6.1 挤出机的功能

如第3章所述，通过模具的质量流量与压降、模具尺寸及粘度相关，其中粘度主要取决于温度。由于牵引装置对模头出口状态的影响甚微，挤出机的核心功能在于：在空间与时间维度上（参见第11.1节）以最小波动幅度，将所需质量流量、对应压力及温度输送至模头，同时确保正确组分（如剪切历史参见第11.3节）及添加剂分散性（参见第4.4节）。给定挤出机螺杆的产量主要取决于转速，因此本章将探讨质量流量输出、螺杆转速与背压之间的关系，同时分析螺杆尺寸、粘度及其与模头压力的相互作用所产生的影响。

塑料与橡胶挤出机（其功能与粘土、沥青、膏状炸药、面食乃至家用绞肉机挤出机相同）的核心作用，在于将物料以流体状态泵送，克服由模头阻力产生的背压。该功能可通过流体动力学分析进行研究，亦是本章核心议题。由于流动过程复杂，会产生一定程度的分布式与分散式混合（第4.4节），同时剪切作用将能量转化为热能（第8.1节），进而引发温度变化与分布（第11.1节）。巧合的是，单螺杆挤出机（即阿基米德螺旋泵或“拖曳”泵）在输送固体颗粒时，会在固体内部产生压力，从而引发剪切作用。这种剪切作用结合筒体传导的热量，最终使固态聚合物熔化（参见第七章）。挤出机还可用于在进料段去除空气、挥发物、水分等，并从熔体中排出气体或蒸汽（第6.5节）。其混合作用可用于混入固体或液体（如颜料或发泡剂），同时可通过机械过滤从熔体中清除固体杂质（如污垢）。螺杆的混合作用使其可充当“刮板式”热交换器，尽管冷却效果受剪切热限制，该特性亦可用于化学反应——例如连续聚合时，挤出机实质转化为搅拌反应釜。单螺杆挤出机因此具备多种功能，包括熔融、输送、混合、复合、泵送、分离和热交换，其中若干功能在特定情况下需进行优化。然而某些功能在理论分析或实际控制上存在困难，因此熔体泵送区域（常称“计量段”）的质量流量通常被设定为受控（最小）参数，从而降低其他参数的不确定性影响。

塑料用单螺杆挤出机通常由恒定螺距、矩形螺纹截面的单头螺杆构成，该螺杆在恒定直径的筒体或圆筒中运行。以下分析可通过将“螺距”替换为“导程”并乘以“螺纹数”来适应多头螺杆。橡胶加工中常采用变径螺杆（如板料挤出机），且螺杆深度常变化，螺距可恒定或变化。在第一种情况下，计算流速时可能需要采用平均通道直径（McKelvey, 1962, p. 234）而非最大通道直径；在第二种情况下，“宽通道假设”可能失效，因此必须纳入形状系数（McKelvey, 1962, p. 236）。

注1：本分析仅涉及螺杆，即\(Q=f(N,P)\)，假设\(Q\)或\(P\)可独立于模头变化（如通过调整模头尺寸）。但在第3.2节已证明对于模头\(Q=f^{\prime}(P)\)；因此在挤出机直接供料至模头的常规情况下，两者关系均需满足，且在给定螺杆转速和温度下仅存在一对真实的\(Q\)和\(P\)值（第6.5节）。
注2：方程\(Q=f(N,P)\)看似暗示通过提高螺杆转速总能提升质量流量（输出）。然而实际操作中，

能耗考量（第8章）、产品品质（第11.1节）或工艺稳定性（第11.2节）往往成为限制工况优化的关键因素。多数文献在性能分析中忽略了这些要素。

本书中“前端”与“后端”分别指模具端与进料端；应用于螺杆螺棱时，则与前缘/推力缘及后缘/阻力缘同义。通道的“顶部”与“底部”分别指外径（筒体表面）与内径（螺纹根部）。螺旋叶片间隙指自由运转所需的径向间隙，该间隙假定在圆周上保持恒定，这与中型聚合物挤出机中的观测结果一致——但超大型设备的情况请参阅Klein（1973）及Worth与Lai-Fook（1978）的研究。磨损现象（尤其在使用玻璃纤维增强或其他磨料化合物时）可能导致间隙过大（详见第6.3节）或轴向间隙变化。