微通道環(huán)形排列結構塑料管道的成型工藝研究

徐浙云，許皓彥，許忠斌,3*

(1.浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學控制科學與工程學院，浙江 杭州 310027；3.浙江申達機器制造股份有限公司，浙江 杭州 310018)

加工與應用

微通道環(huán)形排列結構塑料管道的成型工藝研究

徐浙云1，許皓彥2，許忠斌1,3*

(1.浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學控制科學與工程學院，浙江 杭州 310027；3.浙江申達機器制造股份有限公司，浙江 杭州 310018)

基于自主研發(fā)的塑料微結構制品擠出加工平臺，首次提出了由聚氨酯彈性體制成的壁面內有序排列有24個微米級的長直中空微通道的塑料管道；研究了環(huán)形微通道結構管道的成型過程中牽引比、注氣壓力和空氣段長度等工藝參數(shù)對制品成型質量的影響規(guī)律(注氣壓力：0.21～0.36 kPa，空氣段長度：35～110 mm，牽引比：2.4～14.1)。結果表明，調控牽引比和空氣段長度可以顯著改善離模膨脹，影響微通道制品的整體尺寸，且與整體尺寸變化成負相關，但不影響截面形狀；而通過調節(jié)注氣壓力則可以明顯改變截面的形狀比例，抵消離模膨脹作用，影響微通道形狀，但不影響整體尺寸。

微通道；塑料管道；擠出成型；注氣壓力；牽引比；空氣段長度

0 前言

高分子聚合物制品加工成型方法的創(chuàng)新對塑料加工工業(yè)的發(fā)展推動與引導會產(chǎn)生可觀的影響。時至今日，研究人員一直在對現(xiàn)有聚合物進行成型方式的創(chuàng)新，力圖獲得特殊結構的新產(chǎn)品，或者提高原有工藝生產(chǎn)水平以及提高制品的最終性能。這些成型方法的創(chuàng)新推進使聚合物制品能夠在新的應用領域內得到快速的發(fā)展。

圖2 微通道結構塑料管道成型加工平臺Fig.2 Extrusion equipment for processing micro channel tubes

微通道結構塑料制品是一種包含中空微通道和塑料薄層的復合結構，薄層內平行或環(huán)形緊密排列數(shù)條至數(shù)十條連續(xù)的直徑為微米級的長直通道。這種結構材料具有多個微尺度通道，比表面積大且易后續(xù)加工處理，因此受到了研究人員的廣泛關注。代表性產(chǎn)品如微通道塑料薄膜(Micro Capillary Film，MCF)最早由英國劍橋大學化工系Hallmark和Mackley等人在2004年提出，并進行了一系列創(chuàng)新性的應用研究[1-2]。Hornung等[3-4]測量了基于MCF制作的換熱器的換熱性能，發(fā)現(xiàn)19孔聚乙烯微通道塑料薄膜(200 μm平均水力直徑)的傳熱系數(shù)能夠達到35MW/m3·K；利用該材料優(yōu)異的傳熱性能，Dorfling等[5]制作了簡易式太陽能熱能收集裝置；利用MCF內表面積大的特點，Hornung等[6]還將MCF盤繞并加熱固化成圓盤，制作了一個用于有機合成實驗的簡易微型反應器。此外，Hallmark等[1]利用MCF作為微蠕動泵的配套管路，實現(xiàn)多通道不同介質的并行輸送，使得微結構塑料制品在微流控芯片、MEMS等微流體領域應用成為可能。綜上所述，微通道結構塑料制品的加工技術與應用是一個有著巨大潛力的前沿研究課題，制品獨特的結構特點和性能，提供了在廣泛的加工領域創(chuàng)新發(fā)展的可能性。在過去研究人員的經(jīng)驗和基礎上，本課題組自主研發(fā)設計了國內首套微通道結構制品擠出加工成型平臺，利用聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸和熱塑性聚氨酯等一系列熱塑性塑料成功制備了微通道塑料薄膜制品，2014年提出以線形低密度聚乙烯為原料制成的微通道結構塑料微管(Micro Capillary Tube，MCT)制品[7]，為傳統(tǒng)塑料管道與MCF的復合結構。制品實物外觀和橫截面顯微鏡圖如1所示。相較于國外提出的MCF，MCT的結構有以下特點：微通道排列呈中心對稱的方式，在生產(chǎn)過程中將邊界效應對勻化分布，避免了由于邊界效應引起的不同位置的微通道尺寸差異[1]；MCT包含了大尺寸中央通孔，相當于同時結合了不同數(shù)量級尺寸的通道，有利于后續(xù)應用拓展；MCT管壁的微通道層數(shù)可通過模具更換進行簡單調節(jié)。在此基礎上，考慮到化學檢測、生物醫(yī)學和微流控等行業(yè)的材料特殊需求，本文進一步采用了醫(yī)用級的熱塑性聚氨酯彈性體進行成型加工，相較于傳統(tǒng)材料如聚乙烯和聚丙烯等，聚氨酯彈性體在離模過程中會發(fā)生嚴重的高彈膨脹行為，大大影響長直中空微通道的成型。因此，重點考察并研究成型過程中工藝參數(shù)對彈性體聚氨酯MCT成型質量的影響規(guī)律，最終穩(wěn)定并可控地獲得理想制品。

