鄧小珍1 ，肖兵1 ，任重2
(1. 南昌工程學(xué)院 江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室，江西 南昌 330099；2. 江 西科技師范大學(xué) 江西省光電子與通信重點實驗室，江西 南昌 330038)
摘要： 擠出成型是聚合物加工領(lǐng)域出現(xiàn)得較早且應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，聚合物傳統(tǒng)擠出成型過程中存在的擠出脹大、扭曲變形等問題嚴重阻礙了該技術(shù)的進一步發(fā)展及其推廣應(yīng)用。聚合物氣輔擠出是本世紀初發(fā)展起來的一種新型成型工藝，通過在口模內(nèi)壁與熔體表面間形成穩(wěn)定的氣墊膜層，使熔體以完全滑移非粘著方式擠出成型，改善了口模內(nèi)熔體的流場分布，從而有效減小甚至消除了傳統(tǒng)擠出過程中存在的影響制品質(zhì)量的固有問題。該技術(shù)因具有節(jié)能、環(huán)保、改善制品質(zhì)量等優(yōu)良特性，自問世以來即受到聚合物加工領(lǐng)域諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究成果對豐富和發(fā)展聚合物成型理論及其加工技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用均具有重要的科學(xué)意義和工程價值。本文綜述了聚合物氣輔擠出成型問世以來國內(nèi)外研究進展，主要介紹了該技術(shù)的成型機理和成型裝置，氣體輔助單層擠出、雙層共擠、微管擠出及氣墊膜層等方面的研究方法與研究成果，并在綜述現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上展望了氣輔擠出成型的研究趨勢。
關(guān)鍵詞： 聚合物；氣體輔助技術(shù)；擠出脹大；氣墊膜層
擠出成型是聚合物加工中出現(xiàn)較早的一門技術(shù)，經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，因其生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強、用途廣泛，已成為聚合物加工領(lǐng)域中生產(chǎn)品種最多、產(chǎn)量最大、變化最多的加工方法之一，然而，傳統(tǒng)擠出成型產(chǎn)生的擠出脹大[1]、“鯊魚皮”現(xiàn)象[2]、扭曲變形[3]、黏性包圍[4] 、界面不穩(wěn)定[5]等問題嚴重影響了制品質(zhì)量，制約了該項技術(shù)的進一步發(fā)展。為解決上述難題，提高聚合物擠出產(chǎn)品質(zhì)量，行內(nèi)研究者將氣體作為輔助介質(zhì)引入擠出成型，形成全新的聚合物氣體輔助擠出成型技術(shù)(簡稱氣輔擠出)。氣輔擠出因在口模內(nèi)壁與聚合物熔體表面間形成了穩(wěn)定氣墊膜層，對熔體流動起到潤滑作用，使得口模內(nèi)熔體的速度場趨于均勻一致，剪切速率和應(yīng)力值趨于零，熔體呈柱塞狀擠出。因具有節(jié)能、環(huán)保和改善制品質(zhì)量等優(yōu)勢，氣輔擠出自問世以來備受相關(guān)領(lǐng)域研究者的關(guān)注，成為聚合物加工領(lǐng)域的研究熱點，研究者們開展了大量的研究工作，取得了豐碩研究成果。現(xiàn)有公開發(fā)表文獻表明，與傳統(tǒng)擠出相比，氣輔擠出能有效消除擠出脹大和翹曲或偏轉(zhuǎn)變形，減少黏性包圍和界面不穩(wěn)定等固有問題，還能明顯節(jié)能減耗，提高聚合物制品生產(chǎn)效率[6, 7]。
