螺杆挤出机塑化系统内物料停留时间研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.10.021

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (10): 135-140.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.10.021

• 综述 • 上一篇

螺杆挤出机塑化系统内物料停留时间研究进展

赵林¹, 杨高品², 杨卫民¹()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.苏州璞佩珊科技有限公司，江苏苏州 215000

收稿日期:2024-10-28 出版日期:2025-10-26 发布日期:2025-10-21
通讯作者: 杨卫民（1965—），男，教授，主要研究方向为高分子材料先进制造，yangwm@mail.buct.edu.cn
E-mail:yangwm@mail.buct.edu.cn

Research progress in material residence time in plasticizing system of screw extruders

ZHAO Lin¹, YANG Gaopin², YANG Weimin¹()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.Suzhou pupeishan Technology Co，Ltd，Suzhou 215000，China

Received:2024-10-28 Online:2025-10-26 Published:2025-10-21
Contact: YANG Weimin E-mail:yangwm@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

阐述了挤出机停留时间分布（RTD）的原理、特性以及主要影响参数，归纳了近年来常见的RTD检测方法。可以看出RTD可以用于衡量挤出过程中的混合均匀性，在新型挤出加工领域中具有广阔的应用前景。对RTD的研究为挤出行业智能化和高精度化提供了新方法。

关键词: 停留时间分布, 螺杆挤出机, 实验测量, 数值模拟

Abstract:

This paper comprehensively reviews the current understanding of residence time distribution （RTD） within the plasticizing system of screw extruders. The core principles and characteristics of RTD were explained， and the primary influence factors were discussed. An overview of contemporary measurement techniques was also provided. The review highlighted the role of RTD as a robust indicator of mixing uniformity during extrusion and underscored its broad application potential in novel extrusion processes. Ultimately， investigating RTD offers innovative approaches for driving the extrusion industry toward greater precision and intelligent manufacturing.

Key words: residence time distribution, screw extruder, experimental measurement, numerical simulation

中图分类号:

TQ320.5

赵林, 杨高品, 杨卫民. 螺杆挤出机塑化系统内物料停留时间研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(10): 135-140.

ZHAO Lin, YANG Gaopin, YANG Weimin. Research progress in material residence time in plasticizing system of screw extruders[J]. China Plastics, 2025, 39(10): 135-140.

图/表 7

图1 不同螺杆转速下对应流场的累积停留时间

Fig.1 Cumulative residence time of the corresponding flow field at different screw speeds

