在改性塑料加工领域，双螺杆挤出机作为混合、塑化的核心设备，其螺杆构型的优化一直是提升生产效率与产品性能的关键。传统的异向双螺杆在输送与建压方面表现优异，但其混合特性，尤其是轴向分布混合能力，仍有提升空间。为此，研究人员将目光投向了螺杆开槽这一结构创新。

  近期，一项针对异向双螺杆开槽的仿真与实验研究取得了新进展。该研究以生物可降解材料聚乳酸（PLA）为对象，系统分析了开槽数量对挤出流场压力、物料停留时间、分布混合均匀性及最终制品力学性能的影响。研究不仅通过数值模拟揭示了开槽如何诱发物料的不规则流动以增强混合，还通过实验验证了优化后的螺杆构型对制品性能的切实改善。

  本文我们将深入解读这项研究，为您揭示螺杆“开槽”背后的流动奥秘，以及它如何为改性塑料的高性能与均匀化加工提供新的解决方案。

  由双螺杆挤出机几何学的基础原理能够获得，螺杆几何模型可以看作为一对啮合的齿轮相互滚过, 端面线性设计的方法分为相对运动法和包络法，本文使用的是相对运动法，根据表 1 数据，在 Solidworks 上使用方程驱动曲线画出螺杆的端面曲线 螺杆元件几何参数

  在 Solidworks 软件中绘制异向双螺杆几何模型，以 Z 轴正方向为聚乳酸挤出方向，螺杆长度为 30 mm, 间隙为 0.5 mm, 左螺杆逆时针旋转，右螺杆顺时针旋转，画出左右螺杆如图 2 所示。

  1.2.1 基本假定在进行仿真分析前，根据真实的情况和聚乳酸物料的特性进行以下假设:

  聚乳酸熔融流动需满足质量守恒方程，能量守恒方程以及动量守恒方程三大流体力学方程，前文假定挤出在 190 ℃的等温环境下进行，所以只需求解质量守恒方程和动量守恒方程。在流体力学中的质量守恒可以看作是，在笛卡尔坐标系中的一小立方体单元中的材料平衡, 基于上面讲述的情况，基本方程为:

  在处理包括聚合物熔体的流体中，一般认为这些材料是不可压缩的，即密度 ρ 为常数，则可将上式化简为:

  1.3.1 划分网格使用 Gambit 软件对螺杆和流道进行网格划分，螺杆原件较为复杂，采用四面体分网；流道元件直接用六面体规则形网格进行划分，结果如图 5 所示。

  (1) 聚乳酸在流道的出口和入口均自由流动，故切向力和法向力均为 0, 即f

  =0；(2) 聚乳酸与流道内壁不存在相对切向运动速度，法相速度与切向速度为 0, 则vn=vs

  =0；(3) 机筒的左右内孔为滑移边界，无流体贯穿，法向速度和切向力为 0, 则vn=0，fs

  =0；(4) 由于幂律指数小于 0.75, 属于非牛顿性较强的非线性问题，所以选用 Picard 迭代算法计算收敛。仿线

  宏观压力场作为流体力学的重要分析指标之一，可以充分的反应螺杆的建压能力及物料的挤出速度 , 如图 7 所示，无论是标准双螺杆还是开槽双螺杆，压力都随着基础方向逐渐增大，并在流道出口处达到最大值。为了更直观的看出螺杆开槽后流道与常规挤出机流道建压能力的差异，取流道中心点，沿 Z 轴正方向即挤出方向建立压力参考轴线 cm 取一个参考点，如图 6 所示，绘制折线图，得到挤出方向距离和压力的关系。相较于标准异向双螺杆挤出机，螺杆开槽对于挤出机的建压能力产生一定影响，如图 8 所示，由于物料在开槽处堆积，通过压延间隙时产生较高的压力，故相较于标准螺杆，开槽螺杆的建压能力较强，随着开槽数增多，流道内空间变大，物料堆积效果减弱，挤出机建压能力逐渐变小，但依旧高于标准螺杆。

