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摘要：对一种新型挤出技术－气辅挤出中的气垫层形成及其稳定性影响因素――气体压力、气体流量、气体温度进行了实验研究和分析，对气体压力的研究表明当气体压力高于熔体压力时，气流就会影响到挤出口模内熔体的流动，使挤出物表面出现竹节状突起，但气体压力太低时（实验条件下低于0.2MPa）形成不了稳定的气垫膜层；气体流量的大小影响到气垫层的厚度和气垫层内气体的速度，并可通过调整气体流量控制挤出物的截面尺寸；气体温度影响到气垫层的稳定，为保持稳定的气垫层，气体温度应保持和口模温度一致。
关键词：气辅挤出、压力控制、挤出胀大、气垫膜层
1.简介
气体辅助挤出成型技术（简称气辅挤出成型技术）是指在聚合物挤出时，通过气体控制系统和特殊设计的气辅挤出口模，将气体引入到聚合物熔体和口模壁面之间形成气垫膜层，将熔体和口模壁面隔开，使口模挤出成为完全滑移挤出方式，口模壁面与挤出熔体的摩擦减少到最低限度。研究发现【1】【2】采用气辅挤出，能降低口模压降，挤出胀大基本得到消除，口模内的应力大为减小，从而可以提高制品的表面和内在质量。
气辅挤出的关键是在口模和挤出熔体间形成稳定的气垫膜层，气垫层的建立既不能干涉到熔体的流动，又不能使熔体和口模壁面直接接触，使挤出呈完全滑移方式进行。因此研究气体辅助挤出过程中影响气垫层稳定性的因素对迅速使这项新技术能够在生产中推广使用具有重要意义。而影响气垫膜层的主要因素有气体压力的大小、气体流速的大小、气体温度的高低、口模结构和挤出时的操作等。本文在研制的气辅挤出实验装置上对影响气垫层形成的气体压力、气体流量、气体温度等主要因素进行了研究和分析，得出了许多有重要价值的结论。
2.气辅挤出实验装置的组成与实验条件
2.1 实验装置的组成
如图1所示，实验装置由挤出机、气辅挤出口模、供气系统和控制系统四部分组成，挤出机螺杆直径Φ65mm，长径比24.6，螺杆由三段电加热圈加热，温度由三个温控器分别控制；供气系统由空压机、储气罐、压力控制阀和管路组成，空压机产生的高压气体进入到储气罐中，储气罐容积为0.4M3，起稳定压力，减小压力波动的作用，从储气罐出来的气体经压力控制阀调压后再经加热段加热进入口模，气体加热为与机头相连的弯管用电热丝套上瓷环进行加热，温度可调节；气辅挤出口模结构如图2所示，口模由上下两段组成，口模上段的直径为20mm，口模下段的直径为20.2mm，口模下段外是气室，上下口模段之间有一环形间隙，间隙高度为0.1mm。从压力控制阀出来的高压气体由气体入口进入气室后再由环形间隙进入到口模内，在口模内壁和聚合物熔体之间形成气垫膜层，使从口模上段进入的聚合物熔体与口模相隔开，从而减小口模与熔体之间的阻力，上下口模段分别用电加热圈加热。 （图片）
图1 气辅挤出实验装置 （图片） 2.2 实验条件
实验材料：实验材料采用市场上购买的大庆石化公司生产的挤塑级高密度聚乙烯5000S，密度为954kg/m3。
测量仪器：气体流量的测量采用LZB－40型转子流量计测量进入口模的气体流量。气体压力由压力控制器上压力表直接读出。
由于不能够直接测出口模内气垫层厚度，研究采用测量挤出物直径和挤出物表面质量情况来评价气垫层的好坏。
挤出物直径的测量，挤出的熔体不能采用接触式测量方法测量，将直径为19mm的标准直径圆棒挂在和挤出物平行的位置，拍出照片后将打印出来照片上量出的挤出物直径dr和标准圆棒直径dl对比经过下式换算得出挤出物的直径d。（图片） 实验条件：为了研究气垫膜层的影响因素，分别研究不同气体压力、气体流量、气体温度以及压力控制阀开启的时间顺序对气垫膜层的影响。实验时，螺杆上的加热段分别设置为150℃、160℃、170℃，机头温度设置为180℃。
3.气体压力和流量的影响
