微通道环形排列结构塑料管道的成型工艺研究

徐浙云，许皓彦，许忠斌,3*

(1.浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学控制科学与工程学院，浙江 杭州 310027；3.浙江申达机器制造股份有限公司，浙江 杭州 310018)

加工与应用

微通道环形排列结构塑料管道的成型工艺研究

徐浙云1，许皓彦2，许忠斌1,3*

(1.浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学控制科学与工程学院，浙江 杭州 310027；3.浙江申达机器制造股份有限公司，浙江 杭州 310018)

基于自主研发的塑料微结构制品挤出加工平台，首次提出了由聚氨酯弹性体制成的壁面内有序排列有24个微米级的长直中空微通道的塑料管道；研究了环形微通道结构管道的成型过程中牵引比、注气压力和空气段长度等工艺参数对制品成型质量的影响规律(注气压力：0.21～0.36 kPa，空气段长度：35～110 mm，牵引比：2.4～14.1)。结果表明，调控牵引比和空气段长度可以显著改善离模膨胀，影响微通道制品的整体尺寸，且与整体尺寸变化成负相关，但不影响截面形状；而通过调节注气压力则可以明显改变截面的形状比例，抵消离模膨胀作用，影响微通道形状，但不影响整体尺寸。

微通道；塑料管道；挤出成型；注气压力；牵引比；空气段长度

0 前言

高分子聚合物制品加工成型方法的创新对塑料加工工业的发展推动与引导会产生可观的影响。时至今日，研究人员一直在对现有聚合物进行成型方式的创新，力图获得特殊结构的新产品，或者提高原有工艺生产水平以及提高制品的最终性能。这些成型方法的创新推进使聚合物制品能够在新的应用领域内得到快速的发展。

图2 微通道结构塑料管道成型加工平台Fig.2 Extrusion equipment for processing micro channel tubes

微通道结构塑料制品是一种包含中空微通道和塑料薄层的复合结构，薄层内平行或环形紧密排列数条至数十条连续的直径为微米级的长直通道。这种结构材料具有多个微尺度通道，比表面积大且易后续加工处理，因此受到了研究人员的广泛关注。代表性产品如微通道塑料薄膜(Micro Capillary Film，MCF)最早由英国剑桥大学化工系Hallmark和Mackley等人在2004年提出，并进行了一系列创新性的应用研究[1-2]。Hornung等[3-4]测量了基于MCF制作的换热器的换热性能，发现19孔聚乙烯微通道塑料薄膜(200 μm平均水力直径)的传热系数能够达到35MW/m3·K；利用该材料优异的传热性能，Dorfling等[5]制作了简易式太阳能热能收集装置；利用MCF内表面积大的特点，Hornung等[6]还将MCF盘绕并加热固化成圆盘，制作了一个用于有机合成实验的简易微型反应器。此外，Hallmark等[1]利用MCF作为微蠕动泵的配套管路，实现多通道不同介质的并行输送，使得微结构塑料制品在微流控芯片、MEMS等微流体领域应用成为可能。综上所述，微通道结构塑料制品的加工技术与应用是一个有着巨大潜力的前沿研究课题，制品独特的结构特点和性能，提供了在广泛的加工领域创新发展的可能性。在过去研究人员的经验和基础上，本课题组自主研发设计了国内首套微通道结构制品挤出加工成型平台，利用聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸和热塑性聚氨酯等一系列热塑性塑料成功制备了微通道塑料薄膜制品，2014年提出以线形低密度聚乙烯为原料制成的微通道结构塑料微管(Micro Capillary Tube，MCT)制品[7]，为传统塑料管道与MCF的复合结构。制品实物外观和横截面显微镜图如1所示。相较于国外提出的MCF，MCT的结构有以下特点：微通道排列呈中心对称的方式，在生产过程中将边界效应对匀化分布，避免了由于边界效应引起的不同位置的微通道尺寸差异[1]；MCT包含了大尺寸中央通孔，相当于同时结合了不同数量级尺寸的通道，有利于后续应用拓展；MCT管壁的微通道层数可通过模具更换进行简单调节。在此基础上，考虑到化学检测、生物医学和微流控等行业的材料特殊需求，本文进一步采用了医用级的热塑性聚氨酯弹性体进行成型加工，相较于传统材料如聚乙烯和聚丙烯等，聚氨酯弹性体在离模过程中会发生严重的高弹膨胀行为，大大影响长直中空微通道的成型。因此，重点考察并研究成型过程中工艺参数对弹性体聚氨酯MCT成型质量的影响规律，最终稳定并可控地获得理想制品。