  常用停滞时间分布 (RTD) 来表征流道内物料的分布混合能力，RTD 与挤压流体品质的形成紧密关联 。停滞时间即为 PLA 进入挤压室开始，直至离开模口后所用时间，其包含累计停滞时间分布函数与停滞时间分布函数。本文采用示踪粒子轨迹跟踪法来研究挤出机的停滞时间和混合能力，将一定数目 (本文设置为 2000) 的示踪粒子布置在流道入口处，借助 Polyflow 中的 Polystat 统计模块计算分析示踪粒子随螺杆运动在流道内运动轨迹，累计停留时间分布曲线 所示，开槽后螺杆的停留时间曲线与标准螺杆的停留时间曲线存在一定差别，在纵坐标为 0.8 处建立一条水平参考线 流道内的时间依次大于 KC4、KC3 和 BZ, 故螺杆开槽减弱了挤出机的挤出能力，从而使料在流道内停留时间长，使得物料得到更充分纵向混合。由此能够看出累计停留时间随着开槽的数目增加而增长。图 10 为停留时间分布曲线，能够准确的看出粒子的停滞时间主要集中在曲线凸起部分，BZ 的曲线峰值最高，意味着较多粒子的停滞时间短，同样印证了开槽导致物料的挤出时间变长。

  在确保示踪粒子数量不变的情况下，使用 Polydata 前处理模块修改停留时间分布的仿真条件，借助 Polystat 统计模块计算分析示踪粒子的运动轨迹，以螺杆转动角度为单位，每转 12° 记为一次，记录螺杆转动一周的过程，得到示踪粒子距离瞬态分布和最优分布。

  通过计算绘制出开槽螺杆与常规螺杆分布指数统计结果，如图 11 所示。开槽后螺杆的分布指数曲线与常规螺杆曲线 时刻出现的曲线峰值是因为在挤出机入口处存在回流现象，由于刚开始粒子在挤出机中混合不均匀，所以在 20~30 时间序列，曲线呈上升趋势，随着时间的推移，粒子分布逐渐均匀，曲线 达到的最小值相近，但从整体上来看，KC3 的瞬态分布与最优分布之间的差距要小于其余 3 种螺杆，故 KC3 的混合均匀性最优。

  在 Polystat 中对示踪粒子进行动态显示，在入口处布置红色和蓝色的示踪粒子，如图 12 所示。

  其中，S 为分离尺度；cj′为位置上的浓度；c为平均分布密度；M 为相对点的数量；δc2为粒子浓度分布方差 。

  图 13 为 4 种螺杆的分离尺度曲线，起始时刻示踪粒子位于入口切片两侧，故数值较大；随着螺杆掺混作用使得粒子分散，曲线下降，故分离尺度减小；随后由于螺杆汇流作用使得粒子又聚合在一起，曲线 切片分离尺度迅速下降。标准螺杆挤出时，粒子大多存在于 C 型室中，而开槽导致更多的粒子进行不规则运动，所以 KC6 的曲线值最小，说明其轴向混合性能最好。BZ、KC3 和 KC4 分离尺度曲线 切片以后分离尺度曲线上升，说明四种螺杆均存在回流现象。

  异向双螺杆挤出机，DT20/44, 南京鼎天机械制造责任有限公司；小型立式注塑机，美国 ThermoScientific 公司；万能材料试验机，CMT6101, 深圳新 SANS 有限公司。

  将实验原料 (PLA) 使用异向双螺杆挤出机进行挤出实验。将 PLA 放入电热鼓风干燥箱内 80 ℃, 干燥 12 h, 双螺杆挤出机熔融段温度设定为 190 ℃, 喂料速度 5 r/min, 螺杆转速为 60 r/min。将挤出料切粒破碎后注塑成标准拉伸、冲击实验样条。分析实验所得数据，对比标准螺杆与开槽螺杆对挤出料力学性能的影响。

  由于螺杆开槽使得挤出机建压能力提高，粒子不规则运动的程度增强，轴向混合性能变好，由实验结果图 14~15 能够准确的看出，聚乳酸在开槽螺杆中的挤出效果要优于标准螺杆。其中 KC3 的效果最优，KC6 略低于 KC3 效果。

  04(1) 与其余 3 组相比，KC3 具有更好的建压能力，使物料得到充分挤压，分布均匀性好，但自清洁能力较差；

  (2) 停滞时间随着开槽数的增大而延长，KC6 大于其他 3 组螺杆，轴向混合性能最好；

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