圖1 MCT實物及橫截面光學顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Image of MCT and cross section of MCT

1 實驗內容

微通道結構塑料制品的擠出加工平臺及流程如圖2所示，加工裝置主要包括：驅動電機、擠出機、特制的擠出機頭口模、注射流體源(配合壓力調節(jié)系統(tǒng))、數(shù)據(jù)采集反饋控制系統(tǒng)、冷卻水槽和牽引收卷裝置等[8]。壓力調節(jié)輔助裝置由一個約20 L的氣體緩沖罐、一個醫(yī)用注射器、一個傳統(tǒng)水壓測量計和一些硅膠軟管組成，連接方式原理如圖2(b)所示。氣體供應裝置操作方法簡單，使用醫(yī)用注射器向氣體緩存罐注入或抽出氣體方便地調節(jié)氣體緩存罐內的氣體壓力。通過讀取水壓測量計內水的液面與燒杯內液面的高度差(h)，計算出緩存罐內的壓力，精度能夠到達1 mmH2O(1 mmH2O≈9.8 Pa)。氣體供應裝置能夠穩(wěn)定提供壓力在-300～300 mmH2O之間的注射氣體。由于微通道尺寸小，成型過程中的氣體消耗量很小，而氣體緩存罐的容積相對比較大，大大減弱改變氣壓時壓力脈沖對擠出產(chǎn)品的影響，因此注射氣體壓力在每組實驗中能夠保持穩(wěn)定，滿足實驗需求。

實驗操作基本流程如下：電機啟動驅動擠出機內螺桿旋轉，由料斗加入的原料在螺桿旋轉和電加熱的雙重作用下融化形成聚合物熔體，并被螺桿作用逐漸穩(wěn)定輸送至機頭；加熱圈及其控制系統(tǒng)用于控制機筒和機頭的溫度；外界流體通過壓力調節(jié)輔助系統(tǒng)的調配，經(jīng)過特制的口模被夾帶進入剛離開機頭的熔融塑料薄層內；緊接著塑料熔體在牽引機作用下拉伸變形，在冷卻水槽內快速冷卻形成穩(wěn)定不變的微通道結構塑料制品。MCT的擠出初始階段如圖3所示。

圖3 MCT擠出初始過程及各加工參數(shù)定義Fig.3 Initial stage of extrusion of MCT and definitions of processing parameters

