熔融理論是對塑料在擠出機(jī)熔融段中從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)這一過程的研究，又稱熔化理論或相遷移理論。熔融理論在擠出成型加工中對保證制品的質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)意義。迄今為止，塔莫爾（Tadmor）和克累恩（Klein）所建立的熔融理論較為成熟。現(xiàn)簡介如下。

1.熔融機(jī)理

為了弄清塑料擠出機(jī)中的熔化過程，首先從冷卻實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行分析研究。冷卻實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：將著色塑料和本色塑料的混合物進(jìn)行擠出，待擠出過程穩(wěn)定后，快速停車驟冷機(jī)筒和螺桿，使塑料凝固，一同抽出螺桿和凝固塑料，將塑料從螺桿上剝下切片，可觀察到擠出機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)未熔化固體物與熔化物呈線的流動(dòng)軌跡。

觀察分析的結(jié)論是這樣的：塑料熔化過程是由加料段送入的物料在向前推進(jìn)的過程中同已加熱的機(jī)筒表面接觸，熔化即從接觸部分開始，且在熔化時(shí)于機(jī)筒表面留下一層熔體膜，若熔體膜的厚度超過螺棱與機(jī)筒間隙時(shí)，就會(huì)被旋轉(zhuǎn)的螺棱刮落，將積存在螺棱的前側(cè)，形成旋渦狀熔體池，而在螺棱的后側(cè)則為固體床（又稱固體塞），如圖1-1的熔融模型所示。由于螺槽深度逐漸變淺，固體床被擠向內(nèi)壁，這樣在加熱器和剪切熱的作用下，隨著物料沿螺槽向前移動(dòng)，固體床的寬度就會(huì)逐漸減小，熔池逐漸變寬，直到固體床全部消失，即完全熔化。熔融作用均發(fā)生在熔膜和固體床的界面處，從熔化開始到固體床消失這段區(qū)域，我們稱為熔化區(qū)長度，即熔融段。

圖 1-1螺槽內(nèi)塑料的熔化過程模型

1—熔體池 ; 2—料筒壁; 3—熔體膜 ; 4—固體-熔體界面; 5—固體床;

6—螺 棱; X—固體床寬度 ; W—螺槽寬度; H—螺槽深度

從以上熔融模型可知，在擠出過程中，加料段內(nèi)充滿了固體料，熔融段內(nèi)固體料和熔融料共存，且固相和液相間有一定界面，直至固體床寬度消失，也就是說塑料的整個(gè)熔融過程是在螺桿的熔融區(qū)內(nèi)完成的。還可看出，在這一過程中固體床寬度沿螺桿方向變化的規(guī)律，并為數(shù)學(xué)解析式提供了重要依據(jù)。

顯然，如果固體床厚度減小的速率低于螺槽深度減淺的速率，則會(huì)出現(xiàn)固體床堵塞螺桿現(xiàn)象，使擠出料流產(chǎn)生時(shí)斷時(shí)續(xù)的波動(dòng)，因此選擇合理的螺桿參數(shù)十分重要。

2. 影響螺桿熔融段長度的因素

為了能確定熔融段的長度，研究復(fù)雜的熔融過程與螺桿的幾何參數(shù)、塑料的性能、擠出機(jī)的工藝條件等因素的相互關(guān)系，科技工作者通過對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行演算，建立了螺桿參數(shù)和工藝條件的數(shù)學(xué)解析式，其結(jié)論是擠出機(jī)熔融段的質(zhì)量流率（擠出量）G及熔融段的螺桿長度L₂取決于操作工藝條件、物料的性質(zhì)以及螺桿的幾何參數(shù)等。

（1）質(zhì)量流率G和螺桿轉(zhuǎn)速n對 L₂的影響。從熔融理論的相關(guān)計(jì)算式得知，G與L₂成正比關(guān)系，增大螺桿轉(zhuǎn)速不僅使ψ （ψ為一個(gè)有因次的比值, 它是熔化速率的量度，是個(gè)綜合性的指標(biāo)。即高的ψ值意味著高的熔化速率）增加，而且G也增加，G的增加將要求L₂加長。而ψ的增大則有利于熔融，并可減短L₂的長度。這兩種作用可分為兩種情況分析：一是當(dāng)無背壓時(shí)，由于n的提高，ψ值提高的作用（即加強(qiáng)熔融的作用）不足以補(bǔ)償產(chǎn)量G的增加，其結(jié)果使L₂加長，這就是常規(guī)擠出機(jī)轉(zhuǎn)速不能過高的原因；二是當(dāng)有背壓控制時(shí)，在提高n的情況下，G可以得到控制，ψ值增加的影響得到提高, 故也會(huì)起到減小L₂的作用。

（2）溫度對L₂的影響。提高機(jī)筒溫度Tb和固體塑料溫度Ts，使ψ值增大，有利于熔融。ψ值取大值，L₂趨短。但值得注意的是，Tb有一個(gè)最佳值，也就是說 Tb只能提高一定的程度，過高則黏度降低反而不利于L₂的減小。此外，Ts過高，對加料段的固體輸送能力不利。

（3）物料性質(zhì)的影響。對于比熱小、導(dǎo)熱系數(shù)和密度高、熔化潛熱和熔融溫度低的塑料，其ψ值相對來說較大。ψ值趨大，L₂越短，或者說在相同的L₂下能獲得較高的產(chǎn)量。例如聚丙烯比高密度聚乙烯的熔點(diǎn)高，而導(dǎo)熱性差，故在加工聚丙烯時(shí)需選擇較長的熔融段螺桿。

（4）螺桿幾何尺寸的影響。對于等深螺桿，螺槽深度取深一點(diǎn)較為有利；對于漸變螺槽，由于橫截面積是逐漸減少的，加速了熔融，因而螺槽的錐度至關(guān)重要；螺旋角加大，螺旋線增長，物料停留時(shí)間增長，會(huì)使 L₂減小；螺槽寬的減少，不利于L₂的減少；螺紋與機(jī)筒間隙加大導(dǎo)致熔膜增厚，不利于熱傳導(dǎo)，降低了剪切速率，熔融差，同時(shí)漏流量增加。以上簡單介紹了熔融理論的基本內(nèi)容，雖然推導(dǎo)出了熔融段長度計(jì)算式，但仍存在與實(shí)際的誤差，其原因是，研究和推導(dǎo)是在不真實(shí)的假設(shè)條件下進(jìn)行的。所以有關(guān)學(xué)者在此基礎(chǔ)上作了一些修正和補(bǔ)充，不過計(jì)算起來顯得更為復(fù)雜。