和固化聚合物，通过冷却机筒或者冷却螺杆来突然冻结所有的状态，然后把螺杆和聚合物一道从机筒中推出，从螺杆上剥下聚合物，做成切片，然后用高倍显微镜进行观察塑料和色母分布及颗粒大小，来了解塑化质量优劣。随着科技的进步，更有效的方法是把料筒做成透明的，这样可以动态观察物料的流动过程；或者运用扫描电子显微镜进行切片扫描，然后对图像进行粒径统计分析。
随着传感器技术及自动控制技术的进步，研究者可以通过在塑化设备中添加温度传感器、压力传感器、速度传感器等各类传感器获得塑化设备的温度、压力、速度等参数的实时变化，可以动态把握塑化设备的运行状态，从而为塑化设备塑化质量的控制提供了保障。
优点和缺点：实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值仿真的基础。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，熔体速度、压力、剪切速率等物理量很难**测量也无法对塑化设备操作参数和结构参数进行分离变量分析，有时可能很难通过试验方法得到结果。并且，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。
2.2实例
北京化工大学金志明和**科技大学高福荣[3]通过在一台震雄JM88NKIII塑料注射成型机机筒上设置5个装有玻璃的可视化窗口和4 个Kistler 温度、压力传感器，并在喷嘴处安装有Omega 红外温度传感器和Kistler 压力传感器，在相同的工艺条件下对Maddock螺杆与普通螺杆进行熔融性能、熔体温度均匀性、混合性能、塑化能力等的比较实验。结论表明：Maddock 螺杆与通用螺杆相比，在相同的工艺条件下，Maddock 螺杆不但熔体温度均匀性好，而且熔体温度较低，塑化时间较短，如图4所示，相似切片实验如图5所示。
3.1数值仿真
CFD计算流体力学（Computational fluid Dynamics）方法克服了前面两种方法的弱点，对系统模型具有较强的可视化能力，能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到*设计效果。CFD数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用[5]。当前应用**多的两款CFD软件分别是：用于挤出机及混炼模拟的POLYFLOW和用于注塑机模拟的Injection Molding Plastification 。
数值仿真的缺点是其模型及参数的理想化，无法真实地模拟混合过程，导致其结果与复杂的塑化设备混过过程有一定的差距。
3.2实例
图6（a）为销钉元件，其轴向长度为37mm，外径为30mm，内径为27mm，销钉截面为边长为3mm的正方形；图6（b）为螺杆元件，其轴向长度为37mm，外径为30mm，螺棱高为1.5mm，螺旋升角为17.65°；销钉与螺杆元件流道一样，均为环形流道，其长度为39mm，外径为31mm，内径为27mm。图7为两种混炼元件物料混合过程时间历程[6]。
4结论
理论分析、实验测试和数值仿真做为塑化设备塑化质量研究方法各有利弊，如果能够综合利用各种研究方法的优点，以理论分析为先导，设计不同几何结构塑化设备，然后应用模拟分析软件进行数值仿真和优化设计，**生产加工优化后的结构应用于实验测试，则会降低塑化设备研发成本，实现精益研发。 （作者：柳天磊)
参考文献
[1] 陈子运，彭玉成，任鸿烈。波状螺杆的熔融速率[J]。华南工学院学报，1985，13（1）： 29-40.
[2] Z.塔莫尔，I.克莱因 著，夏廷文等译. 塑化挤出工程原理[M]. 轻工业出版社，1984：93-94.
[3] 金志明，高福荣. MADDOCK 注塑螺杆性能研究[J]. 塑料，2005,34（5）：77-80.
[4] 卿艳梅. 振动力场作用下熔体混合的理论与实验研究[D]. 广州：华南理工大学硕士学位论文,2001:35- 50.
[5] 钱欣，许王定，金杨福. POLYFLOW基础及其在塑料加工中的应用. 化学工业出版社，2010 北京.
[6] Tian-Lei Liu , Yao-Xue Du (2011): Numerical Simulation on the Mixing Behavior of Pin Unit Under Vibrant Enhancement[J]. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 50:12, 1231-1238.