为了研究气体压力对口模壁面气垫膜层的影响，实验中分别在挤出螺杆转速300rpm和600rpm时，将气体压力调整为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa分别进行挤出实验，发现当气体压力高于熔体压力时，口模壁面和熔体之间能形成气垫膜层，但挤出的熔体表面有竹节胀的突起，当压力越大时突起越严重，表明气体在进入口模壁面形成气垫膜层过程中影响到熔体的流动，使熔体表面形状改变，如图3所示；当气体压力太低时也不能形成气垫，这时挤出物出现明显的胀大，并且熔体内部夹着气泡，这时由于气体不能够从口模壁面出来，气体就会进入到熔体内部，如图4所示。（图片）
图3 气体压力为0.5MPa,熔体压力为0.45MPa时的挤出 图4 气体压力为0.1MPa，熔体压力为0.45MPa时的挤出 气体流量对气垫层的厚度产生很大的影响，由于不能够直接测量口模内的气垫层厚度，采用测量挤出口模的熔体直径可以反映气垫层的厚度情况。实验时测量熔体离开口模20mm处的挤出熔体直径，实验结果如表1所示。由表1可以看出，当气体流量增大时，挤出物直径是减小的，当挤出速度较慢时随气体流量的增加挤出熔体的直径甚至比口模直径还小。挤出物直径随气体流量增加而减小，一方面是由于气垫层厚度增加的缘故，更主要一方面是挤出过程中随气体流量增加，气垫沿口模壁面流出的速度增加，也就是说气垫层移动的速度增加，熔体在口模内流动除口模压降作用外，气垫层对熔体的拖动作用增强，熔体挤出线速度增加，而挤出体积流量变化不大，这样挤出物的直径就随气体流量的增加而减小。利用这个特点，可以通过调节气体流量来调整挤出物直径的大小。另外从表1中可以看出，随挤出速度增加，挤出胀大是增加的，但采用气辅挤出可以大大减小挤出胀大。表1 不同气体流量的挤出实验
| 电机转速 | 螺杆转速 | 气体流量 | 挤出直径 | 挤出胀大率 | | r/min | r/min | m3/h | mm | ％ | | 300 | 3.97 | 4 | 17.3 | -13.5 | | 300 | 3.97 | 2.5 | 18.77 | -6.15 | | 300 | 3.97 | 1.5 | 20.46 | 2.3 | | 300 | 3.97 | 0 | 25.8 | 29 | | 600 | 7.94 | 4 | 21.15 | 5.7 | | 600 | 7.94 | 2.5 | 21.19 | 5.9 | | 600 | 7.94 | 1.5 | 22.49 | 12.4 | | 600 | 7.94 | 0 | 26.67 | 33.3 |
实验条件：口模直径为20mm，气体压力3MPa，口模温度19℃，气体温度190℃。4. 气体温度的影响
为了研究气体温度对气垫层形成的影响，实验时口模温度为190℃，气体压力固定在0.3MPa，气体流量固定为2.5m3/h，气体温度采用常温、100℃、180℃、200℃四种情况进行实验，这时对四种温度按两种情况进行：气体温度从常温、100℃、180℃、200℃升上去然后从200℃、180℃、100℃、常温降下来进行。当开始为常温时，形成气辅挤出非常困难，即使形成气垫层也非常不稳定，并且挤出物为紊乱状；当温度升为100℃时，比前面情况稍微好一些，但挤出物表面仍然有突起产生；当温度升到180℃时，这时气体温度和熔体温度基本是一样，这时可以形成稳定的气垫膜层，挤出物表面光滑，挤出稳定；当温度继续升到200℃时，挤出情况保持稳定，可以形成稳定的气辅挤出。当形成稳定挤出后，将气体温度降到180℃时，挤出情况没有改变，将气体温度再降到100℃时，稳定挤出的情况仍可继续保持，当气体温度再继续降到常温时，气垫仍可形成但这时气垫很不稳定，难以长时间维持。
