黃水華 ，劉彪 ，鄧小珍

(1. 方大特鋼科技股份有限公司 江西 南昌 330012 ；2. 南昌工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江西 南昌 330099)

0 引言

聚合物又稱加聚物, 是一種由聚合或加聚反應(yīng)而制成的物體，其分子單位有通常是重復(fù)的結(jié)構(gòu)單位。聚合物具有良好的抗形變的能力，其抗性變能力通常介于纖維和橡膠之間，一般由合成樹脂及填料、穩(wěn)定劑、增塑劑、潤滑劑、色料等添加劑組成。合成物的種類繁多，制品應(yīng)用十分廣泛。

擠出技術(shù)是聚合物的生產(chǎn)工藝中較為常用的一種的技術(shù)，擠出技術(shù)通常被應(yīng)用于熱塑性塑料和橡膠的加工，可進(jìn)行配料、造粒、膠料過濾等加工操作，可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，從而制造各種連續(xù)制品如管材、型材、板材、薄膜、電線電纜包覆、橡膠輪胎胎面、內(nèi)胎胎筒、密封條等，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)穩(wěn)定等特點。在生產(chǎn)過程中，擠出機(jī)可作為反應(yīng)器，連續(xù)完成聚合和成型加工[1]。

本文主要介紹聚合物氣輔共擠技術(shù)的優(yōu)勢和特點，以及不同因素對氣輔共擠成型的影響。

1 氣體輔助擠出成型技術(shù)機(jī)理

聚合物作為最為成功、使用最廣泛的化合物之一，具有多種多樣的特性，有的具有磁性、導(dǎo)電性，有的耐高低溫甚至耐輻射；有的具有良好的延展性、氣密性、透光性等。因其優(yōu)良的特性因而被廣泛用于醫(yī)療、日用品、建筑、塑料等方面。

在傳統(tǒng)的擠出成型流程中, 由于塑料熔體在模腔中具有復(fù)雜流動的特點，使得各個點的剪切速率不能夠達(dá)到完全一致，因此就造成了塑料熔體的各處應(yīng)力狀態(tài)不相同, 從而導(dǎo)致生產(chǎn)出來的制品通常存在較大的翹曲形變傾向。為應(yīng)對上述的情況，一種新型的聚合物擠出成型技術(shù)氣輔共擠技術(shù)應(yīng)運而生，并在以后得到了廣泛的研究和使用，即氣體輔助擠出成型技術(shù)。

氣體輔助擠出成型技術(shù)，簡稱氣輔擠出(gasassisted extrusion)， 氣輔擠出技術(shù)是由英國的RFLiang[2]等人于2000年首次提出并進(jìn)行了研究。該技術(shù)的創(chuàng)新之處就在于通過氣體輔助擠出控制系統(tǒng)和擠出口模，在擠出過程中, 使聚合物熔體和口模之間形成一層氣墊膜層, 從而將現(xiàn)有的非滑移黏著剪切口模擠出方式轉(zhuǎn)化為氣墊完全滑移非黏著剪切口模擠出方式，大致的氣體輔助成型機(jī)理如圖1 所示，該技術(shù)是一種有效的口模減黏降阻的技術(shù)手段，采用這種氣體輔助的擠出方式, 不僅可以使得口模壓降減低大約40%, 而且還可以大大的降低聚合物擠出產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形, 并且離模膨脹現(xiàn)象也基本上可以得到消除[3]。

圖1 氣體輔助擠出成型機(jī)理示意圖

研究表明，氣輔技術(shù)的特點可以彌補(bǔ)共擠出中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷，因此將氣輔技術(shù)應(yīng)用在共擠實踐當(dāng)中具有理論上的可行性。傳統(tǒng)的共擠出成型技術(shù)采用非滑移黏著剪切口模擠出機(jī)理，通常會有能耗大、口模壓降大、擠塑壓力高、制品內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形大、離模膨脹大、制品表面質(zhì)量低等缺點。輔助擠出技術(shù)的應(yīng)用能顯著改善傳統(tǒng)擠出中的缺陷, 其中氣輔共擠技術(shù)由于采用完全滑移非黏著剪切的方式, 相對于傳統(tǒng)的擠出技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢, 能有效解決擠出制品的離模膨脹、內(nèi)應(yīng)力及翹曲變形, 還能降低能耗等。綜上可知, 將氣輔擠出技術(shù)應(yīng)用于聚合物的共擠出, 必將有助于解決傳統(tǒng)共擠出中的問題, 還能提高制品的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。

