摘要：分析了制品超聲波特征回波幅值和溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性的關(guān)系，構(gòu)建了基于超聲波特征幅值衰減的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，探明了機(jī)筒結(jié)構(gòu)和螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性的影響，并結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在相同的螺桿結(jié)構(gòu)條件下，壓縮段溝槽機(jī)筒擠壓系統(tǒng)加工的制品對(duì)超聲波的衰減作用最小，即該擠壓系統(tǒng)有較好的塑化效果；在相同的機(jī)筒結(jié)構(gòu)條件下，隨著螺桿壓縮比增大，物料的塑化程度不斷提高，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與可視化研究一致。
        塑化特性是單螺桿擠出機(jī)性能的重要指標(biāo)，對(duì)其塑化特性表征技術(shù)的研究非常重要。塑化特性表征技術(shù)一方面可以加深研究者們對(duì)加工設(shè)備性能的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)輸送和擠出理論的發(fā)展，為新技術(shù)的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)；另一方面可以為工業(yè)生產(chǎn)中工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。本課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，針對(duì)加料段溝槽機(jī)筒擠出機(jī)固體輸送率與熔融效率的不匹配問(wèn)題提出了將擠出機(jī)機(jī)筒上開(kāi)設(shè)的螺旋溝槽由加料段延伸至壓縮段的解決方案，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了壓縮段溝槽機(jī)筒擠出機(jī)[1]，前期的模擬[2] 以及實(shí)驗(yàn)研究[3–5] 表明，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)物料的高效熔融。針對(duì)該新型設(shè)備，更需要有全面、高效的檢測(cè)技術(shù)對(duì)其性能進(jìn)行研究。
        超聲波檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于聚合物加工檢測(cè)中[6–8]，與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有很好的相關(guān)性。對(duì)于大部分材料，可以采用脈沖反射法或穿透法檢測(cè)模式，但是對(duì)于一些纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，目前的方法僅限于使用垂直于表面的超聲波束進(jìn)行檢查[9]。超聲波檢測(cè)方法是基于材料結(jié)構(gòu)或者內(nèi)部缺陷的聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播影響的原理，對(duì)被檢測(cè)試件的表面和內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)[10]。在檢測(cè)中，超聲波的常用頻率為0.5～25 MHz[11]，從而保證了超聲波的高穿透性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。當(dāng)使用超聲波對(duì)聚合物制品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波會(huì)隨著制品的內(nèi)部缺陷出現(xiàn)不同程度的衰減、反射、散射，最終導(dǎo)致超聲波回波信號(hào)的延時(shí)時(shí)間、回波幅值等特征發(fā)生相應(yīng)變化，因而可以對(duì)聚合物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及混合狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和分析[12]。在缺陷檢測(cè)中，超聲波回波信號(hào)的幅值大小包含了待檢測(cè)樣品的大量結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)。回波信號(hào)幅值大小的變化程度反映了超聲波在待檢測(cè)樣品中的衰減情況，包括吸收衰減、散射衰減和反射衰減[13]。衰減與聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系，聚合物內(nèi)部均一性越好，缺陷越少，幅值衰減就越小。
        基于此，筆者對(duì)基于超聲波檢測(cè)技術(shù)的溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性表征技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)超聲波特征回波的衰減程度判斷聚丙烯(PP) 制品的塑化質(zhì)量，從而對(duì)溝槽機(jī)筒擠出機(jī)的塑化特性進(jìn)行分析。
1.實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備
        所用原料為中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司提供的牌號(hào)為B8101 的PP，其密度為0.9 g／cm3，熔點(diǎn)為165℃，熔體流動(dòng)速率為0.45 g／10 min。
        實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的機(jī)筒剖分式可視化實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        單螺桿擠出機(jī)的工作部件主要包括機(jī)筒和螺桿，采用了普通三段式螺桿分別與不同結(jié)構(gòu)機(jī)筒進(jìn)行組合，研究機(jī)筒結(jié)構(gòu)和螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性的影響。機(jī)筒結(jié)構(gòu)形式主要包括光滑機(jī)筒(1#)、加料段設(shè)有螺旋溝槽的機(jī)筒(2#) 和壓縮段設(shè)有螺旋溝槽的機(jī)筒(3#)，螺桿的壓縮比分別為2.13，1.14，1.00，0.41( 分別記為S1，S2，S3，S4)，其結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3 所示。