产生以上现象的原因是：在开始阶段，熔体和气体接触时，熔体周围的气垫在形成过程中，处于不稳定状态，熔体有可能和口模壁面接触，当气体温度低时，空气和从口模上段出来的熔体接触使熔体温度降低导致熔体的粘度增加，很容易和壁面粘连，当粘连时就使熔柱摆动，发生更多的粘连，由于气体和熔体不断的流动，有部分粘连在口模壁面上的熔体被撕裂和主熔柱分离，分离后粘在了口模壁面，随着壁面粘连的增多壁面形状被改变，整个气垫层被破坏，部分气体进入到熔体内部，熔体呈紊乱喷射状挤出，如图5所示。当温度升高时，和气体接触的熔体表面温度降低得少，熔体粘度升高得也少，当开始处于不稳定阶段时熔体和口模壁面的粘连减轻，当气体和熔体不断流动时被粘连的部分不至于被撕裂，粘连被分开，口模壁面形成了气垫膜层，但由于粘连的作用挤出物表面呈现出一轮一轮的突起现象，如图6所示。当气体温度加热到和熔体温度一致时，一方面由于熔体的粘度没有上升，另一方面是气体和熔体没有热交换进行，气体对熔体的扰动减小，熔体没有出现和口模壁面粘连的情况，挤出在完全稳定的气垫下进行，实现了稳定的气辅挤出，挤出物表面光滑，如图7所示。当气体温度高于熔体温度时，熔体表面被加热，熔体表面粘度更低，流动性更好，这时即使出现熔体熔柱和口模壁面接触，粘连后在气流的作用下也会沿口模壁面分离，能实现稳定的气辅挤出。这点在气体从低到高边升温边挤出实验中得到证实，当开始气体不加热就进行挤出，不能形成气垫膜层，挤出呈现如图5所示的挤出情况，当温度上升到高于熔体温度后挤出能自动实现稳定的气辅挤出，这说明开始黏附于口模壁面上的熔体经高温气体加热后流动性增加，粘度下降，最后和壁面分离随熔柱一起挤出口模，口模壁面恢复原来形貌，形成稳定的气辅挤出。（图片）
图5 气体没加热时的挤出 图6 气体加热温度为100℃时挤出 图7 气体加热温度为180℃时挤出 5.气阀开启顺序对气垫膜层形成的影响
当气体温度等于或稍低于熔体温度进行挤出时，可以实现稳定的气辅挤出，但必须在操作上首先打开气阀后再开动挤出机螺杆进行挤出，如果先开启挤出机螺杆挤出后再打开气阀，挤出首先是按没有气垫层的常规方式进行，这时口模壁面和熔体之间是黏附在一起的，待气体进入后，气体沿阻力最小的路径从口模出来，这时气体就会进入到熔体内部或口模壁面附近，在口模壁面上黏附有聚合物熔体，不能在口模壁面形成稳定的气垫膜层，挤出呈紊乱状态挤出。这时若将气体温度提高到高于熔体温度以上，挤出可以逐渐自动恢复到稳定的气辅挤出，而后再将温度降到和熔体温度一致或稍低于熔体温度便可实现稳定的气辅挤出。
6.结论
通过气体辅助挤出中对影响气垫层的主要因素进行实验研究和分析，可以得出以下结论：
1）气体压力对气垫膜层的建立有重要影响，气体压力应和熔体压力一致或稍低于熔体压力，当气体压力高于熔体压力时，虽可形成气垫膜层，但形成气垫过程中气体会干涉到熔体的流动，影响挤出物的表面形状；当气体压力太低时不能在口模壁面形成稳定的气垫膜层，熔体也就不能以完全滑移的方式挤出。实验条件下气体压力稳定在0.2~0.4MPa较为合适。
2）气体流量对挤出物的截面尺寸有较大影响，由于气体流量大时气垫层的移动速度快，对挤出熔体有一定的拉动作用，使熔体截面尺寸减小，这样可以通过调整气体流量的方法来控制挤出物的截面尺寸。
3）气体温度对气垫层的稳定性具有重要作用，采用气体辅助挤出时，注入的气体温度应与口模温度一致。
4）挤出开始时应先打开气体后启动挤出机螺杆进行挤出，使气垫层快速建立；反之若先启动挤出机螺杆进行挤出再打开气体，不能实现气体辅助挤出，这时可将气体温度升到高于熔体温度，使挤出逐渐恢复到稳定气辅挤出状态，再将气体稳定降到和口模稳定一致。
参考文献：
1．R.F.Liang, M.R.Mackley, The gas-assisted extrusion of molten polyethylene, J.Rheol,2001，45(1):211—226
2．鄢超、柳和生、黄兴元、周国发，聚合物气体辅助挤出成型。中国塑料，2003（11）：15—18
作者：黄兴元 柳和生 周国发 罗忠民 李绅元
南昌大学机电工程学院，南昌330029
*本研究受国家自然科学基金（项目号：50273012）和江西省科技攻关计划项目资助(2002)
2/21/2006
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