图2 喂料影响充满度下停留时间分布曲线

Fig.2 Residence time distribution curve under feeding influence fullness

图3 机筒温度对停留时间分布的影响

Fig.3 Influence of barrel temperature on residence time distribution

图4 荧光在线检测原理图

Fig.4 Schematic diagram of fluorescence online detection

图5 电导率法检测装置图

Fig.5 conductivity method detection device

图6 CFD的工作流程图

Fig.6 CFD workflow diagram

图7 螺杆元件及流道的有限元模型

Fig.7 Finite element model of screw components and flow channel

参考文献 41

[1]	张先明，许忠斌，冯连芳.螺杆挤出机中停留时间分布模拟研究进展［J］.高分子材料科学与工程，2005，21（6）：1⁃5.
	ZHANG X M， XU Z B， FENG L F. The development of simulation of residence time distribution in screw extruders［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2005，21（6）：1⁃5.
[2]	An I Yeh，Yih Mon Jaw.Modeling residence time distributions for single screw extrusion process［J］. Journal of Food Engineering，1998，35（2）：211⁃232.
[3]	崔维真，陶海腾，崔波.双螺杆挤压过程中停留时间分布的测定及影响因素研究［J］.食品与机械，2020，36（4）：8⁃14.
	CUI W Z， TAO H T， CUI B. Determination of residence time distribution and its influencing factors during twin screw extrusion［J］. Food & Machinery，2020，（4）：8⁃14.
[4]	Vergnes Bruno. A comprehensive review on residence time distributions in co⁃rotating twin⁃screw extrusion［J］. International Polymer Processing，2024. .
[5]	韩海川.螺杆挤出机螺杆结构对挤出流场影响的数值模拟［D］.山西：太原理工大学，2020.
[6]	张聪.药物挤出机关键结构设计及其混合性能研究［D］.北京：北京化工大学，2022.
[7]	程建邦，于兵，陈峰峰，等.聚丙烯/无机纳米粒子在双螺杆挤出机内的分散混合效果数值模拟［J］.工程塑料应用，2021，49（8）：68⁃73，80.
	CHENG J B， YU B， CHEN F F， et al. Numerical simulation of dispersion and mixing effect of polypropylene/nano⁃inorganic particles in twin⁃screw extruder［J］. Engineering Plastics Application， 2021， 49（8）：68⁃73，80.
[8]	Mo Lee Kun.A comprehensive study on screw design and process optimization of single⁃screw and twin⁃screw extrusion of polypropy⁃lene［D］.American：Johns Hopkins University，2019.
[9]	高可正，胡蝶，丁筠，等.挤出机螺杆结构对PET纤维母粒分散性能的影响［J］.工程塑料应用，2019，47（5）：100⁃104.
	GAO K Z， HU D， DING Y， et al. Effect of extruder screw structure on PET fiber masterbatch mixing performance［J］. Engineering Plastics Application， 2019，47（5）：100⁃104.
[10]	王建，王浩男，许丽杰，等.NE62型双螺杆挤出机螺杆组合的模拟优化分析［J］.塑料工业，2017，45（2）：48⁃53.
	WANG J， WANG H N， XU L J， et al. Simulation and optimization analysis on the screw combination of NE62 twin screw extruder［J］. China Plastics Industry， 2017，45（2）：48⁃53.
[11]	Filli K B， Nkama I， Jideani， V A， et al. Effect of process variables on the hydration properties and acceptability of extruded millet⁃soybean blends for fura manufacture［J］.British food journal，2013，115（6）：884⁃898.
[12]	王新.用于吲哚美辛混合的热熔挤出机关键技术研究［D］.北京：北京化工大学，2020.
[13]	刘彪，史智，徐百平，等.差速非对称双螺杆挤出机中加工参数对停留时间分布的影响［C］.中国化工学会橡塑绿色制造专业委员会大吨位橡塑材料微化工连续流技术开发和产业化展示大会论文集.2019：140⁃149.
[14]	Kumar Ajay， Ganjyal Girish M， Jones David D， et al. Modeling residence time distribution in a twin⁃screw extruder as a series of ideal steady⁃state flow reactors［J］. Journal of food engineering，2008，84（3）：441⁃448.
[15]	赵中文，喻慧文，揭旭章，等. 基于可视化方法的双螺杆停留时间分布及充满度研究［J］.机械工程师，2024（4）：4⁃8，12.
	ZHAO Z W， YU H W， JIE X Z， et al. Study on twin⁃screw residence time distribution and filling degree based on visualization method［J］. Mechanical Engineer， 2024（4）：4⁃8，12.
[16]	Wesholowski Jens， Berghaus Andreas， Thommes Markus. Investigations concerning the residence time distribution of twin⁃screw⁃extrusion processes as indicator for inherent mixing［J］. Pharmaceutics.2018，10（4）：207.
[17]	熊奥，阮建，丁亚军，等.SC⁃CO₂及工艺条件对高固含量发射药CA/CaCO₃体系挤出停留时间的影响［J］. 爆破器材，2020，49（5）：29⁃35，41.
	XIONG A， RUAN J， DING Y J， et al. Effect of SC⁃CO₂ and process conditions on residence time of high solid content propellant substitute in extrusion［J］.Explosive Materials，2020，49（5）：29⁃35，41.
[18]	范玉艳，段方方，佟童，等. 添加淀粉酶脱胚玉米的挤压停留时间分布和淀粉转化率研究［J］.中国粮油学报，2017，32（11）：59⁃63，69.
	FAN Y Y， DUAN F F， TONG T， et al. Residence time distribution and conversion ratio of degermed corn with thermostable α⁃amylase in a single screw extruder［J］. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association， 2017，32（11）：59⁃63，69.
[19]	李浩杰.强剪切螺杆挤出机中纳米粒子的分散性研究［D］.山西：太原理工大学，2023.
[20]	Xu Enbo， Wu Zhengzong， Li Jingpeng， et al. Residence time distribution for evaluating flow patterns and mixing actions of rice extruded with thermostable α⁃amylase［J］.Food and Bioprocess Technology，2017， 10：1 015⁃1 030.
[21]	王炉钢，冯连芳，许忠斌，等.双螺杆挤出机停留时间分布的在线测定［C］. 2004全国高分子材料科学与工程研讨会论文集.北京：中国化学会， 2004： 399⁃400.
[22]	张果，陈梦迪，陈世昌，等.单螺杆挤出机物料停留时间分布的在线检测［J］. 浙江理工大学学报（自然科学版），2018，39（4）：436⁃441.
