氣墊成型

氣墊成型即氣輔擠出成型中氣墊膜層。

擠出成型過程中影響氣墊膜層穩定性的一些因素：工藝參數 (氣體壓力、氣體溫度、氣體流量)、口模結構參數(口模有氣輔段長度、環形縫隙 )及氣閥和擠出螺桿的開啟順序。要使氣輔擠出過程中形成穩定的氣墊膜層，氣體的壓力和溫度與熔體的壓力和溫度應接近一致，並應先開啟氣閥，再打開螺桿進行擠出等。

基本介紹

• 中文名：氣墊成型
• 含義：氣輔擠出成型中氣墊膜層
• 影響因素：工藝參數等
• 領域：化學工業

簡介

擠出成型加工具有生產過程連續、生產效率高等優點，是聚合物成型的重要方法之一。在傳統的擠出成型過程中，由於聚合物熔體具有黏彈特性等物理性質，當擠出速度較低時，擠出過程較為平穩，擠出物的表面光滑，但隨著擠出速度的增加，當超過某一極限值時，擠出物的表面會出現鯊魚皮現象或擠出物發生翹曲變形及擠出脹大等質量缺陷。這是由於傳統擠出過程中，熔體與壁面形成的非滑移黏著剪下流動而導致的流動不穩定。

自20世紀30年代M.Mooney提出壁面滑移概念以來，人們對擠出過程中的壁面滑移現象進行了各種實驗研究和理論分析，其中，氣輔擠出就是將高壓氣體引入到口模內，在口模內壁與擠出熔體之間形成氣體潤滑層即產生壁面滑移現象。

氣體輔助擠出技術是由英國的R.F.Liang等在2000年首次提出的一項新型聚合物擠出技術，其創新之處在於通過氣體輔助擠出控制系統和氣體輔助擠出口模，在擠出加工過程中使聚合物熔體和口模壁面之間形成氣墊膜層，使傳統的非滑移粘著剪下口模擠出方式完全轉化為氣墊完全滑移非粘著剪下口模擠出方式，從而使模內熔體的速度場趨於均勻一致，口模出口處的剪下速率趨近於零，熔體呈柱塞狀擠出，可取得明顯的口模減粘降阻的效果。消除了傳統擠出成型過程中由於剪下速率不同所造成的各種質量缺陷，擠出物截面同口模的形狀基本一致。

氣輔擠出的關鍵是在口模和擠出熔體間形成穩定的氣墊膜層，氣墊膜層的建立既不能幹涉到熔體的流動，又要防止熔體和口模壁面直接接觸，使擠出過程由非滑移粘著剪下流動方式轉化成完全滑移非粘著剪下流動方式，以實現成功的氣輔擠出。因此，研究氣體輔助擠出過程中影響氣墊膜層穩定性的因素，使這項技術能夠在生產中推廣套用具有重要意義。而影響氣墊膜層的主要因素有氣體壓力、氣體流量、氣體溫度、口模結構和擠出時的操作等。

氣體壓力的影響

氣體壓力的影響機理是：當氣體壓力過大時，氣流干涉到熔體的流動，且氣體會穿透熔體表面，在熔體內部迅速擴散、滲透，形成氣泡，擠出物離模後，氣泡迅速長大引起擠出脹大的異常現象；當氣體壓力過小時，氣體不能完全從口模內壁排出來，氣體沿著阻力較小的方向流動，導致有氣體進入到熔體內部，使熔體擠出呈不連續的噴射狀，並且熔體粘附於口模內壁，不能形成穩定的氣墊膜層。

R.F.Liang等通過實驗證明，控制氣體壓力能夠在口模內壁形成穩定的氣墊膜層，氣墊膜層對擠出口模壓力降、擠出物脹大產生較大的影響。有氣墊膜層時，口模壓力降比沒有氣墊膜層時的口模壓力降低得多。採用縫隙口模進行氣輔擠出，氣體壓力對形成穩定的氣墊膜層很關鍵。此後，黃興元等對氣墊膜層的穩定性進行了詳細的實驗研究，實驗原料為高密度聚乙烯(PE-HD)，以壓縮空氣作為氣源。實驗時螺桿上分三段控制的加熱圈溫度分別設定為150，160，170℃，機頭溫度為180℃，機頭和口模之間的彎管加熱溫度設定為180℃，氣輔擠出口模外的加熱圈的溫度也設定為180℃，實驗中螺桿溫度和口模溫度保持不變。用高溫熔體壓力感測器測量的熔體壓力和氣體加熱系統前的氣體壓力來研究口模內環形縫隙處的熔體壓力和氣體壓力。