圖中展現(xiàn)了各加工工藝參數(shù)的尺寸定義，注氣壓力Pin來自于口模內部(口模內部與外界壓力調節(jié)輔助系統(tǒng)相連)；v1指熔融物料離開口模端時沿擠出方向的速度；v2指產(chǎn)品擠出線末端牽引裝置旋轉拉伸沿擠出方向的速度；L指熔融物從口模端出口至冷卻液面的直線距離。

2 結果與分析

實驗采用了熱塑性聚氨酯彈性體為原料(Tecoflex EG85A, Lubrizol)，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定的成型溫度條件下，其他相關的參數(shù)如v1、v2、L以及Pin都會大大影響最終產(chǎn)品的尺寸和成型質量。因此本文重點研究了牽引比λ(定義牽引速率與擠出速率之比，λ=v2/v1)、L以及Pin等工藝參數(shù)對微通道塑料結構制品最終質量的影響，產(chǎn)品截面主要尺寸定義如圖4所示，主要尺寸參數(shù)包括中央孔徑(Dc)、管道外徑(Do)以及微通道直徑(d)。

圖4 MCT截面尺寸定義Fig.4 Size definitions of cross section of MCT

2.1 注氣壓力Pin對管材微通道結構的影響

實驗利用如圖2所示的自制實驗平臺，進行了MCT的加工。待穩(wěn)定擠出后，對制品進行取樣，并利用光學顯微鏡對實驗樣品截面進行觀察測量，處理實驗結果如圖5所示。

圖5 MCT的dmean與Pin的關系Fig.5 Relationship between dmean of MCT and Pin

實驗中通過調節(jié)螺桿轉速和牽引裝置收卷速率，將牽引比固定在8左右；同時控制空氣段長度在60 mm固定不變，并通過圖2(c)中的壓力調節(jié)器進行氣體的增減。發(fā)現(xiàn)隨著Pin從0.21 kPa逐漸升至0.36 kPa， MCT整體微通道的直徑都普遍逐漸增大，這是因為熔融狀態(tài)下的聚合物微通道容易受內部Pin的影響而相應變形，顯著抵消離模膨脹引起的微通道縮小，并最終影響通道尺寸。同時可由圖5中MCT實物發(fā)現(xiàn)，Pin的增大對制品外部的整體尺寸影響不大，而主要改變了在內部壁面受壓區(qū)域的形狀，大大改變了微孔的尺寸，從而影響了整體的孔隙度。Pin對聚烯烴的微通道薄膜尺寸的影響規(guī)律在課題組前期研究中已得到科學分析[8]。在相同Pin=0.2 kPa時，聚烯烴的微孔平均水力直徑接近100 μm，而聚氨酯MCT擠出成型中發(fā)現(xiàn)微孔平均水力直徑dmean只有60 μm左右，這說明了擠出過程中聚氨酯彈性體的瞬間高度彈性恢復會影響微孔的成型，從而需要更大的Pin來抵消這部分作用。將Pin與聚氨酯MCT的dmean進行擬合發(fā)現(xiàn)，兩者高度符合二次函數(shù)關系：

(1)

該擬合公式的R-square高達0.99861，說明該擬合關系基本符合數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可用于該特定實驗條件下(λ為8，L為60 mm)的聚氨酯彈性體MCT成型擠出參考。

2.2L對管材微通道結構的影響

實驗設定λ≈3，Pin=0.25 kPa，通過調節(jié)h控制L，研究其與最終成型產(chǎn)品的尺寸關系。

●—Dc/Do ●—d/Dc(a)空氣段長度與截面尺寸的關系 (b)空氣段長度與截面各尺寸比例的關系圖6 L對MCT截面的影響Fig.6 Effects of L on sizes of cross section of MCT