1 氣體輔助擠出成型機理
傳統(tǒng)擠出時，黏彈熔體在口模內(nèi)作剪切流動時，擠出脹大現(xiàn)象隨著法向應(yīng)力差和剪切速率的增大而增大，且剪切速率在熔體破裂前達到最大值[8]，而氣輔擠出是基于完全滑移非粘著擠出成型機理，由氣體輔助裝置將氣體以低速注入熔體與口模壁面之間，形成穩(wěn)定氣墊膜層，使熔體在口模內(nèi)的流動為完全滑移流動，從而使得口模內(nèi)熔體速度場趨于均勻一致，口模出口處的剪切速率趨于零值，熔體呈柱塞狀擠出，如 Fig. 1 所示。
2 氣體輔助擠出口模結(jié)構(gòu)
氣輔擠出口模結(jié)構(gòu)對形成穩(wěn)定的氣墊膜層至關(guān)重要，將氣體引入口模的方式主要有2種：一是多孔金屬管進氣法；二是縫隙進氣法。多孔金屬管進氣口模如 Fig.2 所示，圖中A段為進料段，B段為氣輔擠出段，其中B段包含1個孔徑0.5μm的粉末冶金套管，氣體能經(jīng)過多孔粉末冶金套管進入到口模壁面與熔體表面之間，形成穩(wěn)定的氣墊膜層。多孔金屬管進氣時，熔體容易將金屬管的微小進氣孔隙堵塞，且堵塞孔隙的熔體很難清理，影響后續(xù)氣墊膜層的有效形成。此外，多孔金屬管進氣口模內(nèi)氣體壓力在氣體入口與出口區(qū)域內(nèi)是相等的，而口模內(nèi)熔體內(nèi)應(yīng)力在氣體入口與出口區(qū)域內(nèi)是逐漸減小的，口模內(nèi)氣體壓力與熔體內(nèi)應(yīng)力的不平衡將影響擠出制品表面質(zhì)量，因此，此種進氣方法目前研究較少。
縫隙進氣法口模由上、下兩部分組成，上部分為傳統(tǒng)擠出段，下部分為氣輔擠出段，如 Fig.3 所示，上、下兩部分之間有δ=0.1mm的環(huán)形縫隙，下部分有一氣室，氣體先進入氣室再由環(huán)形縫隙進入口模，在口模壁面與熔體表面之間形成穩(wěn)定的氣墊膜層。縫隙進氣時，熔體不容易堵塞進氣縫隙，即使堵塞，也容易清理縫隙中的熔體，此外，氣體壓力與熔體內(nèi)應(yīng)力都是從氣輔擠出入口處到出口處逐漸減小的，兩者容易達到平衡，使得擠出物表面質(zhì)量良好，因此，目前氣輔擠出相關(guān)研究中大多使用縫隙進氣法。
3 圓形棒材氣輔擠出
1987年，Brzoskowski等[10]為減小橡膠擠出成型過程中口模內(nèi)橡膠熔體的流動阻力，首次將壓縮空氣作為輔助介質(zhì)引入橡膠擠出成型，他們采用多孔金屬管把壓縮空氣引入口模內(nèi)壁與橡膠熔體表面之間，形成穩(wěn)定的氣墊膜層。穩(wěn)定氣墊膜層的形成對熔體流動起到潤滑作用，大大減小了口模內(nèi)橡膠熔體的流動阻力，降低了口模壓降，減小了橡膠的擠出脹大率，同時能有效提高橡膠擠出生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨后，錢百年等[12]采用多孔金屬 管進氣法將壓縮空氣引入口模，對短纖維增強膠管擠出進行了數(shù)值模擬和實驗研究，結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)不僅能明顯降低機頭阻力，提高擠出產(chǎn)量，降低擠出膨脹程度，還能成功消除物料出口后產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。