在擠出過程中，將氣體壓力先調到0.3MPa，待達到穩定的氣輔擠出後，逐步升高氣體壓力到0.7 MPa，結果發現，當氣體壓力和熔體壓力接近一致時，氣體/熔體兩相流的界面穩定，在熔體與模壁之間產生穩定的氣墊膜層，當氣體壓力高於熔體壓力後，擠出物表面逐漸出現突起現象，隨著氣體壓力的增加，突起現象越來越嚴重。當氣體壓力從0.3MPa逐漸降到0.1MPa時，擠出過程仍能穩定，擠出物表面光滑，未見擠出脹大現象產生；而當氣體壓力減為零時，此時擠出過程還保持穩定，但出現了明顯的擠出脹大現象。當氣體壓力降為零後再開始升高時，擠出過程不穩定。實驗說明，當氣體壓力和熔體壓力接近一致時，才能建立穩定的氣墊膜層。Liang Jizhao研究證實，氣體壓力太高，對擠出製品的表面質量會產生不良影響；氣體壓力過低，不能使熔體和壁面分離，所以控制氣體壓力的大小是一個重要的環節，一般情況下，選擇氣體壓力稍高於熔體壓力。R.F.Liang等的研究表明，在熔體擠出時通入氣體，在擠出熔體和口模壁面間確實可以形成穩定的氣墊膜層，穩定的氣墊膜層產生的條件是：首先將氣輔口模內氣體的壓力調至略大於熔體的壓力，然後再調至熔體的壓力。B.Hallmark等主要探索研究了穩定擠出條件，當口模中氣體壓力與熔體壓力接近時，可獲得穩定擠出，氣體壓力大於熔體壓力會導致不穩定擠出。

氣體壓力對在口模內建立氣墊膜層進行氣輔擠出具有非常大的影響，而實驗測量的氣體壓力是氣體加熱裝置前的壓力，並且氣墊膜層內的壓力從有氣輔段的環形縫隙處到口模出口逐漸減小，所以可能對實驗結論有影響，以後應研發更先進的裝置，直接測量口模內每一處氣體壓力。

氣體溫度的影響

氣體溫度對擠出穩定性的影響可用熔體黏度的影響來解釋，因為氣體溫度的高低影響和氣體直接接觸的熔體表面溫度，當氣體溫度低於熔體溫度時，熔體的溫度就會被降低，導致熔體的黏度增加，使熔體更易粘附於口模內壁，從而使其平衡狀態遭到破壞，在口模中產生波動，進而導致氣流不穩定。氣體溫度越低，對熔體表面的冷卻作用越大，氣輔擠出的穩定性越差。反之，氣體溫度升高時，熔體的黏度降低，容易形成穩定的氣流，達到穩定擠出，但當氣體溫度過高時，會使熔體的局部發生降解，同時氣體容易進入熔體內部，形成氣泡，影響擠出製品的質量。

黃興元等在實驗時，設定口模溫度為190℃，氣體壓力及氣體流量固定不變，使氣體溫度由常溫逐漸提高到200℃，然後再逐漸降低到常溫，結果發現，當氣體溫度與熔體溫度一致時，容易形成穩定的氣墊膜層，實現穩定的氣輔擠出；當氣體溫度低於熔體溫度時，有時也可形成穩定的氣墊膜層，但穩定性很難保持。氣體溫度與熔體溫度差別越大，越不容易形成穩定的氣輔擠出；古大治的研究認為，聚合物具有發泡溫度，當氣體溫度高於發泡溫度時，氣體會穿透擠出物表面而使它發泡。但當溫度過低時，會影響熔體的流動，所以氣輔擠出中氣體溫度要低於聚合物的發泡溫度，這樣才能形成穩定的擠出。

M.Zatloukal等對氣輔擠出中影響氣墊膜層穩定性的因素進行了實驗研究。結果表明，氣體壓力、溫度等多種因素對氣墊膜層都有影響。在氣輔擠出中，聚合物熔體與氣體在口模內呈氣–液兩相分層流動，在擠出過程中，由於氣體和擠出熔體相接觸，氣體溫度的變化會使熔體溫度發生變化，導致熔體的黏度發生變化，進而影響氣輔擠出的穩定性。