2 氣輔擠出技術(shù)對共擠成型的影響

塑料的優(yōu)異性能使得其在建筑、家具、交通運輸、電器、航空、機(jī)械等等各大領(lǐng)域皆有廣泛應(yīng)用，但由于傳統(tǒng)共擠存在擠出脹大、界面不穩(wěn)定及熔體破裂、“鯊魚皮” 等現(xiàn)象，這些問題一直制約其發(fā)展。擠出物脹大現(xiàn)象即當(dāng)高聚物熔體從小孔、毛細(xì)管或狹縫中擠出時，擠出物在擠出?？诤蟪霈F(xiàn)膨脹從而使得其橫截面大于?？跈M截面的現(xiàn)象。

氣輔擠出技術(shù)作為一種新型擠出成型方法，是指在金屬口模內(nèi)壁和高分子熔體的界面之間注入低速流動的氣體，使熔體與模壁之間產(chǎn)生壁面滑移。該技術(shù)可以有效的改善傳統(tǒng)共擠過程中出現(xiàn)的擠出脹大現(xiàn)象，還能有效緩解黏性包圍現(xiàn)象。柳和生[4]等研究不同體積流率對氣輔包覆共擠脹大的影響。從流變學(xué)來講，松弛時間是表征聚合物彈性程度的一個重要性能參數(shù)，松弛時間越長，聚合物的彈性也越強(qiáng)。在擠出成型中，聚合物彈性的強(qiáng)弱是導(dǎo)致離模膨脹的主要原因。

實驗結(jié)果表明，在傳統(tǒng)的共擠過程中，當(dāng)芯層熔體松弛時間固定時，殼層、芯層及整體擠出脹大率會隨著殼層熔體松弛時間的變大而增大；而當(dāng)殼層熔體松弛時間固定時，整體脹大率隨芯層熔體松弛時間的變大略微增大，芯層脹大率隨其變大而增大，殼層隨其變大而減小。而氣包覆共擠過程中，整體、芯層及殼層三者的脹大率均保持為零。因此通過實驗可以證明，氣輔擠出技術(shù)能有效改善聚合物生產(chǎn)中的脹大問題。

為了研究了共擠口模中的流場和界面形狀以及異型材共擠出脹大現(xiàn)象，鄧小珍[5]等人以部分圓形和矩形截面組成的異型材為研究對象，采用有限元方法對兩種聚合物熔體分別進(jìn)行了三維非等溫黏彈數(shù)值模擬分析，實驗結(jié)果表明，傳統(tǒng)多層共擠時芯殼層熔體界面在口模入口和出口10 mm 內(nèi)不穩(wěn)定之后趨于穩(wěn)定，但芯層熔體在流道內(nèi)存在明顯收縮現(xiàn)象而在流道外則存在明顯膨脹現(xiàn)象；氣輔多層共擠時界面變化只發(fā)生在口模入口附近，10 mm 之后基本保持一致，流道外界面變化不明顯。

3 不同因素對氣輔共擠技術(shù)的影響

氣輔擠出工藝是一項復(fù)雜而繁瑣的工藝，諸多因素都能夠影響最后擠出物的狀態(tài)，包括氣壓、壁管厚度、界面位置等等，許多研究人員對不同因素對氣輔共擠技術(shù)帶來的影響進(jìn)行了研究。

