摘要：通過總結塑膠加工設備塑化三種研究方法實驗測試、理論分析、數值模擬發展及 其優缺點， 為塑膠塑化品質研究提供借鑒和參考。
塑膠加工機械設備按成型方式分主要有擠出機、注塑機、壓鑄機、吹塑機等，各加工設備雖然成型方法不一樣，但其有相同之處：塑膠塑化品質好壞直接關係到製品的性能。因此，塑化設備塑化品質的研究是重中之重。
最初，由於科技水準限制，研究者只能通過實驗來直接觀察測試塑化設備的塑化效果，或者應用簡化模型進行簡單的理論分析，隨著高科技電子顯微鏡、雲計算和影像處理技術的發展，研究者能夠對實驗結果進行微觀的觀測和分析，也可以計算複雜的理論模型。隨著三維軟體的發展，視覺化數值模擬技術應運而生，為研究者提供了一個便利的研究工具。
下面，本文將以理論分析、實驗測試和數值模擬為順序來逐一介紹各塑化研究方法的利弊。
1.1理論分析
理論分析是借助于流體動力學控制方程，即品質守恆方程、動量守恆方程和能量守恆方程，應用塑化理論如固體床理論、非塞流理論、兩相團熔理論、對流均化熔融理論等，對螺杆內聚合物進行簡化處理的分析方法。 優點與缺點：其優點在於成本最低，所得結果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，是指導實驗研究和驗證新的數值計算方法的理論基礎。它往往要求對計算物件進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。對於非線性情況，只有少數流動才能給出解析結果，因而僅局限於非常簡單的問題。
1.2實例
華南理工大學陳子運等[1]通過對圖1～3所示波狀螺杆進行假設簡化，提出了雙槽波狀螺杆內聚合物對流均化熔融原理，建立了固體床區與熔膜區聚合物熔融的物理及數學理論模型，與普通螺杆進行了比較。結論表明，波狀螺杆比普通螺杆在相同操作條件下的熔融速率大，熔化長度短，前者的長度僅為後者的58 %左右；機筒溫度對波狀螺杆的熔融速率及熔化長度的影響小，而轉速對它們的影響大，用提高轉速方法可以提高熔融速率，從而提高產量。這一點與g. a. kruder 等人的實驗結果一致。
2.1實驗測試
由於理論分析只適用於較簡單的模型，實際塑化設備內混合混煉狀況十分複雜，因而在早期的塑化設備研究中大部分應用實驗方法來進行相關研究。
如前所述，起初受制于科技水準，研究者只能通過直接觀察塑膠加工製品或者塑化設備混合熔體來描述塑化設備塑化品質。高倍顯微鏡及電子掃描顯微鏡的發展，使研究者擺脫了人眼睛的局限，可以在分子水準上觀察到熔體內部的細微結構。以擠出機為例，其主要思想是[2]：在塑化達到穩定狀態時，停止擠出機螺杆旋轉和固化聚合物，通過冷卻機筒或者冷卻螺杆來突然凍結所有的狀態，然後把螺杆和聚合物一道從機筒中推出，從螺杆上剝下聚合物，做成切片，然後用高倍顯微鏡進行觀察塑膠和色母分佈及顆粒大小，來瞭解塑化品質優劣。隨著科技的進步，更有效的方法是把料筒做成透明的，這樣可以動態觀察物料的流動過程；或者運用掃描電子顯微鏡進行切片掃描，然後對圖像進行粒徑統計分析。
隨著感測器技術及自動控制技術的進步，研究者可以通過在塑化設備中添加溫度感測器、壓力感測器、速度感測器等各類感測器獲得塑化設備的溫度、壓力、速度等參數的即時變化，可以動態把握塑化設備的運行狀態，從而為塑化設備塑化品質的控制提供了保障。
優點和缺點：實驗測量方法所得到的實驗結果真實可信，它是理論分析和數值模擬的基礎。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，熔體速度、壓力、剪切速率等物理量很難精確測量也無法對塑化設備指令引數和結構參數進行分離變數分析，有時可能很難通過試驗方法得到結果。並且，實驗還會遇到經費投入、人力和物力的巨大耗費及週期長等許多困難。
2.2實例
北京化工大學金志明和香港科技大學高福榮[3]通過在一台震雄jm88nkiii塑膠注射成型機機筒上設置5個裝有玻璃的視覺化視窗和4 個kistler 溫度、壓力感測器，並在噴嘴處安裝有omega 紅外溫度感測器和kistler 壓力感測器，在相同的工藝條件下對maddock螺杆與普通螺杆進行熔融性能、熔體溫度均勻性、混合性能、塑化能力等的比較實驗。結論表明：maddock 螺杆與通用螺杆相比，在相同的工藝條件下，maddock 螺杆不但熔體溫度均勻性好，而且熔體溫度較低，塑化時間較短，如圖4所示，相似切片實驗如圖5所示。
3.1數值模擬
cfd計算流體力學（computational fluid dynamics）方法克服了前面兩種方法的弱點，對系統模型具有較強的視覺化能力，能夠展示別的手段所不能揭示的系統的性質和現象。通過cfd軟體，可以分析並且顯示發生在流場中的現象，在比較短的時間內，能預測性能，並通過改變各種參數，達到最佳設計效果。cfd數值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產生的機理，為實驗提供指導，節省實驗所需的人力、物力和時間，並對實驗結果的整理和規律的得出起到很好的指導作用[5]。當前應用最多的兩款cfd軟體分別是：用於擠出機及混煉模擬的polyflow和用於注塑機模擬的injection molding plastification 。
數值模擬的缺點是其模型及參數的理想化，無法真實地模擬混合過程，導致其結果與複雜的塑化設備混過過程有一定的差距。
3.2實例
圖6（a）為銷釘元件，其軸向長度為37mm，外徑為30mm，內徑為27mm，銷釘截面為邊長為3mm的正方形；圖6（b）為螺杆元件，其軸向長度為37mm，外徑為30mm，螺棱高為1.5mm，螺旋升角為17.65°；銷釘與螺杆元件流道一樣，均為環形流道，其長度為39mm，外徑為31mm，內徑為27mm。圖7為兩種混煉元件物料混合過程時間歷程[6]。
4結論
理論分析、實驗測試和數值模擬做為塑化設備塑化品質研究方法各有利弊，如果能夠綜合利用各種研究方法的優點，以理論分析為先導，設計不同幾何結構塑化設備，然後應用類比分析軟體進行數值模擬和優化設計，最後生產加工優化後的結構應用於實驗測試，則會降低塑化設備研發成本，實現精益研發。 （作者：柳天磊)
參考文獻
[1] 陳子運，彭玉成，任鴻烈。波狀螺杆的熔融速率[j]。華南工學院學報，1985，13（1）： 29-40.
[2] z.塔莫爾，i.克萊因 著，夏廷文等譯. 塑化擠出工程原理[m]. 輕工業出版社，1984：93-94.
[3] 金志明，高福榮. maddock 注塑螺杆性能研究[j]. 塑膠，2005,34（5）：77-80.
[4] 卿豔梅. 振動力場作用下熔體混合的理論與實驗研究[d]. 廣州：華南理工大學碩士學位論文,2001:35- 50.
[5] 錢欣，許王定，金楊福. polyflow基礎及其在塑膠加工中的應用. 化學工業出版社，2010 北京.
[6] tian-lei liu , yao-xue du (2011): numerical simulation on the mixing behavior of pin unit under vibrant enhancement[j]. polymer-plastics technology and engineering, 50:12, 1231-1238.