有氣輔段長度的影響

R.Brzoskowski等通過多孔金屬管將壓縮空氣引入口模內，形成氣墊膜層，實現了氣輔擠出，但實驗中沒有具體驗證氣墊膜層的穩定性和氣體壓力、氣體溫度以及有氣輔段長度等因素的關係。此後，錢百年等通過多孔金屬管將壓縮空氣引入口模內，形成氣墊膜層。研製了有氣膜潤滑段的短纖維剪下取向機頭，用來擠出短纖維增強膠管。實驗結果表明，氣體潤滑口模不僅能減小口模壓降，通過選取合適的有氣輔段長度可以形成穩定的氣墊膜層。但是，這種通過多孔金屬管引入氣體的氣輔擠出口模，最大的問題是金屬管孔隙容易被熔體堵塞，堵塞後不容易清理，影響氣墊膜層的形成和穩定性。

肖建華實驗認為，有氣輔段越長越容易引起氣體流速、壓力、溫度等參數的變化，造成熔體和口模壁面粘連，影響氣墊膜層的穩定性；黃興元認為，有氣輔段長度的設計非常關鍵，有氣輔段越長，氣墊膜層的穩定性越差，但該段越短，熔體經過它的時間就會縮短，熔體在有氣輔段的鬆弛時間也越短，氣輔擠出的作用發揮就越不充分。P.Santelicds研究發現，在恆定剪下速率下，擠出物的擠出脹大比隨口模長徑比的增大而減小，當長徑比超過某一值時，擠出脹大比趨於一穩定值，但長徑比太大不利於氣墊膜層的形成。P.Jay等實驗認為，在低We(W eissenberg)數(韋森堡效應，即黏彈性交叉效應）下，擠出加工可選用較短的滑移段(有氣輔段)口模即可達到精密擠出的效果；在高We數下，滑移段的長度越長，擠出脹大比越小，擠出物的外形尺寸越精確。在塑膠擠出生產過程中，在低W e數下，易選用較短滑移段口模；在高We數下，採用較長滑移段口模可獲得穩定的氣輔擠出。有氣輔段長度作為氣輔擠出口模設計的一個重要參數，其設定的合理性直接影響到氣墊膜層的穩定性，但是，在沒有其它因素影響的情況下，一般有氣輔段越長，其氣墊膜層越不穩定。

氣閥和螺桿開啟順序的影響

黃益賓等對氣體輔助共擠過程的氣墊膜層形成和穩定性進行了詳細分析，實驗用兩台擠出機為螺桿直徑分別為65 mm和50 mm的單螺桿擠出機，螺桿直徑大的稱為主機，螺桿直徑較小的稱為共擠機，螺桿加熱採用電熱圈加熱，沿螺桿長度方向由三段電加熱圈加熱。螺桿溫度用熱電偶測量並反饋到溫度控制儀，溫控儀控制接觸器的通斷來控制加熱電路通斷，最終實現螺桿的溫度控制。實驗所用材料分別為聚丙烯(牌號為RB2.0HC)、聚丙烯(牌號為T300)和高密度聚乙烯(牌號為HDPE6908)。研究發現，氣體壓力和溫度對氣墊膜層有影響時，先開啟擠出機螺桿，待共擠出穩定後，再開啟氣閥，然後，調整氣體的壓力和溫度，當進入口模的氣體溫度、壓力與熔體的溫度、壓力很接近或完全一致時，在通氣初期氣輔共擠出不穩定，但擠出一段時間後，能逐漸達到穩定的氣輔共擠出狀態。實驗表明，在氣輔共擠出過程中先開啟螺桿再打開氣閥，在氣體具有合適的溫度和壓力的情況下，依然能形成穩定的氣墊膜層。

盧臣在進行異型材氣輔擠出實驗時發現，若先啟動擠出機螺桿進行擠出再打開氣體，不能實現氣體輔助擠出。這是由於先開啟擠出螺桿進行擠出時，部分聚合物熔體粘附於口模壁面上，當再通入高壓氣體時，粘附於口模壁面的熔體就會在氣體和口模壁面間形成一不規則的粘附層，影響到氣墊膜層，進而影響擠出過程。但此時將氣體溫度升到高於聚合物的熔體溫度，使擠出逐漸恢復到穩定的氣輔擠出狀態，再將氣體溫度降到和口模溫度一致，才可形成穩定的氣墊膜層。而當先打開氣閥、後啟動擠出機螺桿時，只要氣體壓力、氣體溫度及有氣輔段長度在合適的範圍內，就會形成穩定的氣墊膜層。