	ZHANG G， CHEN M D， CHEN S C， et al. Online detection of residence time distribution of single screw extruder［J］.Journal of Zhejiang Sci⁃Tech University（Natural Science Edition），2018，39（4）：436⁃441.
[23]	Olga Sousa Carneiro， Covas Jose， Ferreira J A，et al. On⁃line monitoring of the residence time distribution along a kneading block of a twin⁃screw extruder［J］. Polymer Testing，2004，23（8）：925⁃937.
[24]	Fang Haixia， Mighri Frej， Ajji Abdellah， et al. Flow behavior in a corotating twin⁃screw extruder of pure polymers and blends： Cha⁃racterization by fluorescence monitoring technique［J］.Journal of Applied Polymer Science，2011，120（4）：2 304⁃2 312.
[25]	熊辉，冯连勋，方辉. 物料停留时间分布测试方法及装置进展［J］. 橡塑技术与装备，2007，33（11）：26⁃30.
	XIONG H， FENG L X， FANG H. The progress of the testing method and device of material retention time distribution［J］. China Rubber/Plastics Technology and Equipment， 2007，33（11）：26⁃30.
[26]	吕庆云，郭吉，贾喜午，等. 双螺杆挤压过程中物料成分对其停留时间分布影响的研究［J］. 中国粮油学报，2016，31（5）：141⁃146，151.
	LV Q Y， GUO J， JIA X W， et al. Research on the effect of material component to the residence time distribution of material during twin screw extrusion process［J］. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association， 2016，31（5）：141⁃146，151.
[27]	Dohm Christoph， Schiffers Reinhard.Experimental determination of the residence time distribution in blown film extrusion using colorimetry［J］.AIP Conf. Proc. 23 May 2023； 2607 （1）： 020008
[28]	Nwabueze Titus U， Iwe Maduebibisi O. Residence time distribution （RTD） in a single screw extrusion of african breadfruit mixtures［J］. Food and Bioprocess Technology，2010，3（1）：135⁃145.
[29]	Van Snick B， Kumar A， Verstraeten M， et al.Impact of material properties and process variables on the residence time distribution in twin screw feeding equipment［J］.International Journal of Pharmaceutics，2019，556200⁃216.
[30]	Laske Stephan， Witschnigg Andreas， Ramesh Kumar Selvasankar， et al. Measuring the residence time distribution in a twin screw extruder with the use of NIR⁃spectroscopy［J］. Journal of Applied Polymer Science，2014，131（6）：39919.
[31]	刘彪，徐百平，谭寿再，等. 差速非对称同向双螺杆挤出机内局部停留时间分布测试［J］. 工程塑料应用，2020，48（5）：74⁃80.
	LIU B， XU B P， TAN S Z， et al. Local residence time distributions in a dual⁃speed co⁃rotating non⁃twin screw extruder［J］. Engineering Plastics Application， 2020，48（5）：74⁃80.
[32]	喻慧文，徐百平，吴宏武，等. 差速双螺杆非充满输送粘弹流体的可视化［J］. 高分子材料科学与工程，2018，34（8）：79⁃87.
	YU H W， XU B P， WU H W， et al. Visualization of flow patterns of partially filled viscoelastic fluid in a non⁃twin screw extruder［J］. Polymer Materials Science & Engineering，2018，34（8）：79⁃87.
[33]	Unlu Emine， Faller James F. RTD in twin⁃screw food extrusion［J］. Journal of Food Engineering，2002，53（2）：115⁃131.
[34]	Sun Z， Jen C K， C K. Shih，et al.Application of ultrasound in the determination of fundamental extrusion performance： residence time distribution measurement［J］. Polymer Engineering and Science，2003，43（1）：102⁃111.
[35]	Puaux J P， Bozga G， Ainser A. Residence time distribution in a corotating twin⁃screw extruder［J］. Chemical Engineering Science，2000，55（9）：1 641⁃1 651.
[36]	张一明，黄志刚，杨亚楠.不同螺槽深度下异向双螺杆挤出机流道仿真分析［J］. 食品与机械，2023，39（9）：71⁃76，122.
	ZHANG Y M， HUANG Z G， YANG Y N. Simulation analysis of flow channel of different twin⁃screw extruder with different groove depth［J］. Food & Machinery， 2023，39（9）：71⁃76，122.
[37]	林格非，朱向哲.新型偏心双螺杆挤出机流域混合特性［J］.塑料，2024，53（1）：150⁃155.
	LIN G F， ZHU X Z. Mixing characteristics in conveying section of new eccentric twin⁃screw extruder［J］. Plastic，2024，53（1）：150⁃155.
[38]	马秀清，劳志超，李明谦，等.螺杆构型对PLA/PTW共混物性能影响的研究［J］. 中国塑料，2023，37（11）：127⁃134.
	MA X Q， LAO Z C， LI M Q， et al. Effect of screw configuration on performance of PLA/PTW blends［J］. China Plastics， 2023， 37（11）： 127⁃134.
[39]	Chao Bi， Bo Jiang.Study of residence time distribution in a reciprocating single⁃screw pin⁃barrel extruder［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209（8）：4 147⁃4 153.
[40]	Sun Dapeng， Zhu Xiangzhe， Gao Mingguang. 3D numerical simulation of reactive extrusion processes for preparing PP/TiO₂ nanocomposites in a corotating twin screw extruder［J］. Materials， 2019，12（4）：671.
[41]	Ellwanger Felix， Pernice Laurids， Karbstein Heike P，et al.Investigating local residence time and thermomechanical stress profile in twin⁃screw extrusi on of plant proteins by using the moving particle semi⁃implicit simulation method［J］.Journal of Food Engineering，2023，359：111665.