在聚合物擠出成型過程中，由于熔體的高黏彈性以及在加工流場中壓力、剪切速率和應(yīng)力的作用，使得擠出熔體容易引發(fā)擠出膨脹、熔體破裂和扭曲變形等問題。研究表明，上述存在的擠出問題，除了與加工工藝和熔體物性參數(shù)有關(guān)之外，還與熔體與口模壁面的黏滑程度有直接關(guān)系。氣輔擠出技術(shù)是借助一定氣流的作用，在熔體與金屬口模內(nèi)壁之間形成穩(wěn)定的氣體層，可以在熔體與口模壁面之間形成滑移的擠出條件，使得熔體呈柱塞狀擠出而避免產(chǎn)生擠出品質(zhì)問題。

大量研究表明，氣輔擠出技術(shù)能很好的克服擠出脹大、熔體破裂和扭曲變形等問題。但是，2005年Arda[6]等研究表明在氣輔擠出中有鯊魚皮癥狀，其原因是在注氣點存在應(yīng)力集中。最近實驗研究也表明，氣體壓力等工藝參數(shù)會對熔體擠出的擠出物產(chǎn)生較大的影響。因此，任重[7]等人首先研究不同氣體壓力下對熔體擠出成型的影響；然后，為了更深入地研究和探明氣體壓力對熔體流動和最終成型所造成的影響及其中的機(jī)理，從氣輔擠出實際出發(fā)，建立氣體/ 熔體兩相流幾何模型，并結(jié)合實驗設(shè)置合理的參數(shù)和邊界條件，利用有限元分析方法對氣輔擠出進(jìn)行非等溫黏彈數(shù)值模擬，得到不同氣體壓力下熔體的形貌及流場分布變化情況。任的課題組進(jìn)行了氣體輔助聚合物擠出實驗，如圖2 所示，觀察不同氣壓下氣輔擠出實驗的結(jié)果。

圖2 不同氣體入口壓力下氣輔擠出實驗結(jié)果

從實驗結(jié)果可以得到氣體壓力對熔體擠出形貌具有顯著地影響。當(dāng)氣體壓力約為0.1 MPa 時，能建立穩(wěn)定的氣體層，且擠出熔體沒有發(fā)生脹大或收縮的現(xiàn)象; 而隨著氣體壓力的增大，熔體表面逐漸出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象; 當(dāng)氣體壓力繼續(xù)增大到一定值時，熔體不能穩(wěn)定擠出，甚至出現(xiàn)了被壓縮氣體沖破的現(xiàn)象。

從該實驗中可以得知，在實際氣輔擠出成型中，為了提高擠出產(chǎn)量，可以適當(dāng)加大氣體壓力，但是為了避免熔體產(chǎn)生形變，在保證氣體層穩(wěn)定的前提下，又應(yīng)該盡量降低氣體壓力。因此，在實際應(yīng)用中需要合理地設(shè)置好氣體壓力參數(shù)。

同時，任重[8]等人還發(fā)現(xiàn)，輔助氣體的氣體流量大小也會影響擠出形變。在通過有限元法數(shù)值分析后，他們發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)輔氣體流量的增大，塑料微管內(nèi)腔變得越來越大，導(dǎo)致了內(nèi)腔的吹脹現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)輔助氣體流量繼續(xù)增加時，數(shù)值計算不收斂，說明塑料微管內(nèi)腔發(fā)生了爆裂。而外輔氣體的氣體流量的增加則會導(dǎo)致塑料微管的擠出內(nèi)陷現(xiàn)象，并且隨著外輔助氣體流量的增加，塑料微管的擠出內(nèi)陷現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。因此在保證內(nèi)部氣體輔助層穩(wěn)定建立的前提下，輔助氣體的流量應(yīng)盡可能小，合理的輔助氣體流量是塑料微管氣輔擠出過程中非常重要的工藝參數(shù)。