氣體流量的影響

肖建華通過實驗研究了氣體流量大小和穩定氣輔擠出的關係，運用氣體運動理論和氣體紊流回響解釋了實驗結果。在實驗過程中，將氣體流量由0.4m³/h增加到0.8m³/h以上時，氣體流量計中的轉子開始出現有規律的上下波動，即氣體流量出現了不穩定的波動現象，同時擠出物表面成波紋狀。實驗結果表明，在氣輔擠出過程中，增大氣體流量容易引起氣墊膜層厚度波動或氣體產生紊流，使擠出物表面以波紋形式擠出，不能實現穩定氣輔擠出；氣體流動對熔體的作用是一種非常複雜的現象，從空氣動力學的角度來看，氣體產生紊亂流動，是由於氣流的作用力強迫熔體產生強烈的紊流回響(又稱抖振)，而熔體的抖振反過來又將改變氣流的作用力，產生附加的氣動力，形成氣體與熔體的相互作用體系，使氣輔擠出產生不穩定現象。

黃興元等的實驗表明，氣體流量的大小影響氣墊膜層的厚度和氣墊膜層內氣體的速度，由於氣體流量大時，氣墊膜層的移動速度快，對擠出熔體有一定的拉動作用，使熔體截面尺寸減小，所以，可通過調整氣體流量控制擠出物的截面尺寸。M.R.Mackley實驗證明，在氣輔擠出過程中，熔體流量的大小影響氣輔的穩定擠出，當熔體流量較小時，才能成功地形成氣輔擠出，消除鯊魚皮現象和擠出不穩定。實質上，氣墊膜層的穩定性與氣體紊流有關，而氣體紊流又與氣體流速有關，影響氣體流速的因素通常有壓力、流量、溫度等，由於對氣墊膜層內氣體流速的測量十分困難，目前的實驗中僅僅研究了氣體流量對擠出流量、擠出速度和擠出物直徑的影響，未見有研究關於氣輔擠出中氣墊膜層的穩定性與氣體流量之間關係的報導。

環形縫隙的影響

R.F.Liang等採用縫隙口模對高密度聚乙烯進行了氣輔擠出研究，口模由上下兩部分組成，上口模和下口模之間有0.1mm的環形縫隙，下口模有一氣室，高壓氣體進入下口模的氣室中，再沿環形縫隙進入到口模內，在口模內壁和熔體之間形成氣墊膜層。當氣體壓力、氣體溫度等在合適的範圍內時，利用縫隙口模進行氣輔擠出時，可以通過調節縫隙間隙來控制氣墊膜層的厚度，而通過調節縫隙間隙對氣墊膜層的穩定性幾乎沒有影響。

黃興元等在實驗中分別使口模中的環形縫隙為0.1mm和0.2mm進行氣輔實驗。實驗結果表明，環形縫隙對氣墊膜層的建立和穩定性沒有明顯的影響。但是，氣輔擠出設備的密封性對實現穩定的氣輔擠出有影響，密封不好，就會有漏氣現象，從而使得氣流不穩定，不能形成穩定的氣輔擠出。

展望

目前的研究成果為研究人員在以後的實驗中建立穩定的氣墊層提供了基礎。今後，應在研究氣體壓力、氣體溫度、氣閥和螺桿開啟先後順序等影響因素的基礎上，考慮實驗過程中其它因素的影響，因此，今後的研究方向為：

(1)已有的實驗研究大多是針對單面氣輔擠出，而對於內部空心異型材在氣輔擠出過程中要形成內外兩面氣輔，所以，研究人員應考慮如何使內外壁面同時建立穩定的氣墊膜層，並分析影響兩面氣輔擠出中氣墊膜層穩定性的因素，以成功地實現異型材氣輔穩定擠出。

(2)目前，關於氣體流量對形成穩定氣墊膜層影響的研究，僅研究了氣體流量的大小影響擠出物的截面尺寸和穩定的氣輔擠出，並未研究氣體流量和氣墊膜層穩定性的直接關係，今後應考慮研究氣體流量和氣墊膜層穩定性的關係。