2.實(shí)驗(yàn)研究
2．1　機(jī)筒結(jié)構(gòu)對(duì)擠出機(jī)塑化特性的影響
        以S1 普通螺桿為例，采用不同機(jī)筒結(jié)構(gòu)，機(jī)筒溫度設(shè)定為230℃，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 r／min，制得PP 制品后，利用超聲波檢測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)。
        圖4 示出機(jī)筒結(jié)構(gòu)對(duì)PP 制品超聲波回波信號(hào)的影響，其中U0 代表超聲波傳感器／PP 制品界面的反射回波信號(hào)，U1 代表PP 制品／反射板界面的反射回波信號(hào)，其他信號(hào)代表PP 制品中缺陷界面的反射回波信號(hào)。從圖4 可以看出，在超聲波信號(hào)U0 和U1 之間存在著一些回波信號(hào)，這些信號(hào)的產(chǎn)生是由于PP 制品內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的界面對(duì)超聲波信號(hào)的反射形成的，超聲波信號(hào)的衰減除了這些反射回波外，還包括因PP 制品內(nèi)部缺陷界面散射發(fā)生偏離而未被超聲波探頭采集到的缺陷信號(hào)。

        為了試驗(yàn)對(duì)比研究，采集探頭發(fā)射出的超聲波信號(hào)記作U，如圖5 所示。由于超聲波信號(hào)U 的幅值不受檢測(cè)的制品表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，只與環(huán)境條件以及信號(hào)采集系統(tǒng)自身屬性有關(guān)，而特征信號(hào)U1 的幅值除了與環(huán)境條件以及信號(hào)采集系統(tǒng)自身屬性有關(guān)，還受待檢測(cè)制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，因此選用U 作為參考信號(hào)，并引入衰減程度表征系數(shù)A，定義為A=U1／U，用A 的數(shù)值大小作為塑化特性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，A 值越大說(shuō)明特征信號(hào)的幅值越大，超聲波穿透制品后的衰減越小，制品內(nèi)部缺陷越少，即物料的塑化質(zhì)量越好，擠出機(jī)的塑化特性越強(qiáng)，反之，物料的塑化質(zhì)量不好，擠出機(jī)的塑化特性較差。
        根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照A=U1／U 計(jì)算機(jī)筒結(jié)構(gòu)對(duì)PP 制品中超聲波特征信號(hào)衰減程度的影響，結(jié)果如圖6 所示。

        從圖6 可以看出，在相同的工藝條件下，3# 機(jī)筒加工的制品對(duì)超聲波特征信號(hào)的衰減程度最小，表明3# 機(jī)筒的塑化效果最好。其原因在于，壓縮段機(jī)筒溝槽對(duì)物料的熔融起到了促進(jìn)作用，與螺桿螺槽共同作用，充分發(fā)揮了物料的內(nèi)摩擦作用，生成了大量的“固相– 固相”、“固相– 液相”、“液相– 液相”剪切熱，在剪切熱和機(jī)筒外熱源的傳導(dǎo)熱共同作用下，螺桿螺槽內(nèi)物料經(jīng)過(guò)較短的熔融長(zhǎng)度便實(shí)現(xiàn)熔融，保證了熔體在輸送段得到充分混合，熔體的均一性較好，超聲波在其中傳輸?shù)哪芰繐p失較小，即3#機(jī)筒的塑化效果較好。
2．2　螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)擠出機(jī)塑化特性的影響
        以3# 機(jī)筒為例，選用不同結(jié)構(gòu)螺桿，機(jī)筒溫度設(shè)定為230℃，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 r／min，制得PP制品后，利用超聲波檢測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)。
        圖7 為螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)PP 制品的超聲波回波信號(hào)的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照A=U1／U 計(jì)算螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)PP 制品中超聲波特征信號(hào)衰減程度的影響，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，隨著螺桿壓縮比的降低，擠壓系統(tǒng)加工的制品對(duì)超聲波特征信號(hào)的衰減程度越來(lái)越大，表明擠壓系統(tǒng)的塑化效果越來(lái)越差。其原因在于，當(dāng)壓縮比較高時(shí)，物料輸送過(guò)程中的阻力較大，一方面增大了系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，另一方面使物料的停留時(shí)間延長(zhǎng)，在高壓和較長(zhǎng)時(shí)間的熱傳導(dǎo)作用下，物料迅速熔融。隨著壓縮比的降低，物料內(nèi)部產(chǎn)生的剪切熱減少，降低了物料的塑化效率，從而使熔體的均一性變差，超聲波在其中傳輸?shù)哪芰繐p失增大，即S1 螺桿的塑化效果較好。