2001年，Liang等[13]首次采用縫隙進氣法將氮氣引入高密度聚乙烯(HDPE) 圓形棒材和狹縫形片材的擠出成型，實驗研究結(jié)果表明，不論是圓形還是狹縫形口模，氣體輔助技術(shù)均能有效減小口模壓降和擠出脹大率，提高產(chǎn)品產(chǎn)量。為驗證口模內(nèi)氣墊膜層使熔體產(chǎn)生完全滑移流動的假設(shè)，他們將氣墊膜層簡化成完全滑移邊界條件，采用Polyflow軟件對圓形棒材和狹縫形片材進行了二維等溫數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬與實驗研究結(jié)果一致。此后，黃興元[11] 以過濾后的壓縮空氣為輔助介質(zhì)，采用縫隙進氣法對 HDPE圓形棒材氣輔擠出進行了系統(tǒng)的實驗和理論研究，研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)擠出相比，氣輔擠出基本可以消除擠出脹大行為，大幅降低口模壓降。肖建華[14]以HDPE，PP和ABS的圓形棒材氣輔擠出為對象，研究了氣輔擠出縮小現(xiàn)象及口模入口幾何構(gòu)型和滑移段長度(即氣輔段長度) 對氣輔擠出脹大的影響，研究結(jié)果表明，提高氣體溫度至熔體溫度，可在根本上消除半固態(tài)熔膜引起的擠出縮小現(xiàn)象，而適當(dāng)降低熔體擠出溫度和采用淋浴設(shè)施相結(jié)合的方法則可消除熔垂現(xiàn)象引起的擠出縮小問題；流線型口模比非流線型口模在擠出壓力、流動速度和應(yīng)力集中等方面均有明顯優(yōu)勢；延長滑移段長度可減小擠出脹大，獲得精確的外形尺寸，此外，還能降低擠出壓力，減小應(yīng)力集中，提高擠出制品表觀質(zhì)量。
4 異型材氣輔擠出
在圓形棒材成功實現(xiàn)氣輔擠出的研究基礎(chǔ)上，盧臣[15]基于Phan-Thien-Tanner (PTT) 本構(gòu)方程運用Polyflow軟件對T形異型材氣輔擠出實現(xiàn)了三維等溫數(shù)值模擬，并選用LDPE材料進行了實驗驗證，研究結(jié)果表明，對于T形異型材，氣體輔助技術(shù)仍能有效減小擠出脹大和口模壓降，說明氣輔擠出具有廣泛的適應(yīng)性，對于不同物性的材料和口模構(gòu)型均能成功實現(xiàn)氣輔擠出。李萍[16]對“工”形和鋼骨架塑料復(fù)合管氣輔擠出進行了數(shù)值模擬研究，周國發(fā)等[17]對馬鞍形異型材氣輔擠出進行了數(shù)值模擬研究， Ren 等[7, 18]對中空方形管材和 L 形管材氣輔擠出進行數(shù)值模擬研究，他們的研究結(jié)果一致表明，由于氣墊層的減黏降阻作用，異型材氣輔擠出過程中，各偏應(yīng)力分量、切剪速率、第一和第二法向應(yīng)力差及口模壓降均遠小于傳統(tǒng)擠出，故氣輔擠出能明顯消除異型材的擠出脹大和翹曲變形，還能起到節(jié)能減耗的作用，說明氣輔擠出不僅可實現(xiàn)異型材擠出制品尺寸的精確自動控制，還能有效解決異型材擠出口模難于設(shè)計的技術(shù)難題，這對氣輔擠出的推廣應(yīng)用具有重要意義。
尹洪娜等[19]基于PTT黏彈本構(gòu)方程運用Polyflow構(gòu)建了描述線纜包覆擠出流動的數(shù)值模型，對線纜包覆傳統(tǒng)擠出和氣輔擠出進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明，與棒材和各種截面形狀異型材的氣輔擠出不同，線纜包覆氣輔擠出不能消除傳統(tǒng)擠出過程中的擠出脹大，但氣輔技術(shù)仍然成功運用于線纜包覆擠出，且能有效降低口模壓降，減小能耗，還能有效降低口模出口處的剪切應(yīng)力，提高線纜包覆表面質(zhì)量。
5 氣體輔助共擠出成型