經(jīng)過試驗他還發(fā)現(xiàn)，不僅僅是氣體的長度和流量大小，輔助氣體的寬度也會對塑料管氣體輔助擠出成型產(chǎn)生影響。為了探究倆者具體的研究關(guān)系，他們基于兩相流體模型建立了塑料管氣體輔助擠出成型的二維模型。在幾何模型中，使用了四種不同寬度的氣層。在設(shè)定了邊界條件和材料參數(shù)后，利用有限元軟件polyflow 對氣體層寬度對塑料管材擠壓成形的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。實驗中，分別將氣層寬度分別設(shè)置為0.125 mm、0.25 mm、0.5 mm 和1 mm。在相同的氣體入口壓力下，得到熔體與氣層入口界面的熔體流動速度，數(shù)值結(jié)果表明，隨著氣體層寬度的增加，熔體流動速度都增加[9]。氣體輔助擠出成型塑料管材的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量均容易受到較大寬度氣體層的影響。因此，研究結(jié)果表明合理的氣層寬度也是影響塑料管氣輔擠出成型的重要因素之一。

在塑料微管氣體輔助擠出過程中，熔體體積流量、熔體溫度、模具結(jié)構(gòu)、輔助氣體流量、溫度等因素均會影響擠出塑料微管的質(zhì)量。任重[10]認(rèn)為到目前為止，雖然有學(xué)者報道了一些關(guān)于氣體溫度對聚合物熔體氣體輔助擠出成型的影響的研究，但是尚未見關(guān)于氣體溫度對塑料微管氣體輔助擠出中熔體黏度和流動速度影響的研究報道。因此，任重利用有限元軟件Polyflow 進(jìn)行了相應(yīng)的模擬和數(shù)值分析，借此研究輔助氣體溫度對塑料微管氣體輔助擠出成型的影響。經(jīng)過研究得到了不同氣體溫度下熔體黏度、流速和壓力的變化，以此為數(shù)據(jù)依據(jù)研究了氣體溫度對塑料微管流動和成形情況的影響機(jī)理。實驗數(shù)值結(jié)果表明，隨著氣體溫度的升高，熔體在模槽徑向的黏度降低。然而，在模具通道的軸向上，不同氣體溫度下熔體的黏度變化不同。熔體的流動速度隨氣體溫度的升高而增大。因此，任重認(rèn)為在實際應(yīng)用中，輔助氣體的溫度應(yīng)與熔體溫度相匹配或高于熔體溫度，這樣可以改善熔體的流動行為，并且可以提高塑料微管氣體輔助擠出成型的穩(wěn)定性。

同時在氣輔共擠技術(shù)中，不僅氣體的壓力會影響最終的擠出成型物，研究表明輔助氣體的長度也會對此有所影響，WAN[11]等人經(jīng)研究表明，氣層的長度是影響氣輔技術(shù)的擠出效果的重要因素之一。為此，他們設(shè)計研究最佳氣體長度、氣體長度對聚合物熔體流動行為和擠出效果的影響。

雖然氣輔技術(shù)能很好的地克服擠出物熔體膨脹、熔體斷裂和擠出變形現(xiàn)象，但他認(rèn)為，氣體長度過短，擠出問題可能不會被消除。為了研究氣體長度對熔體擠出物膨脹率的影響，他們測試了從0 到20 mm 的不同氣體長度，得到了擠出物膨脹率，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著氣體長度的增加，擠出物膨脹率降低。在氣體長度低于5 mm 時，依舊有明顯的膨脹率，當(dāng)氣體大于5 mm 時，膨脹率明顯減小。然而，當(dāng)氣體長度約為15 mm 時，擠出物膨脹率幾乎等于零，當(dāng)氣體長度大于15 mm 時，擠出物膨脹率的變化不明顯，這表明15 mm 的氣體長度是最佳長度。

圖3 不同氣體長度下聚合物熔體的擠出脹大比

通過采用有限元計算方法對氣體長度對塑料制品擠出脹大的影響進(jìn)行了數(shù)值研究，可以證明，氣體長度也是影響擠出物膨脹率的因素之一，隨著氣體長度的增加，擠出物的膨脹率逐漸降低。這是因為當(dāng)熔體從模具中擠出時，熔體的流動速度變得均勻，氣體輔助模式大大降低了熔體的壓力和剪切應(yīng)力。