图1 MCT实物及横截面光学显微镜照片Fig.1 Image of MCT and cross section of MCT

1 实验内容

微通道结构塑料制品的挤出加工平台及流程如图2所示，加工装置主要包括：驱动电机、挤出机、特制的挤出机头口模、注射流体源(配合压力调节系统)、数据采集反馈控制系统、冷却水槽和牵引收卷装置等[8]。压力调节辅助装置由一个约20 L的气体缓冲罐、一个医用注射器、一个传统水压测量计和一些硅胶软管组成，连接方式原理如图2(b)所示。气体供应装置操作方法简单，使用医用注射器向气体缓存罐注入或抽出气体方便地调节气体缓存罐内的气体压力。通过读取水压测量计内水的液面与烧杯内液面的高度差(h)，计算出缓存罐内的压力，精度能够到达1 mmH2O(1 mmH2O≈9.8 Pa)。气体供应装置能够稳定提供压力在-300～300 mmH2O之间的注射气体。由于微通道尺寸小，成型过程中的气体消耗量很小，而气体缓存罐的容积相对比较大，大大减弱改变气压时压力脉冲对挤出产品的影响，因此注射气体压力在每组实验中能够保持稳定，满足实验需求。

实验操作基本流程如下：电机启动驱动挤出机内螺杆旋转，由料斗加入的原料在螺杆旋转和电加热的双重作用下融化形成聚合物熔体，并被螺杆作用逐渐稳定输送至机头；加热圈及其控制系统用于控制机筒和机头的温度；外界流体通过压力调节辅助系统的调配，经过特制的口模被夹带进入刚离开机头的熔融塑料薄层内；紧接着塑料熔体在牵引机作用下拉伸变形，在冷却水槽内快速冷却形成稳定不变的微通道结构塑料制品。MCT的挤出初始阶段如图3所示。

图3 MCT挤出初始过程及各加工参数定义Fig.3 Initial stage of extrusion of MCT and definitions of processing parameters

图中展现了各加工工艺参数的尺寸定义，注气压力Pin来自于口模内部(口模内部与外界压力调节辅助系统相连)；v1指熔融物料离开口模端时沿挤出方向的速度；v2指产品挤出线末端牵引装置旋转拉伸沿挤出方向的速度；L指熔融物从口模端出口至冷却液面的直线距离。

2 结果与分析

实验采用了热塑性聚氨酯弹性体为原料(Tecoflex EG85A, Lubrizol)，发现在稳定的成型温度条件下，其他相关的参数如v1、v2、L以及Pin都会大大影响最终产品的尺寸和成型质量。因此本文重点研究了牵引比λ(定义牵引速率与挤出速率之比，λ=v2/v1)、L以及Pin等工艺参数对微通道塑料结构制品最终质量的影响，产品截面主要尺寸定义如图4所示，主要尺寸参数包括中央孔径(Dc)、管道外径(Do)以及微通道直径(d)。

图4 MCT截面尺寸定义Fig.4 Size definitions of cross section of MCT

2.1 注气压力Pin对管材微通道结构的影响

实验利用如图2所示的自制实验平台，进行了MCT的加工。待稳定挤出后，对制品进行取样，并利用光学显微镜对实验样品截面进行观察测量，处理实验结果如图5所示。

图5 MCT的dmean与Pin的关系Fig.5 Relationship between dmean of MCT and Pin

实验中通过调节螺杆转速和牵引装置收卷速率，将牵引比固定在8左右；同时控制空气段长度在60 mm固定不变，并通过图2(c)中的压力调节器进行气体的增减。发现随着Pin从0.21 kPa逐渐升至0.36 kPa， MCT整体微通道的直径都普遍逐渐增大，这是因为熔融状态下的聚合物微通道容易受内部Pin的影响而相应变形，显著抵消离模膨胀引起的微通道缩小，并最终影响通道尺寸。同时可由图5中MCT实物发现，Pin的增大对制品外部的整体尺寸影响不大，而主要改变了在内部壁面受压区域的形状，大大改变了微孔的尺寸，从而影响了整体的孔隙度。Pin对聚烯烃的微通道薄膜尺寸的影响规律在课题组前期研究中已得到科学分析[8]。在相同Pin=0.2 kPa时，聚烯烃的微孔平均水力直径接近100 μm，而聚氨酯MCT挤出成型中发现微孔平均水力直径dmean只有60 μm左右，这说明了挤出过程中聚氨酯弹性体的瞬间高度弹性恢复会影响微孔的成型，从而需要更大的Pin来抵消这部分作用。将Pin与聚氨酯MCT的dmean进行拟合发现，两者高度符合二次函数关系：

(1)

该拟合公式的R-square高达0.99861，说明该拟合关系基本符合数据的变化规律，可用于该特定实验条件下(λ为8，L为60 mm)的聚氨酯弹性体MCT成型挤出参考。

2.2L对管材微通道结构的影响

实验设定λ≈3，Pin=0.25 kPa，通过调节h控制L，研究其与最终成型产品的尺寸关系。

●—Dc/Do ●—d/Dc(a)空气段长度与截面尺寸的关系 (b)空气段长度与截面各尺寸比例的关系图6 L对MCT截面的影响Fig.6 Effects of L on sizes of cross section of MCT