由圖6(a)可看出隨著L的增大，MCT截面各尺寸參數(shù)相應減小；但是減小的速度隨著L的增大而減緩，由圖中可看出L在80～110 mm的范圍內，各尺寸參數(shù)已基本保持不變，說明L對MCT產(chǎn)品尺寸的影響具有一定的限定性，隨著L的增大，這種影響逐漸衰弱。圖6(b)還展示了截面各尺寸之間的比值與L的關系，發(fā)現(xiàn)截面各尺寸參數(shù)之間的比值不隨著L的變化而變化，始終保持在恒定值附近，微孔直徑與中央孔徑的比值(d/Dc)的平均值為0.095，而中央孔徑與外徑的比值(Dc/Do)的平均值為0.62，說明L并不會改變截面的形狀分布，只是同比例的改變整個MCT截面的大小。

2.3λ對管材微通道結構的影響

與研究L的方法類似，同樣地利用同樣的自制加工平臺，以熱塑性聚氨酯彈性體為原料，進行MCT的擠出成型。實驗將Pin維持在0.25 kPa，而將L固定在50 mm，擠出機螺桿轉速固定在15 r/min，通過調節(jié)牽引機轉輪的快慢，改變牽引速度大小，研究牽引比與最終成型MCT之間的關系。

1—Do 2—Dc 3—d 4—d/Dc 5—Dc/Do(a)λ與截面尺寸關系 (b)λ與截面各尺寸比例的關系 (c)截面尺寸隨λ變化情況圖7 λ對截面尺寸的影響Fig.7 Effects of λ on sizes of cross section of MCT

由圖7(a)可知，MCT截面各尺寸參數(shù)，包括Dc、Do和d，都隨著λ的增大而減??；在λ=2.4時，d=(273.3±53) μm，Dc=(3164±202) μm，Do=(5155.2±80) μm；當λ=14.1時，d=(112.3±15) μm，Dc=(1392.5±50) μm，Do=(3190.6±112) μm。與L引起的變化類似，這些截面尺寸減小的幅度隨著λ的增大而逐漸放緩。同樣地，圖7(b)揭示了λ的變化并不會影響截面各尺寸參數(shù)之間的比例關系，說明λ與L類似，也是起了改變整體尺寸大小的作用，而不改變截面的形狀分布。觀察具體比值，發(fā)現(xiàn)d/Dc=0.086，而Dc/Do=0.62，數(shù)值與空氣段長度L實驗的結果基本一致。這是由于熔融狀態(tài)下的MCT擠出后一旦接觸并進入冷卻液，即可認為基本被定型，截面尺寸后續(xù)幾乎不再改變(不考慮冷拉伸)。而L主要控制了熔融MCT進入冷卻液的快慢，λ則主要決定了L范圍內的熔融物拉伸狀態(tài)。因此，從結果上來看，改變L和改變λ的效果是相同的，增大或減小L則相當于相應地增大或較小了λ。在常規(guī)材料如聚乙烯等的拉伸過程中，當λ>1時，擠出膨脹的現(xiàn)象就可以被明顯地削弱[7]；而熱塑性聚氨酯彈性體作為原料具有明顯的彈性響應，瞬間彈性回復通常較大。實驗發(fā)現(xiàn)λ>2以后，擠出膨脹的行為才開始被削弱，直至基本觀察不到出口處熔融物料的明顯脹大行為。

假設口模出口處材料的流動截面積為S1，材料密度為ρ1，被拉伸拉卻定型后的材料有效橫截面積(實體部分)為S2，密度為ρ2，則根據(jù)質量連續(xù)性定理有以下等式：

(2)

(3)

可知S1由模具設計所定，為固定值；擠出工藝中材料熔融狀態(tài)下的ρ1及冷卻后的ρ2基本由材料自身特性決定，也可看做固定值；則可以發(fā)現(xiàn)冷卻后最終的S2基本由λ所決定，且與λ成反比的關系，驗證了圖7所顯示的變化規(guī)律。

