溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性的超聲波表征

        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價方法，通過實驗研究，探明了機(jī)筒結(jié)構(gòu)和螺桿結(jié)構(gòu)對溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性的影響，并結(jié)合可視化實驗研究對結(jié)果進(jìn)行了驗證。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，且實驗結(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加工設(shè)備性能的認(rèn)識，促進(jìn)輸送和擠出理論的發(fā)展，為新技術(shù)的開發(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)。本課題組在國家自然科學(xué)基金的支持下，針對加料段溝槽機(jī)筒擠出機(jī)固體輸送率與熔融效率的不匹配問題提出了將擠出機(jī)機(jī)筒上開設(shè)的螺旋溝槽由加料段延伸至壓縮段的解決方案，設(shè)計開發(fā)了壓縮段溝槽機(jī)筒擠出機(jī)[1]，前期的模擬[2] 以及實驗研究[3–5] 表明，該設(shè)備可以實現(xiàn)物料的高效熔融。針對該新型設(shè)備，更需要有全面、高效的檢測技術(shù)對其性能進(jìn)行研究。
        超聲波檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于聚合物加工檢測中[6–8]，與傳統(tǒng)的檢測方法有很好的相關(guān)性。對于大部分材料，可以采用脈沖反射法或穿透法檢測模式，但是對于一些纖維增強(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)特性對超聲波傳播影響的原理，對被檢測試件的表面和內(nèi)部缺陷進(jìn)行無損檢測[10]。在檢測中，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，可以實現(xiàn)對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測。當(dāng)使用超聲波對聚合物制品進(jìn)行檢測時，超聲波會隨著制品的內(nèi)部缺陷出現(xiàn)不同程度的衰減、反射、散射，最終導(dǎo)致超聲波回波信號的延時時間、回波幅值等特征發(fā)生相應(yīng)變化，因而可以對聚合物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及混合狀態(tài)進(jìn)行檢測和分析[12]。在缺陷檢測中，超聲波回波信號的幅值大小包含了待檢測樣品的大量結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)?；夭ㄐ盘柗荡笮〉淖兓潭确从沉顺暡ㄔ诖龣z測樣品中的衰減情況，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，筆者對基于超聲波檢測技術(shù)的溝槽機(jī)筒擠出機(jī)塑化特性表征技術(shù)進(jìn)行了實驗研究。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，從而對溝槽機(jī)筒擠出機(jī)的塑化特性進(jìn)行分析。
1　實驗原料及設(shè)備
        所用原料為中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司提供的牌號為B8101 的PP，其密度為0.9 g／cm3，熔點(diǎn)為165℃，熔體流動速率為0.45 g／10 min。
        實驗采用自主研發(fā)的機(jī)筒剖分式可視化實驗測試平臺，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　實驗研究
2．1　機(jī)筒結(jié)構(gòu)對擠出機(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，利用超聲波檢測裝置實驗臺對其進(jìn)行缺陷檢測。
        圖4 示出機(jī)筒結(jié)構(gòu)對PP 制品超聲波回波信號的影響，其中U0 代表超聲波傳感器／PP 制品界面的反射回波信號，U1 代表PP 制品／反射板界面的反射回波信號，其他信號代表PP 制品中缺陷界面的反射回波信號。從圖4 可以看出，在超聲波信號U0 和U1 之間存在著一些回波信號，這些信號的產(chǎn)生是由于PP 制品內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的界面對超聲波信號的反射形成的，超聲波信號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。
        為了試驗對比研究，采集探頭發(fā)射出的超聲波信號記作U，如圖5 所示。由于超聲波信號U 的幅值不受檢測的制品表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，只與環(huán)境條件以及信號采集系統(tǒng)自身屬性有關(guān)，而特征信號U1 的幅值除了與環(huán)境條件以及信號采集系統(tǒng)自身屬性有關(guān)，還受待檢測制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，因此選用U 作為參考信號，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判標(biāo)準(zhǔn)，A 值越大說明特征信號的幅值越大，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)試驗數(shù)據(jù)，按照A=U1／U 計算機(jī)筒結(jié)構(gòu)對PP 制品中超聲波特征信號衰減程度的影響，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)筒加工的制品對超聲波特征信號的衰減程度最小，
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)過較短的熔融長度便實現(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，利用超聲波檢測裝置實驗臺對其進(jìn)行缺陷檢測。
        圖7 為螺桿結(jié)構(gòu)對PP 制品的超聲波回波信號的影響。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，按照A=U1／U 計算螺桿結(jié)構(gòu)對PP 制品中超聲波特征信號衰減程度的影響，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)加工的制品對超聲波特征信號的衰減程度越來越大，表明擠壓系統(tǒng)的塑化效果越來越差。其原因在于，當(dāng)壓縮比較高時，物料輸送過程中的阻力較大，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間延長，在高壓和較長時間的熱傳導(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)果驗證
        為了驗證上述測試方法和測試結(jié)果，設(shè)計兩組可視化實驗進(jìn)行驗證。當(dāng)擠出機(jī)在上述工藝條件下穩(wěn)定工作一段時間后，急停螺桿，在液壓裝置驅(qū)動下快速打開機(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PP 塑化過程的影響。從圖9 可以看出，在三個機(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塑化需要的熔融長度分別為4D，3D，2D。

        圖10 示出螺桿結(jié)構(gòu)對PP 塑化過程的影響。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度最短。當(dāng)擠出機(jī)螺桿長徑比一定時，熔融長度越短，物料可以在輸送過程中充分地混合，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，證實了超聲波檢測結(jié)果。
4　結(jié)論
        利用超聲波檢測技術(shù)實驗研究了機(jī)筒結(jié)構(gòu)和螺桿結(jié)構(gòu)對溝槽機(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。