為解決聚合物傳統(tǒng)共擠產(chǎn)生的擠出脹大、黏性包圍和層間界面不穩(wěn)定等問題，推動共擠技術(shù)的進一步發(fā)展，南昌大學(xué)柳和生課題組在多年單層氣輔擠出數(shù)值模擬與實驗研究基礎(chǔ)上，將氣體輔助技術(shù)應(yīng)用于聚合物共擠成型，并進行了深入系統(tǒng)的研究。黃益賓[9]以30mm×20mm 矩形疊層共擠為對象，研制了氣輔共擠成型實驗系統(tǒng)，研究了矩形疊層氣輔共擠過程中，穩(wěn)定氣墊膜層形成條件和影響因素以及各工藝參數(shù)對擠出脹大、黏性包圍及界 面穩(wěn)定性的影響。鄧小珍[20]設(shè)計了L形截面異型材疊層和包覆氣輔共擠口模，基于PTT黏彈本構(gòu)模型建立了“氣－液－液”多相流L形異型材共擠成型機理模型，并對L形異型材疊層和包覆共擠成型進行了深入系統(tǒng)的理論和實驗研究。陳璐璐[21]對Y形截面異型材包覆 氣輔共擠進行了數(shù)值模擬和實驗研究。研究結(jié)果表明，氣輔共擠能有效減小甚至消除傳統(tǒng)共擠產(chǎn)生的擠出脹大和口模外的扭轉(zhuǎn)或偏轉(zhuǎn)變形，能改善黏性包圍和界面不穩(wěn)定現(xiàn)象，且與物料特性無關(guān)，即氣體輔助技術(shù)能較好適應(yīng)各種聚合物物料的共擠出成型；能有效降低口模壓降，在相同能耗下，氣輔共擠產(chǎn)量比傳統(tǒng)共擠大，產(chǎn)量的增幅與物料黏度有關(guān)，黏度越大增幅越大。
此外，鄧小珍等[22]還對曲線型異型材包覆氣輔共擠進行了三維數(shù)值研究，相對傳統(tǒng)共擠，氣輔共擠制品的擠出脹大、偏轉(zhuǎn)(扭轉(zhuǎn))變形現(xiàn)象以及口模內(nèi)熔體速度場、壓力場、剪切速率和應(yīng)力場等的分布均與芯殼熔體的物性無關(guān)，能實現(xiàn)制品截面與口模截面保持一致，即氣輔共擠能實現(xiàn)聚合物復(fù)合制品的精密自動成型。
6 氣體輔助微擠出成型
近年來，隨著微/納米科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)品逐漸向小型化、微型化、精密化方面發(fā)展，聚合物氣輔擠出成型研究也逐漸趨于微量化，目前，公開發(fā)表文獻關(guān)于氣輔微擠出的研究主要集中于塑料微管的擠出成型，旨在解決傳統(tǒng)塑料微管擠出過程中產(chǎn)生的離模膨脹、熔體破裂和擠出變形等固有問題。
黃楚曄[23]基于Bird-Carreau純黏本構(gòu)模型運用Polyflow 軟件對單腔微管氣輔擠出過程進行了有限元研究，并與傳統(tǒng)微管擠出進行了對比分析，任重等[24-26]設(shè)計了塑料單腔微管氣輔擠出口模，基于Bird-Carreau純黏本構(gòu)方程和PTT 黏彈本構(gòu)方程建立了“氣-液-氣”多相分層流動單腔微管氣輔擠出成型機理模型，并對單腔微管傳統(tǒng)擠出和氣輔擠出進行了系統(tǒng)深入的理論分析和實驗研究，研究結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)可不受擠出物料特性和各工藝參數(shù)的影響，有效消除口模內(nèi)壁、芯棒外壁及口模出口處塑料熔體的剪切應(yīng)力和第一法向應(yīng)力，從而克服傳統(tǒng)微管擠出中由剪切應(yīng)力和第一法向應(yīng)力引起的擠出脹大、熔體破裂和扭曲變形等缺陷，有效提高微管表面光潔度和透明度。Ren[27]對內(nèi)外半徑分別為1.5mm 和1.8mm的四腔微管氣輔擠出進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，氣輔擠出中熔體的徑向速度、口模壓降、剪切速率和第一法向應(yīng)力差趨于零值，而熔體軸向速度均勻一致，這有利于消除擠出脹大，實現(xiàn)四腔微管精密擠出成型。