微通道結構塑料制品的特殊結構與其應用密切相關，研究各工藝參數(shù)對微結構的成型影響規(guī)律，為這一新型塑料制品的加工制作及后期應用打下基礎。微通道結構塑料制品擁有廣闊的應用前景：如在不同微通道內按編碼形式注入防偽油墨等液體可應用于防偽包裝；還可以利用多通道的特性實現(xiàn)在醫(yī)用導管領域的應用，如醫(yī)用介入導管，實現(xiàn)多種藥物、顯影劑等的同時輸送，動態(tài)調節(jié)各種藥物的配比；此外還由于微通道尺寸可調控至與小血管、毛細血管接近，利用生物相容性材料制成的制品還能夠模擬血管實驗、細胞培養(yǎng)等生物醫(yī)學實驗；微通道還類似植物篩管、海豚皮結構，可利用該特性可進行仿生應用。

3 結論

(1)注射氣體壓力對微通道結構塑料制品的整體尺寸影響不大，但對截面各尺寸的相對比例分布影響較大，改變注氣壓力會明顯改變微通道結構制品的截面形狀；保持一定的注氣壓力可以有效避免因為擠出膨脹所引起的微通道閉合；擠出成型的聚氨酯彈性體MCT的微通道尺寸與注氣壓力兩者在一定范圍內高度符合二次函數(shù)關系，實際加工過程中可參考設置；

(2)微通道結構制品的橫截面尺寸與牽引比成明顯的負相關，但是與改變注氣壓力相反，改變牽引比并不影響截面各尺寸的相對比例分布，只改變整體大?。徊捎幂^大的牽引比可以明顯地減弱聚氨酯彈性體的離模膨脹行為；

(3)空氣段長度對MCT截面各尺寸參數(shù)的影響規(guī)律與牽引比相似，尺寸變化與空氣段長度的變化呈負相關，且尺寸減小的速度隨長度增大而減小。

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陶氏創(chuàng)新解決方案助力軟包裝行業(yè)發(fā)展

電商是近年來中國風頭最勁的產(chǎn)業(yè)，國人被其改變的不僅僅是購物方式，更有許多對產(chǎn)品的訴求乃至生活方式受到顯著影響。而電商的蓬勃發(fā)展，對各個領域的商業(yè)模式和運作流程都產(chǎn)生了深遠影響。任何一個行業(yè)，如果不研究和順應電商發(fā)展的特點、趨勢，都將無法應對迫在眉睫的未來，對軟包裝行業(yè)來說也是如此。

在傳統(tǒng)線下銷售過程中，包裝除了承擔保護商品的功能，還有傳達產(chǎn)品信息、激起消費者購買欲望的作用。商品的屬性、成分、生產(chǎn)日期、保質期等信息都會被印制在包裝上，呈現(xiàn)和傳遞給消費者。而消費者在購買之前，最先看到的就是包裝，所以包裝被稱為“沉默的推銷員”、“最好的廣告”。但現(xiàn)在，電商的崛起對包裝行業(yè)的傳統(tǒng)商業(yè)模式產(chǎn)生了巨大沖擊：第一，包裝的推銷功能被逐步淡化；第二，包裝的成本需要被不斷降低；第三，包裝的保護功能要求更高。

對軟包裝來說，電商包裝的這些全新訴求，既是挑戰(zhàn)更是拓展市場的重大機遇。首先，相對硬質包裝，軟包裝在成本控制上有天然優(yōu)勢。一方面，軟包裝本身的生產(chǎn)包裝成本總體而言比傳統(tǒng)硬質包裝更低，在降低電商的包裝運輸成本方面有天然優(yōu)勢。另一方面，軟包裝因材質特點，可折疊、擠壓、改變形狀，更方便運輸，在同一個規(guī)格的包裝箱里，軟包裝的商品也可以疊放更多、物流空間更節(jié)省；同時，包裝材質相對而言重量更輕，能夠更有效降低物流運輸過程中的燃油成本和碳排放，為商家進一步節(jié)省物流成本。