與傳統(tǒng)的宏觀擠出過程類似，微擠出的過程同時也是一個非常復(fù)雜的非牛頓流體三維流動過程。現(xiàn)有研究主要是針對壁面滑移、表面張力、微尺度效應(yīng)和牽引力等方面對微擠出成型的影響，對于微管壁面厚度對擠出成型的影響尚未見報道。肖兵[12]針對微擠出成型過程中管壁厚度對成型的影響，建立三維等溫微管擠出流動數(shù)值模型，并運用計算流體動力學(xué)（CFD）軟件進(jìn)行數(shù)值計算，主要研究微管壁厚對成型過程中擠出脹大、擠出物截面尺寸、熔體速度分布、剪切速率分布及口模內(nèi)熔體壓降的影響。

實驗分別觀察在不同管壁厚度的情況下的擠出膨脹率，實驗結(jié)果表明熔體的擠出脹大率會受到管壁厚度的影響，擠出脹大率隨著管壁厚度的增加而增大，但增長速度逐漸平緩。但是隨著管壁厚度的增加，熔體壓力降值顯著減小。通過實驗還可發(fā)現(xiàn)，口模出口端面上熔體的剪切速率隨著管壁厚度的值的增大而減小，且最大值分布在口模壁面處。剪切速率是引起擠出物“鯊魚皮” 和熔體破裂現(xiàn)象的主要因素，剪切速率值越大，擠出物出現(xiàn)產(chǎn)生“鯊魚皮” 和熔體破裂現(xiàn)象的可能性越大且越嚴(yán)重，故在相同人口體積流率條件下，擠出物表面“鯊魚皮” 現(xiàn)象將隨著管壁厚度的增大而得以改善。

由于單一成分及多層疊加成分的制品在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和力學(xué)性能往往不能滿足使用的要求，而包覆技術(shù)的使用可以使整個制品各個方面的性能均一，保護(hù)芯層的材料，因此需要研究多組分的包覆共擠技術(shù)來解決實際中的問題。但在聚合物包覆共擠過程中同樣存在諸多的問題，如包覆共擠出中的離模膨脹、黏性包圍和層間界面不穩(wěn)定等，這些都嚴(yán)重的制約了包覆共擠成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。周國發(fā)[13]等研究了熔體黏彈性對多層共擠成型擠出脹大的影響，鄧小珍等研究了熔體體積流率變化對擠出脹大率的影響，但均未深入研究熔體層厚變化對其擠出的影響。萬齊訪等以L形異型材為研究對象，運用有限元方法對倆種聚合物熔體進(jìn)行了三維等溫黏彈數(shù)值模擬，研究熔體層厚度的變化對包覆共擠的影響。

實驗結(jié)果表明在口模整體尺寸保持不變時，整體擠出脹大率不會受到芯層厚度變化的影響，殼層脹大率隨芯層厚度增大而增大，而芯層脹大率隨芯層厚度增大而減??；當(dāng)芯層厚度不變時，整體的擠出脹大率不受殼層厚度變化的影響，殼層脹大率隨殼層厚度增大而減小，芯層脹大率隨殼層厚度增大而增大。

目前，有關(guān)聚合物共擠成型技術(shù)的研究對于共擠成型過程中口模入口處兩熔體層間界面位置對離模膨脹、界面不穩(wěn)定等方面的研究較為少見。鄧小珍[14]以半圓形共擠口模為研究對象，基于有限元數(shù)值模擬方法，對兩種擁有不同特性的聚合物熔體進(jìn)行三維非等溫黏彈數(shù)值計算，借此分析研究在氣輔共擠成型的過程中，共擠口模入口處熔體層間界面位置和熔體入口流率變化對氣輔共擠出脹大率和界面位置的影響。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在氣輔共擠過程中，兩熔體離模膨脹率均會隨著自身流率的增大而增大，不過隨著另一熔體流率的增大，熔體自身的膨脹率反而會減小，如果兩熔體的流率相等，則熔體離模膨脹不會受流率的變化產(chǎn)生影響。同時當(dāng)兩熔體的流率相等時，層間界面位置不隨流率的變化而變化; 若兩熔體流率不相等，層間界面位置則會向流率低的一側(cè)偏移，但隨著兩熔體流率差的增大，其偏移幅度逐漸減小，趨于穩(wěn)定位置。

