(上饒師范學(xué)院 高分子材料輔助成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)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(shí)驗(yàn)當(dāng)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(shù)具有良好的商業(yè)前景。

氣輔擠出成型技術(shù)主要基于傳統(tǒng)擠出機(jī)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(shí)現(xiàn)粘著非滑移向非粘著滑移的轉(zhuǎn)變。因此，氣輔口模設(shè)計(jì)在整個(gè)氣輔擠出成型中起著關(guān)鍵作用，其設(shè)計(jì)的正確性對(duì)擠出制品的質(zhì)量、尺寸及形狀有顯著影響。現(xiàn)階段氣輔擠出口模設(shè)計(jì)越來越引起相關(guān)業(yè)界人士的注意。

1 縫隙進(jìn)氣法

1.1 氣輔單擠

Liang R F[2]最先公開通過縫隙進(jìn)氣法設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的氣輔擠出口模為基礎(chǔ)，研究引起聚合物熔體破裂的影響因素。圖1(a)、(b)正是當(dāng)年Liang R F設(shè)計(jì)的氣輔擠出口模，高溫高壓氣體從口模的進(jìn)氣口注入，氣流在口模的氣室進(jìn)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(jìn)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?？p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(jìn)氣口向出料口方向是逐漸減小，易于達(dá)到平衡狀態(tài)；但由于上述口模中并未對(duì)氣墊層形成前的熔體溫度和壓力進(jìn)行測(cè)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(xué)黃興元[4-6]設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(duì)精密擠出成型對(duì)進(jìn)料口位置及非粘著段長度展開了研究，研究得知當(dāng)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(jìn)料口幾何尺寸無關(guān)。在同研究室中，盧臣[9]對(duì)異型材的氣輔擠出成型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并設(shè)計(jì)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(duì)共擠成型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則，實(shí)驗(yàn)得知?dú)怏w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(jìn)氣厚度控制在0.1～0.2mm范圍，非粘著段長度設(shè)置為30～40mm較為合理。近兩年，同實(shí)驗(yàn)室鄧小珍、何建濤等[13-15]針對(duì)異型材氣輔共擠進(jìn)行了理論研究(如氣體壓力對(duì)成型界面的影響，壁面滑移對(duì)共擠制品的影響等)，并設(shè)計(jì)制造出了L型材氣輔共擠口模。

圖3 氣輔共擠口模實(shí)物

2 孔隙進(jìn)氣法

1987年，R Brzoskowski等[16]最先建議借助氣體對(duì)擠出口模進(jìn)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(shí)驗(yàn)證明了這種新型機(jī)頭能大大減小離模脹大。黃立[17]采取相同的辦法對(duì)環(huán)形和圓形口模進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jī)頭，用于短纖維增強(qiáng)膠管擠出過程。2007年，黃曉燕等[19]利用孔隙進(jìn)氣研制出了管材氣輔擠出口模，其模具結(jié)構(gòu)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(jī)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(jié)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(jié)

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

(1)在縫隙進(jìn)氣口模中，縫隙的大小、出氣的均勻度不能進(jìn)行有效的控制。目前學(xué)者們用的最多的是通過加石棉橡膠密封圈來對(duì)縫隙大小進(jìn)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(cè)出以及縫隙的范圍是不是與制品尺寸有關(guān)聯(lián)等。這些因素都是未來在口模設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行考慮的。

(2)現(xiàn)階段，縫隙進(jìn)氣口模大多運(yùn)用在垂直出料的擠出成型中，在水平擠出成型中運(yùn)用較少，尤其當(dāng)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(jìn)氣口模還未涉入。口模的設(shè)計(jì)比以往就復(fù)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(gè)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(dǎo)致擠出物表面質(zhì)量降低，這些因素在未來的孔隙進(jìn)氣口模的設(shè)計(jì)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(jìn)氣法去控制內(nèi)外部氣墊層的壓力問題勢(shì)必會(huì)帶來一定的難度，未來能否結(jié)合孔隙進(jìn)氣法來解決該問題。

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