李福成[28]研究了醫(yī)用雙腔和五腔導(dǎo)管擠出流動行為，研究結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)可使多腔導(dǎo)管擠出過程中的剪切變形速率和第二法向應(yīng)力差趨于零值，從而消除徑向二次流動，達到調(diào)控醫(yī)用多腔導(dǎo)管擠出脹大和橢圓度誤差的目的，實現(xiàn)多腔導(dǎo)管的精密擠出成型。陳思維[29]選用醫(yī)用級TPU為擠出材料，氮氣為輔助介質(zhì)，進行了直徑為1mm的細絲氣輔擠出實驗研究和CAE理論分析，研究結(jié)果表明，在適宜的工藝條件范圍內(nèi)，醫(yī)用級TPU細絲氣輔擠出能有效降低擠出口模內(nèi)的壓力降和第一法向應(yīng)力差，能有效消除細絲傳統(tǒng)擠出產(chǎn)生的擠出脹大，減小擠出過程的功耗，還能有效改善擠出物表觀質(zhì)量。周友明[30]研制了直徑1 mm的細絲氣輔擠出機頭和內(nèi)外直徑分別為1.4 mm和2.0mm的單腔微管擠出機頭，選用熱塑性彈性體TPE為擠出材料，氮氣為輔助介質(zhì)，進行了系統(tǒng)的實驗研究，結(jié)果表明，細絲擠出過程中，氣體輔助能有效減小擠出脹大率，對制品表面粗糙度也有較大的改善作用，但對制品拉伸強度沒有明顯改善；單腔微管擠出過程中，采用內(nèi)外雙層氣輔比采用內(nèi)層(單層)氣輔擠出效果要好，在合理的工藝條件下，采用內(nèi)外雙層氣輔擠出可實現(xiàn)TPE單腔微管的精密擠出成型。王嫘等[31, 32]在對縱向單通道和三通道矩形微管擠出研究中發(fā)現(xiàn)，引入氣體輔助技術(shù)可有效抑制矩形微管寬度方向的離模膨脹，同時減小中央通道的長寬比，使注氣壓差較大時的通道均勻性高于傳統(tǒng)擠出。
7 氣墊膜層研究
不論是單層擠出還是多層共擠，穩(wěn)定氣墊膜層的形成是成功實現(xiàn)氣輔擠出的關(guān)鍵，因此，研究氣輔擠出離不開對氣墊膜層的研究。實驗研究表明，氣體壓力、氣體溫度和氣墊層厚度對擠出成型過程和擠出物表面質(zhì)量均有較大影響，如Fig.4和Fig.5所示(熔體壓力為0.1 MPa，熔體溫度為190℃)，在其他工藝條件相同時，當(dāng)氣體壓力和溫度與熔體壓力和溫度接近時，較容易形成穩(wěn)定的氣墊膜層，此條件下擠出的產(chǎn)品表面質(zhì)量最佳，在其他氣體壓力和溫度范圍內(nèi)也能形成氣墊膜層，但所形成的氣墊膜層容易受外界因素影響而遭破壞，且擠出產(chǎn)品表面質(zhì)量欠佳。
理論研究方面，早期的研究在構(gòu)建描述氣輔擠出流動行為的機理模型時，均將口模壁面與熔體表面間的氣墊膜層簡化成完全滑移邊界條[13, 33]，這無法從理論上揭示氣墊膜層對聚合物擠出成型的影響機理。為從理論上分析氣墊膜層對擠出成型的影響，鄧小珍等[34, 35]將氣體簡化為廣義牛頓流體作為獨立流動層構(gòu)建了L形截面異型材“氣-液-液”共擠成型 三維黏彈機理模型，進行了較為全面的理論研究，并與將氣體層簡化為完全滑移邊界條件 的理論研究結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明，口模內(nèi)氣體入口設(shè)在兩熔體匯合后3~5mm處可有效解決復(fù)合制品界面結(jié)合處容易產(chǎn)生氣槽的問題；在形成穩(wěn)定氣墊膜層的氣壓范圍內(nèi)，較薄的氣墊層厚、較小的氣體壓力和較大的熔體流率有利于保證復(fù)合制品尺寸精度和產(chǎn)品質(zhì)量；將氣墊層作為獨立流動層和簡化為完全滑移邊界條件兩種不同情況，其速度、壓力、應(yīng)力和溫度等流場分布基本一致，但口模出口端面熔體邊界形貌略有不同，結(jié)合實驗驗證結(jié)果，將氣墊層作為獨立流動層適合于氣體工藝參數(shù)對擠出成型流場分布影響的研究，而研究氣體輔助技術(shù)對熔體邊界和層間界面形貌影響時，可將氣體層簡化成完全滑移邊界條件構(gòu)建機理模型。