自氣輔擠出成型技術(shù)問世以來，氣輔擠出口模的設(shè)計及改進(jìn)越來越引起業(yè)界研究人員的重視。氣輔擠出口模的設(shè)計主要有孔隙進(jìn)氣法和縫隙進(jìn)氣法2種。氣輔擠出口模流道的合理設(shè)計是保證和提高氣輔擠出制品品質(zhì)的關(guān)鍵。在孔隙進(jìn)氣法和縫隙進(jìn)氣法之外，南昌大學(xué)的黃興元[15]等采用縫隙進(jìn)氣法設(shè)計了圓棒形和T形異型材氣輔擠出口模,并進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)能有效提高塑料棒材和異型材擠出制品的品質(zhì)。2011年,黃益賓[16]等采用縫隙進(jìn)氣法設(shè)計了矩形異型材氣輔共擠口模，用于塑料雙層(疊層)共擠成型。

但是結(jié)果表明，氣體輔助技術(shù)雖然能有效改善甚至消除傳統(tǒng)共擠成型過程中存在的離模膨脹、黏性包圍等內(nèi)在缺陷，但因口模結(jié)構(gòu)問題（即氣體入口位置為2種熔體匯合處），氣輔共擠出制品表面容易產(chǎn)生氣槽，當(dāng)氣體壓力增大時，甚至出現(xiàn)2種塑料熔體界面無法結(jié)合的現(xiàn)象，大大降低了制品的外觀品質(zhì)和力學(xué)性能。

鄧小珍[17]在此基礎(chǔ)上借鑒黃益賓等有關(guān)矩形截面異型材雙層氣輔共擠口模的設(shè)計經(jīng)驗，將口模內(nèi)熔體表面與口模壁面之間的氣墊層單獨作為一層，而不是簡化為完全滑移邊界條件，可分析氣體流動狀態(tài)對擠出制品的影響，結(jié)果有助于氣輔共擠口模的改進(jìn)設(shè)計。采用有限元法建立L形截面異型材三維非等溫黏彈氣－液－液共擠流動理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

如圖4所示，與黃益賓等的矩形截面氣輔共擠口模結(jié)構(gòu)相比，該改進(jìn)型根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，為避免氣輔共擠制品表面2種熔體界面結(jié)合處產(chǎn)生氣槽，在共擠過渡段的收斂流動區(qū)后增加了一段5 mm長的傳統(tǒng)共擠段。結(jié)果表明，2種熔體料間界面已黏合密實，可有效避免氣輔共擠出制品的表面產(chǎn)生氣槽。不同工況條件下，改進(jìn)設(shè)計后的L形截面雙層共擠口模能避免制品表面產(chǎn)生氣槽。

圖4 L型截面雙層氣輔共擠流道的幾何結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

氣輔共擠技術(shù)相比較傳統(tǒng)共擠技術(shù)有著很多優(yōu)勢，氣體輔助擠出技術(shù)的應(yīng)用能顯著改善傳統(tǒng)擠出中的缺陷,能有效解決擠出制品的離模膨脹、內(nèi)應(yīng)力及翹曲變形,還能降低能耗等。綜上可知,將氣輔擠出技術(shù)應(yīng)用于聚合物的共擠出,必將有助于解決傳統(tǒng)共擠出中的問題,還能提高制品的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。

同時，適當(dāng)?shù)臍怏w壓力、氣體長度、管壁厚度、模型改進(jìn)等因素的改進(jìn)和控制，都有助于成型物的品質(zhì)提高，減少擠出膨脹等問題。經(jīng)過一定的實驗以確定最為合適的氣體壓力、長度、寬度等設(shè)置，可以更好的契合氣輔共擠的流程，從而改善擠出物的成型，否則甚至可能會加劇擠出物的變形。