气辅挤出口模的研究现状

(上饶师范学院 高分子材料辅助成型重点实验室，江西 上饶 334001)

聚合物制品的主要成型手段之一是挤出成型，挤出制品已占世界总量的40%左右[1]。在过去挤出成型中因聚合物熔体本身固有特性，经常出现如离模膨胀、鲨鱼皮、熔体破裂、界面不稳定等现象；这些现象制约了传统挤出成型技术的发展。2001年Liang R F[2]等介绍了将气体作为辅助工艺用于聚合物挤出成型中，并在随后的理论及实验当中都较好的解决了出现在传统挤出中的现象。因此气辅挤出成型技术具有良好的商业前景。

气辅挤出成型技术主要基于传统挤出机将传统口模改良为气辅口模，并通过有效的控制将高压高温气体注入到口模中，形成一层介于口模内壁与聚合物熔体之间的极薄气垫层，实现粘着非滑移向非粘着滑移的转变。因此，气辅口模设计在整个气辅挤出成型中起着关键作用，其设计的正确性对挤出制品的质量、尺寸及形状有显著影响。现阶段气辅挤出口模设计越来越引起相关业界人士的注意。

1 缝隙进气法

1.1 气辅单挤

Liang R F[2]最先公开通过缝隙进气法设计出平板和圆棒气辅挤出口模，随后同门的Dawn R Arda[3]以Liang R F设计的气辅挤出口模为基础，研究引起聚合物熔体破裂的影响因素。图1(a)、(b)正是当年Liang R F设计的气辅挤出口模，高温高压气体从口模的进气口注入，气流在口模的气室进行缓冲，之后缓冲的气体从粘着段和非粘着段之间的缝隙中进入熔体流道中，使非粘着段的聚合物熔体与内壁之间产生了气垫层，该口模有效解决了口模缝隙不易堵料，一旦堵料也便于清除，另外气体与聚合物熔体之间的压力差随缝隙进气口向出料口方向是逐渐减小，易于达到平衡状态；但由于上述口模中并未对气垫层形成前的熔体温度和压力进行测量，从而需要在不断的摸索过程中去调试气体的压力和温度。

(a)平板口模模型 (b)圆棒口模模型图1 气辅挤出口模模型

南昌大学黄兴元[4-6]设计出了一套圆棒型的气辅挤出口模如图2，并深入研究了工艺参数、口模结构参数以及操作顺序对气垫层的建立及其稳定性的影响。其后同研究室肖建华[7-8]针对精密挤出成型对进料口位置及非粘着段长度展开了研究，研究得知当成型段L/D≥1且非粘着段为成型段长度1/2的气辅挤出口模，离模胀大率与进料口几何尺寸无关。在同研究室中，卢臣[9]对异型材的气辅挤出成型进行了实验和理论研究，并设计制造出了T型气辅挤出口模。

图2 圆棒型气辅挤出口模

1.2 气辅共挤

黄益宾[10-12]针对共挤成型设计出如图3的矩形气辅共挤口模，并提出了在气辅共挤成型过程中工艺参数和口模的设计规则，实验得知气体与聚合物熔体间压力差和温度差分别控制在0.1MPa及10℃之内便于得到稳定的气垫层；且口模中缝隙进气厚度控制在0.1～0.2mm范围，非粘着段长度设置为30～40mm较为合理。近两年，同实验室邓小珍、何建涛等[13-15]针对异型材气辅共挤进行了理论研究(如气体压力对成型界面的影响，壁面滑移对共挤制品的影响等)，并设计制造出了L型材气辅共挤口模。

图3 气辅共挤口模实物

2 孔隙进气法

1987年，R Brzoskowski等[16]最先建议借助气体对挤出口模进行润滑，以减低模壁阻力。他们是借助具有孔隙性质的金属嵌管将高压气体注入到口模内壁形成气垫层，口模示意图如图4所示。这种模具主要是用来生产圆柱形制品。挤出实验证明了这种新型机头能大大减小离模胀大。黄立[17]采取相同的办法对环形和圆形口模进行了实验研究，研究得知：气垫层润滑有效的减小了聚合物出料阻力，加大了挤出量，减小了离模膨胀。钱百年等[18]采取相同办法研究出气辅润滑的短纤维剪切取向机头，用于短纤维增强胶管挤出过程。2007年，黄晓燕等[19]利用孔隙进气研制出了管材气辅挤出口模，其模具结构图如图5所示。

图4 多孔金属管挤出口模

图5 PPR管材气体辅助挤出口模

1.机头体2.分流锥3.分流锥支架4.加热圈5.芯棒6.螺钉7.口模压板8.口模9.气室密封圈10.气嘴11.联结头12.气室外套管13.多孔嵌管14.拉杆15.螺母16.密封圈17.螺母18.调节螺钉19.气嘴

3 总结

目前国内外主要就是以缝隙进气和孔隙进气的形式实现气辅挤出成型，虽然在理论和实验中得到了一定程度的提高。但还存在许多不足之处，需进一步的研究探讨。

(1)在缝隙进气口模中，缝隙的大小、出气的均匀度不能进行有效的控制。目前学者们用的最多的是通过加石棉橡胶密封圈来对缝隙大小进行控制，但缝隙到底多大尚不知晓，还有出气的均匀度也不能被有效的检测出以及缝隙的范围是不是与制品尺寸有关联等。这些因素都是未来在口模设计中需要进行考虑的。

(2)现阶段，缝隙进气口模大多运用在垂直出料的挤出成型中，在水平挤出成型中运用较少，尤其当挤出制品尺寸较大的情况，还需要考虑到气辅段出料处上下的气压问题。

(3)在以管材为主的中空型材中，缝隙进气口模还未涉入。口模的设计比以往就复杂得多了，它不仅要考虑到外部气垫层形成的稳定性问题，还需要考虑到内部气垫层形成的稳定性因素。

(4)通过多孔介质注入高压气体的气辅挤出口模最大难题在于孔隙易堵料、很难清除，破坏气垫膜层的形成，以至于这种口模只能用在粘度不高的聚合物熔体挤出过程中。另外这种口模的整个气辅段的压力是一致的，而熔体在该区域的压力是逐渐减小的，这样由于压力的不平衡容易导致挤出物表面质量降低，这些因素在未来的孔隙进气口模的设计中是需主要考虑的因素。

(5)由于在管材挤出成型中，一旦通过缝隙进气法去控制内外部气垫层的压力问题势必会带来一定的难度，未来能否结合孔隙进气法来解决该问题。

参考文献：

[1] 杨卫民，杨高品，于玉梅，等.塑料挤出加工新技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

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