任重等[36]基于氣體的可壓縮性，建立了方形截面型材“氣-液”兩相流模型，進行了非等溫黏彈有限元分析，結(jié)果表明，氣體壓力對聚合物熔體擠出具有較大影響，氣體壓力越大，熔體的速度、壓力、法向應(yīng)力差和形貌收縮程度等均顯著增大，因此，若為提高擠出產(chǎn)量，可適當(dāng)增大氣體壓力，但為保證產(chǎn)品形貌和尺寸精度，在成功實現(xiàn)氣輔擠出前提 下，應(yīng)盡量降低氣體壓力。劉同科等[37-39]建立了內(nèi)外雙層氣墊作用的“氣-液-氣”微管擠出機理模型，進行了有限元數(shù)值模擬和實驗研究，研究結(jié)果表明，在口模出口處，由于外氣墊層氣體進入大氣，瞬間減壓，此時微管內(nèi)層氣壓大于外層氣壓，因內(nèi)氣墊層氣體對微管的擠壓作用而產(chǎn)生的第一法向應(yīng)力差使得微管壁厚變薄，管徑增大，他們采用將內(nèi)氣墊 層壓力先由小調(diào)大，再由大調(diào)小的方法快速形成微管內(nèi)外雙層穩(wěn)定氣墊膜，繼而實現(xiàn)塑料微管尺寸的精確控制，羅成等[40]則采用在芯棒上開設(shè)排氣孔的方法來解決微管離開口模后產(chǎn)生壁厚變薄和管徑增大的問題。
江詩雨等[41, 42]運用理論和實驗方法研究了4 mm×15mm片材水平方向氣輔擠出過程中上下氣墊膜層厚度對成型的影響，研究結(jié)果表明，片材上下層氣墊膜采用不同的厚度(上層0.25 mm、下層0.75 mm)可改善口模出處口熔體容易下垂的現(xiàn)象，且當(dāng)氣體入口壓力為0.1 MPa時，擠出質(zhì)量最佳，片材扁平透明，此外，將氣墊層作為獨立流動層構(gòu)建的“氣-液”片材機理模型可很好的研究氣墊層各工藝參數(shù)對熔體流場分布情況和擠出物輪廓的影響規(guī)律。
8 結(jié)束語
聚合物氣輔擠出成型是21世紀初發(fā)展起來的一種新型加工方法，因其廣泛的適應(yīng)性、獨特的加工優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景，該技術(shù)受到聚合物加工領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外研究者對氣輔擠出開展了大量的研究工作，取得了豐碩的究成果，前期研究工作主要集中在宏觀尺寸的氣輔單層擠出和雙層共擠成型，近年來，隨著微納米科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣輔擠出研究工作也逐漸向微擠出方向發(fā)展，現(xiàn)階段的氣輔擠出研究工作主要聚焦于醫(yī)用微管的精密擠出成型及氣墊膜層對擠出成型的影響機理，研究內(nèi)容側(cè)重于氣體輔助技術(shù)對制品外觀形貌和表面質(zhì)量的影響，尚未涉及對制品微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能及光學(xué)性能的影響，這有望成為未來的研究趨勢。
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