3.結(jié)果驗(yàn)證
        為了驗(yàn)證上述測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)兩組可視化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)擠出機(jī)在上述工藝條件下穩(wěn)定工作一段時(shí)間后，急停螺桿，在液壓裝置驅(qū)動(dòng)下快速打開(kāi)機(jī)筒，利用可視化技術(shù)分析了機(jī)筒結(jié)構(gòu)和螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)溝槽機(jī)筒擠出機(jī)內(nèi)熔融起始點(diǎn)、熔融結(jié)束點(diǎn)的影響。
        圖9 示出機(jī)筒結(jié)構(gòu)對(duì)PP 塑化過(guò)程的影響。從圖9 可以看出，在三個(gè)機(jī)筒結(jié)構(gòu)中PP 物料在螺桿螺槽內(nèi)的熔融起始點(diǎn)均位于第六個(gè)螺槽位置(6D，D 代表螺槽，下同) 位置，熔融結(jié)束點(diǎn)分別發(fā)生在9D，8D，7D 位置，由此可知，1#，2#，3# 機(jī)筒統(tǒng)中PP塑化需要的熔融長(zhǎng)度分別為4D，3D，2D。

        圖10 示出螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)PP 塑化過(guò)程的影響。從圖10 可以看出，S1 螺桿螺槽內(nèi)的熔融起始點(diǎn)位于7D 位置，S2～S4 螺桿螺槽內(nèi)的熔融起始點(diǎn)均在10D位置；熔融結(jié)束點(diǎn)位于8D，14D，17D，19D位置，由此可知，S1～S4 螺桿中PP 塑化需要的熔融長(zhǎng)度分別為2D，5D，8D，10D。

        綜上，在螺桿結(jié)構(gòu)一定的條件下，3# 機(jī)筒中物料熔融所需的熔融長(zhǎng)度最短；在機(jī)筒結(jié)構(gòu)一定的條件下，S1 螺桿中，物料熔融所需的熔融長(zhǎng)度最短。當(dāng)擠出機(jī)螺桿長(zhǎng)徑比一定時(shí)，熔融長(zhǎng)度越短，物料可以在輸送過(guò)程中充分地混合，提高熔體的均勻性，從而導(dǎo)致制品的內(nèi)部缺陷不斷減少，證實(shí)了超聲波檢測(cè)結(jié)果。
4.結(jié)論
        利用超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了機(jī)筒結(jié)構(gòu)和螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性的影響。研究結(jié)果表明，在螺桿結(jié)構(gòu)一定的條件下，3# 機(jī)筒塑化效果最好；在機(jī)筒結(jié)構(gòu)一定的條件下，S1 螺桿塑化效果最好。機(jī)筒壓縮段開(kāi)設(shè)螺旋溝槽有利于物料的熔融，機(jī)筒溝槽和螺桿螺槽耦合作用產(chǎn)生的剪切熱與較高固體輸送量所需熔融熱相匹配，有效提高了溝槽機(jī)筒單螺桿擠出機(jī)熔融效率。