陶氏INNATETM精密包裝樹脂實現(xiàn)剛性與韌性的完美平衡，提供前所未有的包裝性能

INNATETM樹脂源于突破性的專利分子催化劑技術以及先進的聚合工藝技術，對樹脂化學合成過程進行精確一致的控制，所以具備前所未有的性能水平和薄膜特性，實現(xiàn)了包裝挺度與韌性的完美平衡，其共擠薄膜的耐損性是市場上普通聚乙烯樹脂測試標準的2倍，并因其出色包裝性能和多樣化應用適應性榮獲了2016榮格技術創(chuàng)新獎，在業(yè)內被譽為“全新明星級高性能樹脂”。使用陶氏INNATETM包裝樹脂的首層軟包裝，包裝更結實也更耐用，在落錘沖擊、抗針孔、抗刺穿、防撕裂等性能考驗方面表現(xiàn)優(yōu)異。

INNATETM樹脂技術作為一種高性能、多用途的創(chuàng)新型軟包裝產(chǎn)品，能夠在多種薄膜應用場合展現(xiàn)出色的剛性、韌性和加工性，進而為電商物流運輸提供有力的包裝支持。

陶氏AFFINITYTM聚烯烴塑性體樹脂在提供優(yōu)異的熱封性能的同時，帶來很好的力學性能以及加工性能

陶氏AFFINITYTM聚烯烴塑性體樹脂(AFFINITYTMPOPs)使用了陶氏化學專利的INSITETM技術，使聚乙烯樹脂擁有較窄的分子量分布和第二單體分布，這些材料結構特點，給由此制成的薄膜帶來很好的熱封性、力學性能以及光學性能。

通過使用AFFINITYTMPOPs樹脂，可大幅提高包裝的熱封性能，包括更低的熱封溫度、更寬的熱封窗口、熱黏強度和優(yōu)異的抗污染熱封性能。這些特性在實際包裝時能帶來的價值包括更快的包裝速度，降低包裝外表在熱封時受熱過度而產(chǎn)生的收縮，提高包裝的封口完整性。

對于電商而言，陶氏AFFINITYTM聚烯烴塑性體樹脂所具有的優(yōu)異熱封性能，能確保首層包裝的封口足夠牢固，不易在長途運輸?shù)膲毫ο鲁霈F(xiàn)包裝封口裂開、材質被刺穿等導致的內容物泄漏問題。這對電商以及希望在電商渠道大展拳腳的品牌商來說，都不啻是個大好消息。

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相信陶氏的這些革命性產(chǎn)品和解決方案，會為食品、日用品等類別的電商提供更好的包裝技術選擇，更為整個包裝行業(yè)帶來耳目一新的變革。

Study on Forming Process of Plastic Tubes with Ring-like Micro Capillaries

XU Zheyun1, XU Haoyan2, XU Zhongbin1,3*

(1.College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2.College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 3.Zhejiang Sound Machinery Manufacture Co, Ltd, Hangzhou 310018, China)

Based on a homemade extrusion platform designed for the fabrication of thermoplastic parts with micro capillaries, a novel plastic micro tube with 24 capillaries was first proposed all over the world (Micro Capillary Tube, MCT). These 24 capillaries are orderly located in the circular wall of a tube with a larger hollow channel. The effects of three processing parameters, i.e. injection air pressure, draw ratio and air gap distance, on the quality of the parts were investigated in the extrusion process with conditions of injection air pressures: 0.21～0.36 kPa, air gap distance: 35～110 mm and draw ratio: 2.4～14.1. The results indicated that larger draw ratio could result in a smaller outer and capillary diameter, and there was a negative correlation between the sizes of MCT and draw ratio. However, the draw ratio did not show any influence on the dimensional proportions of cross section of MCT, and a similar trend could be observed in the air gap distance. In contrast, the injection air gap severely damaged the dimensional proportions and changed the shape and size of micro capillary, but it did not change the external size.

micro capillary; plastic tube; extrusion; injection air pressure; draw ratio; air gap distance

2016-10-28

國家基金資助(51373153)

TQ323.6

B

1001-9278(2017)04-0057-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.011

*聯(lián)系人，xuzhongbin@zju.edu.cn