氣輔擠出口模的研究現(xiàn)狀

(上饒師范學院 高分子材料輔助成型重點實驗室，江西 上饒 334001)

聚合物制品的主要成型手段之一是擠出成型，擠出制品已占世界總量的40%左右[1]。在過去擠出成型中因聚合物熔體本身固有特性，經(jīng)常出現(xiàn)如離模膨脹、鯊魚皮、熔體破裂、界面不穩(wěn)定等現(xiàn)象；這些現(xiàn)象制約了傳統(tǒng)擠出成型技術的發(fā)展。2001年Liang R F[2]等介紹了將氣體作為輔助工藝用于聚合物擠出成型中，并在隨后的理論及實驗當中都較好的解決了出現(xiàn)在傳統(tǒng)擠出中的現(xiàn)象。因此氣輔擠出成型技術具有良好的商業(yè)前景。

氣輔擠出成型技術主要基于傳統(tǒng)擠出機將傳統(tǒng)口模改良為氣輔口模，并通過有效的控制將高壓高溫氣體注入到口模中，形成一層介于口模內(nèi)壁與聚合物熔體之間的極薄氣墊層，實現(xiàn)粘著非滑移向非粘著滑移的轉(zhuǎn)變。因此，氣輔口模設計在整個氣輔擠出成型中起著關鍵作用，其設計的正確性對擠出制品的質(zhì)量、尺寸及形狀有顯著影響?，F(xiàn)階段氣輔擠出口模設計越來越引起相關業(yè)界人士的注意。

1 縫隙進氣法

1.1 氣輔單擠

Liang R F[2]最先公開通過縫隙進氣法設計出平板和圓棒氣輔擠出口模，隨后同門的Dawn R Arda[3]以Liang R F設計的氣輔擠出口模為基礎，研究引起聚合物熔體破裂的影響因素。圖1(a)、(b)正是當年Liang R F設計的氣輔擠出口模，高溫高壓氣體從口模的進氣口注入，氣流在口模的氣室進行緩沖，之后緩沖的氣體從粘著段和非粘著段之間的縫隙中進入熔體流道中，使非粘著段的聚合物熔體與內(nèi)壁之間產(chǎn)生了氣墊層，該口模有效解決了口模縫隙不易堵料，一旦堵料也便于清除，另外氣體與聚合物熔體之間的壓力差隨縫隙進氣口向出料口方向是逐漸減小，易于達到平衡狀態(tài)；但由于上述口模中并未對氣墊層形成前的熔體溫度和壓力進行測量，從而需要在不斷的摸索過程中去調(diào)試氣體的壓力和溫度。

(a)平板口模模型 (b)圓棒口模模型圖1 氣輔擠出口模模型

南昌大學黃興元[4-6]設計出了一套圓棒型的氣輔擠出口模如圖2，并深入研究了工藝參數(shù)、口模結構參數(shù)以及操作順序?qū)鈮|層的建立及其穩(wěn)定性的影響。其后同研究室肖建華[7-8]針對精密擠出成型對進料口位置及非粘著段長度展開了研究，研究得知當成型段L/D≥1且非粘著段為成型段長度1/2的氣輔擠出口模，離模脹大率與進料口幾何尺寸無關。在同研究室中，盧臣[9]對異型材的氣輔擠出成型進行了實驗和理論研究，并設計制造出了T型氣輔擠出口模。

圖2 圓棒型氣輔擠出口模

1.2 氣輔共擠

黃益賓[10-12]針對共擠成型設計出如圖3的矩形氣輔共擠口模，并提出了在氣輔共擠成型過程中工藝參數(shù)和口模的設計規(guī)則，實驗得知氣體與聚合物熔體間壓力差和溫度差分別控制在0.1MPa及10℃之內(nèi)便于得到穩(wěn)定的氣墊層；且口模中縫隙進氣厚度控制在0.1～0.2mm范圍，非粘著段長度設置為30～40mm較為合理。近兩年，同實驗室鄧小珍、何建濤等[13-15]針對異型材氣輔共擠進行了理論研究(如氣體壓力對成型界面的影響，壁面滑移對共擠制品的影響等)，并設計制造出了L型材氣輔共擠口模。

圖3 氣輔共擠口模實物

2 孔隙進氣法

1987年，R Brzoskowski等[16]最先建議借助氣體對擠出口模進行潤滑，以減低模壁阻力。他們是借助具有孔隙性質(zhì)的金屬嵌管將高壓氣體注入到口模內(nèi)壁形成氣墊層，口模示意圖如圖4所示。這種模具主要是用來生產(chǎn)圓柱形制品。擠出實驗證明了這種新型機頭能大大減小離模脹大。黃立[17]采取相同的辦法對環(huán)形和圓形口模進行了實驗研究，研究得知：氣墊層潤滑有效的減小了聚合物出料阻力，加大了擠出量，減小了離模膨脹。錢百年等[18]采取相同辦法研究出氣輔潤滑的短纖維剪切取向機頭，用于短纖維增強膠管擠出過程。2007年，黃曉燕等[19]利用孔隙進氣研制出了管材氣輔擠出口模，其模具結構圖如圖5所示。

圖4 多孔金屬管擠出口模

圖5 PPR管材氣體輔助擠出口模

1.機頭體2.分流錐3.分流錐支架4.加熱圈5.芯棒6.螺釘7.口模壓板8.口模9.氣室密封圈10.氣嘴11.聯(lián)結頭12.氣室外套管13.多孔嵌管14.拉桿15.螺母16.密封圈17.螺母18.調(diào)節(jié)螺釘19.氣嘴

3 總結

目前國內(nèi)外主要就是以縫隙進氣和孔隙進氣的形式實現(xiàn)氣輔擠出成型，雖然在理論和實驗中得到了一定程度的提高。但還存在許多不足之處，需進一步的研究探討。

(1)在縫隙進氣口模中，縫隙的大小、出氣的均勻度不能進行有效的控制。目前學者們用的最多的是通過加石棉橡膠密封圈來對縫隙大小進行控制，但縫隙到底多大尚不知曉，還有出氣的均勻度也不能被有效的檢測出以及縫隙的范圍是不是與制品尺寸有關聯(lián)等。這些因素都是未來在口模設計中需要進行考慮的。

(2)現(xiàn)階段，縫隙進氣口模大多運用在垂直出料的擠出成型中，在水平擠出成型中運用較少，尤其當擠出制品尺寸較大的情況，還需要考慮到氣輔段出料處上下的氣壓問題。

(3)在以管材為主的中空型材中，縫隙進氣口模還未涉入。口模的設計比以往就復雜得多了，它不僅要考慮到外部氣墊層形成的穩(wěn)定性問題，還需要考慮到內(nèi)部氣墊層形成的穩(wěn)定性因素。

(4)通過多孔介質(zhì)注入高壓氣體的氣輔擠出口模最大難題在于孔隙易堵料、很難清除，破壞氣墊膜層的形成，以至于這種口模只能用在粘度不高的聚合物熔體擠出過程中。另外這種口模的整個氣輔段的壓力是一致的，而熔體在該區(qū)域的壓力是逐漸減小的，這樣由于壓力的不平衡容易導致擠出物表面質(zhì)量降低，這些因素在未來的孔隙進氣口模的設計中是需主要考慮的因素。

(5)由于在管材擠出成型中，一旦通過縫隙進氣法去控制內(nèi)外部氣墊層的壓力問題勢必會帶來一定的難度，未來能否結合孔隙進氣法來解決該問題。

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