聚合物在熔融段的升温机制，以及如何设置加料区的机筒温度

或许挤出过程中最容易被误解的部分就是：调整Ⅰ区的料筒温度到底有没有效？

在挤出机的进料部分，刚被喂料的固体总是远低于熔体温度（除非熔体进料），螺杆以螺旋状的方式向前输送。粒子们因作用于颗粒的阻力和摩擦力而被压实。在压缩过程中，当固体聚合物被迫与筒壁紧密接触时，固体聚合物内部会产生一些压力。

随着螺杆旋转和压实质量对筒壁的滑动/剪切，以及筒壁的一些传导热量，筒壁附近的固体积聚足够的能量，在该表面形成一层薄薄的熔融聚合物。这种情况通常发生在冷却后的进料口的一到五圈处，通常被称为“熔融延迟”。从这里开始，前进力或输出就取决于这层薄膜如何拖动下面的固体。

尽管来自机筒的传导热有助于熔体层或薄膜的初始形成，但引发熔化的大部分能量依旧来自聚合物对筒壁的摩擦阻力。这是因为聚合物导热性很差，事实证明，在冷挤压机中熔化聚合物通常需要几个小时，然后才能启动。

一旦启动，熔融膜就成为桶和底层固体之间的中间层。这一层吸收了大部分的动能。最终，在飞速旋转的推进侧形成熔池，并进行熔化。

因此，第一个筒区的反应并不总是如您所期望的那样：低于特定聚合物熔点的“冷型”料筒会延迟熔体形成，从而有效缩短挤出机的熔融长度，并可能减少产量。由于与聚合物相比，机筒具有很高的导热性，因此如果机筒温度低于熔化温度，它会从熔融膜中吸热。

相反，如果机筒被加热到远高于熔点，它会降低薄膜的粘度，降低剪切应力，依然会降低熔化速度和产量。

这两种反应可能与操作员的意图相反，只会减少熔化和潜在输出。如果你看一下这个系统中的力平衡，筒壁上初始熔体的形成和粘度决定了挤出机的产量。显然，它通过Ⅰ区的速度决定了最终的挤压速度。

从挤出机喂料装置进入聚合物所造成的摩擦热功率是大多数商业规模挤出机所有料筒加热器的总功率的许多倍，即使在全功率加热下也是如此。因此，机筒加热器主要只是用于启动和调整机筒温度曲线。这就是为什么许多人喜欢对料筒使用“绝热”方法的原因，除了第一个筒区，它可以有助于初始化熔体膜的生成和输出。开始熔化的时间越早，整个过程的效率就越高，因为它实际上延长了有效螺杆长度。

绝热方法指的是一种筒体温度分布，它不会在熔融膜形成后增加或减少很多热量。换言之，设置Ⅰ区后的温度控制，以便在启动后基本上实现最小的加热或冷却。

区域Ⅰ还通过将热量传递到进料口对进料速度产生额外影响。较热的进料口可改善聚合物与筒之间的摩擦，从而提高进料速度和稳定性。冷进料口从Ⅰ区开始吸热，减少早期聚合物与机筒之间的摩擦和早期熔融，从而决定产量。区域Ⅰ的良好设置是温度略高于聚合物的熔点。

这样做有两个好处：它消除了熔化开始时的热量；并且它可以防止熔体对筒的粘度过度降低。

挤出加工商倾向于设置各种机筒温度曲线来控制熔体温度。一般来说，这些努力都是徒劳的。出于多种原因，挤出机机筒不像烤箱那样工作。首先，聚合物是非常差的热导体（事实上，塑料是极好的绝缘体）。 其次，聚合物几乎没有时间吸收或放出热量。最后，在聚合物和机筒之间传递热量的温差很小。

例如，钢的导电性是 LDPE 的 120 倍，因此加热或冷却料筒肯定会迅速影响料筒的温度，但不会影响聚合物的温度。然后是停留时间的问题。在烤箱里烤火鸡可能需要几个小时。但在以 1000 磅/小时的速率运行 LDPE 的 6 英寸、24/1 挤出机中的平均停留时间略高于 6.5 分钟。

虽然从机筒到熔体薄膜的热传递受到限制，但从薄膜到固体的热传递也是如此。这是因为聚合物的传热率非常低且停留时间短。机筒冷却时情况略有不同，但结果受相同参数的影响。

冷却过程中传递的热量很大程度上取决于聚合物的粘度。通过将机筒冷却到熔体温度以下，您会期望热量会离开熔体并进入非常导热的机筒壁。但是，当靠近机筒壁的熔体冷却时，粘度会发生变化，这会使情况变得复杂。冷却导致壁附近的粘度增加，熔体中的剪切应力增加。这导致更多的能量从螺杆旋转进入熔体。这可以抵消大部分甚至全部热量损失到机筒上。

机筒冷却的有效性在很大程度上取决于聚合物的粘度随温度的变化。如果没有在不同温度下的剪切速率/粘度曲线，可以更有效地冷却聚合物的一个很好的参考是它们的稠度指数（见表）。稠度指数反映了聚合物粘度对温度的依赖性，数值越大表明粘度随温度的变化越大。

对不同聚合物的整体能量平衡的研究证实，当机筒处于冷却模式时，从机筒加热器冷却水中去除的能量可以通过增加通过剪切加热传递到聚合物的驱动功率而在不同程度上抵消。粘度对温度越敏感，机筒冷却效果就越差。