螺杆挤出机塑化系统内物料停留时间研究进展

Research progress in material residence time in plasticizing system of screw extruders

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 41

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	何浪, 刘江林, 杨冬冬, 梁建国, 赵润田, 王治辉, 李晓东, 陈占春. 双螺杆挤出机螺杆组合对碳纤维增强聚酰胺6均匀性的影响[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 14-18.
[2]	程媛媛, 黄志刚, 徐珍, 孙晨昊, 吴运涛. 非等温环境中异向双螺杆挤出机不同接触状态对聚乳酸流动影响的仿真[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 54-58.
[3]	汤文亮, 燕集中, 沈利民, 杨洪, 吴胜平, 王国新. 多因素协同作用的PE管道损伤数值模拟研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(5): 63-69.
[4]	王禹, 张亚军, 郑永彪, 高聪. 聚合物气辅挤出技术研究进展及应用[J]. 中国塑料, 2025, 39(3): 114-117.
[5]	翟孟雷, 陈文广, 黄明, 雷金宇, 张娜, 刘春太, 高国利. 大丝束碳纤维束内横向动态渗透率计算方法及数值验证[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 54-59.
[6]	林高明, 张国辉, 宗胡曾, 王重阳, 贺有凤, 王苏炜. 聚合物基高黏浆料立式螺旋挤注装填装备关键元件结构的仿真优化[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 107-112.
[7]	陈浩, 杨卫民, 寻尚伦, 张海涛, 焦志伟. 双螺杆挤出机塑化系统电磁加热过程的数值模拟与实验研究及应用[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 101-108.
[8]	徐珍, 黄志刚, 程媛媛. 不同滑移条件对聚乳酸在异向双螺杆中的挤出过程影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(12): 115-122.
[9]	贾明印, 徐文一, 任浩宇, 薛平. 螺杆挤出机相似放大理论的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 106-111.
[10]	周磊, 张礼华, 陈景铭, 毛旭, 陈曙光, 邱建成. 可降解塑料片材机头流道的流场分析及设计优化[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 90-95.
[11]	马秀清, 劳志超, 李明谦, 韩顺涛, 胡楠. 螺杆构型对PLA/PTW共混物性能影响的研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 127-134.
[12]	高坤, 闫伟, 刘志刚, 朱向哲. 基于离散元法双螺杆挤出机磨损特性分析[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 135-140.
[13]	张一明, 黄志刚, 徐珍, 程媛媛. 螺杆构型对啮合异向双螺杆流场影响的仿真分析[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 131-138.
[14]	王德建, 俞鹏飞, 丁玉梅, 杨卫民. 层叠流道中天然高分子挤压流动过程的数值模拟[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 60-65.
[15]	赵鸿敬, 朱江. 微纳层叠天然橡胶/聚丙烯两相挤出的数值模拟研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 110-114.