聚合物在挤出机内经过固体输送、熔融塑化、均化等单元过程,最终通过机头口模挤出成型为需要的制品。据此,单螺杆挤出理论也主要由固体输送理论、熔融理论和熔体输送理论组成。其中,以熔融理论最为复杂,这不仅是因为它涉及到在复杂力场中聚合物非线性粘弹性的流变行为,而且还与聚合物的相变过程有关,而且这种相变过程往往还是非稳态的,需要结合动力学和热力学的理论进行综合的研究。许多挤出机的螺杆都装有冷却装置以达到控温的目的,在挤出过程中冷却螺杆,可以降低螺杆温度,防止固体输送段物料过早熔融和计量段的物料过热分解,提高固体输送效率,有利于固体床中的气体和低熔点挥发成分的排出,有效消除固体床破碎的产生,从而稳定挤出过程,提高制品质量,因而在工业生产中获得了一定的应用。但是关于螺杆冷却时挤出过程的研究却一直很少,以致于其优点容易被制品加工商们所忽视。冷却螺杆时的挤出过程会发生很多与不冷却螺杆挤出完全不同的现象。由于物料在机筒中会经历多次的相变过程,出现非稳态相变行为的可能性大大增加,然而,关于相变行为的研究一直是以测试最终制品的微观结构为主,对发生在加工过程中相态变化机理的研究一直是个空白。可视化挤出机为这种研究供了实验条件。本文采用实验研究和理论研究相结合的方法,从探讨冷却螺杆时熔融机理出发,借助可视化挤出实验,研究了熔融的物理数学模型和挤出过程中的相态变化两个方面的内容。本文主要的工作和结论如下:1、对挤出理论的研究方法进行了较为深入的探讨,指出了动态可视化技术在实验研究中的优越性,分析了数值计算方法在理论研究中的运用,针对能量方程的耦合和熔融过程中固液运动界面追踪等问题,提出了数值计算中的解决方法。2、对冷却螺杆时挤出过程进行分析和实验研究,指出了前人物理模型的不足,建立了更完善的物理模型,为建立数学模型提供条件。实验表明,冷却螺杆时,<WP=6>固体床保持连续而不破碎,不产生下熔膜和侧熔膜,固体床和熔池之间有能量和质量的交换;3、首次建立了冷却螺杆时熔融机理的数学模型,并结合相态分析结果,对数学模型中的一些问题进行了分析探讨,运用有限差分等数值方法对熔融段各区的数学模型方程进行处理,使用Visual C++编写程序求解控制方程,获得了熔融过程的数值解;4、实验验证了数学模型的计算精度,结果表明,本文的数学模型与实验结果基本吻合。并对沿程压力分布,固体床宽度分布等问题进行了分析;5、对固体床速度和变形进行了分析,认为固体床是由密实的芯部和被熔体渗入的外壳组成的,计算固体床强度应该综合考虑,定义了固体床的z向速度比系数,运用示踪粒子方法,利用实验数据给出了z向速度比系数的经验回归方程,可以进一步得到螺杆轴向任意位置的固体床速度;6、借用一个前人无法解释的现象,引出研究成型加工过程中相态变化行为的必要性,介绍了加工过程中非稳态相变行为的原因及影响因素。首次将亚稳态研究应用于挤出过程中,指出冷却螺杆的挤出过程中,物料会由于动力学快捷的原因形成亚稳态;7、首次对挤出成型加工过程中相态变化行为进行了研究。运用逐步分析的方法,详细分析了挤出过程中发生在各特定区域的聚合物相态变化。结合亚稳态理论论证了过冷液体的形成原因,得出了接近螺杆表面的两种结晶现象分别是由非均相成核和均相成核引起的结论,揭示了在挤出加工过程中存在的聚合物亚稳性行为一些规律;8、设计可视化挤出实验方案,研究影响挤出过程相变行为的相关因素。实验证明,螺杆温度是影响相变行为的最主要因素,成核剂、交联剂、增塑剂等助剂对相变行为也有直接的影响。关于熔融机理的实验和理论研究,将有利于完善聚合物挤出成型数学物理模型,使之能更准确反映螺杆冷却时的挤出熔融实际状况,进而优化加工工艺和设备设计。而聚合物加工过程中的相变行为的研究是对聚合物凝聚态物理的研究提供了一个新的思路,可视化技术在本文研究中发挥了重要的作用。