由图6(a)可看出随着L的增大，MCT截面各尺寸参数相应减小；但是减小的速度随着L的增大而减缓，由图中可看出L在80～110 mm的范围内，各尺寸参数已基本保持不变，说明L对MCT产品尺寸的影响具有一定的限定性，随着L的增大，这种影响逐渐衰弱。图6(b)还展示了截面各尺寸之间的比值与L的关系，发现截面各尺寸参数之间的比值不随着L的变化而变化，始终保持在恒定值附近，微孔直径与中央孔径的比值(d/Dc)的平均值为0.095，而中央孔径与外径的比值(Dc/Do)的平均值为0.62，说明L并不会改变截面的形状分布，只是同比例的改变整个MCT截面的大小。

2.3λ对管材微通道结构的影响

与研究L的方法类似，同样地利用同样的自制加工平台，以热塑性聚氨酯弹性体为原料，进行MCT的挤出成型。实验将Pin维持在0.25 kPa，而将L固定在50 mm，挤出机螺杆转速固定在15 r/min，通过调节牵引机转轮的快慢，改变牵引速度大小，研究牵引比与最终成型MCT之间的关系。

1—Do 2—Dc 3—d 4—d/Dc 5—Dc/Do(a)λ与截面尺寸关系 (b)λ与截面各尺寸比例的关系 (c)截面尺寸随λ变化情况图7 λ对截面尺寸的影响Fig.7 Effects of λ on sizes of cross section of MCT

由图7(a)可知，MCT截面各尺寸参数，包括Dc、Do和d，都随着λ的增大而减小；在λ=2.4时，d=(273.3±53) μm，Dc=(3164±202) μm，Do=(5155.2±80) μm；当λ=14.1时，d=(112.3±15) μm，Dc=(1392.5±50) μm，Do=(3190.6±112) μm。与L引起的变化类似，这些截面尺寸减小的幅度随着λ的增大而逐渐放缓。同样地，图7(b)揭示了λ的变化并不会影响截面各尺寸参数之间的比例关系，说明λ与L类似，也是起了改变整体尺寸大小的作用，而不改变截面的形状分布。观察具体比值，发现d/Dc=0.086，而Dc/Do=0.62，数值与空气段长度L实验的结果基本一致。这是由于熔融状态下的MCT挤出后一旦接触并进入冷却液，即可认为基本被定型，截面尺寸后续几乎不再改变(不考虑冷拉伸)。而L主要控制了熔融MCT进入冷却液的快慢，λ则主要决定了L范围内的熔融物拉伸状态。因此，从结果上来看，改变L和改变λ的效果是相同的，增大或减小L则相当于相应地增大或较小了λ。在常规材料如聚乙烯等的拉伸过程中，当λ>1时，挤出膨胀的现象就可以被明显地削弱[7]；而热塑性聚氨酯弹性体作为原料具有明显的弹性响应，瞬间弹性回复通常较大。实验发现λ>2以后，挤出膨胀的行为才开始被削弱，直至基本观察不到出口处熔融物料的明显胀大行为。

假设口模出口处材料的流动截面积为S1，材料密度为ρ1，被拉伸拉却定型后的材料有效横截面积(实体部分)为S2，密度为ρ2，则根据质量连续性定理有以下等式：

(2)

(3)

可知S1由模具设计所定，为固定值；挤出工艺中材料熔融状态下的ρ1及冷却后的ρ2基本由材料自身特性决定，也可看做固定值；则可以发现冷却后最终的S2基本由λ所决定，且与λ成反比的关系，验证了图7所显示的变化规律。

微通道结构塑料制品的特殊结构与其应用密切相关，研究各工艺参数对微结构的成型影响规律，为这一新型塑料制品的加工制作及后期应用打下基础。微通道结构塑料制品拥有广阔的应用前景：如在不同微通道内按编码形式注入防伪油墨等液体可应用于防伪包装；还可以利用多通道的特性实现在医用导管领域的应用，如医用介入导管，实现多种药物、显影剂等的同时输送，动态调节各种药物的配比；此外还由于微通道尺寸可调控至与小血管、毛细血管接近，利用生物相容性材料制成的制品还能够模拟血管实验、细胞培养等生物医学实验；微通道还类似植物筛管、海豚皮结构，可利用该特性可进行仿生应用。

3 结论

(1)注射气体压力对微通道结构塑料制品的整体尺寸影响不大，但对截面各尺寸的相对比例分布影响较大，改变注气压力会明显改变微通道结构制品的截面形状；保持一定的注气压力可以有效避免因为挤出膨胀所引起的微通道闭合；挤出成型的聚氨酯弹性体MCT的微通道尺寸与注气压力两者在一定范围内高度符合二次函数关系，实际加工过程中可参考设置；

(2)微通道结构制品的横截面尺寸与牵引比成明显的负相关，但是与改变注气压力相反，改变牵引比并不影响截面各尺寸的相对比例分布，只改变整体大小；采用较大的牵引比可以明显地减弱聚氨酯弹性体的离模膨胀行为；

(3)空气段长度对MCT截面各尺寸参数的影响规律与牵引比相似，尺寸变化与空气段长度的变化呈负相关，且尺寸减小的速度随长度增大而减小。

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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

国家基金资助(51373153)

TQ323.6

B

1001-9278(2017)04-0057-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.011

*联系人，xuzhongbin@zju.edu.cn