（材料加工工程专业论文）聚合物气体辅助共挤成型的理论和实验研究.pdf

摘要 摘要 聚合物共挤成型是一种应用非常广泛的聚合物成型工艺，具有环保、成本 低、制品性能优等特点，但也存在诸如挤出胀大、黏性包围及层间晃面不稳定 等问题，制约了共挤成型技术的进一步发展。多相熔体的黏弹特性差异以及非 滑移黏着的剪切挤出机理是产生这些问题的根本原因。本文将共挤成型技术与 气辅技术相结合，形成了全新的聚合物气辅共挤成型工艺，以期解决上述问题。 通过实验和数值模拟相结合的方法对其进行了深入研究。 首先，设计加工了一种采用缝隙进气的矩形截面气辅共挤口模，搭建了气 辅共挤成型实验系统，并对形成稳定气辅共挤的条件、影响气垫膜层稳定性的 因素以及气辅共挤出时各工艺参数对共挤出胀大、共挤界面黏性包围等的影响 几个方面开展了实验研究，研究结果表明：( 1 ) 在气辅共挤出过程中气体的温 度和压力是最为关键的两个因素，当进入气辅口模流道的气体温度和压力与熔 体的温度和压力接近时才能形成稳定的气辅共挤出。( 2 ) 气辅共挤出制品的挤 出胀大现象和黏性包围现象得到了极大改善，传统共挤出胀大率在3 5 以上， 而气辅共挤出胀大率在3 以下，相比传统共挤，在口模出口处，气辅共挤界面 的黏性包围程度减小3 0 以上；在螺杆转速较低的情况下( l o r p m ) ，气辅共挤 出产量增加约1 8 3 8 ，气辅共挤出和传统共挤出的制品外观质量无明显差 别；( 3 ) 气辅共挤出胀大和黏性包围会随入口流率及流率比的增大而略微增大， 但其增大的幅度远小于传统共挤。气辅共挤黏性包围程度受黏度比影响相对较 大，随黏度比增大而增长，增长率与传统共挤基本相同。 其次，讨论了建立聚合物完全滑移非黏着黏弹性口模共挤出数值模型的方 法，分析了气辅共挤成型过程的边界条件，提出以壁面剪切应力为零来代替气 垫膜层的作用，作为气辅共挤口模壁面的动力学边界条件。介绍了所采用的稳 态有限元求解技术，给出了有限元计算的方法和技术路线。随后对矩形截面和l 型截面气辅共挤口模内外两相聚合物熔体的成型流动过程做了有限元模拟，得 到并分析了速度场、压力场、应力场及温度场等相关物理场量，明确了气辅共 挤能消除挤出胀大，减小黏性包围程度并改善界面稳定性的根本机理。数值模 拟并分析了工艺参数、材料参数等对气辅共挤出胀大、黏性包围和界面剪切应 力的影响作用。主要结论有以下几点：( 1 ) 气辅共挤时两相熔体的速度场分布 摘要 均匀一致，熔体呈柱塞状挤出，在口模出口处熔体表面的剪切速率、切向应力 及法向应力均为零，气辅共挤流道内压降几乎为零，因而，气辅共挤能基本消 除共挤出胀大，有效减小口模内的压力降，减小能量损耗，可大幅提高挤出速 率，有效防止制品表面出现“鲨鱼皮”现象，从而全面提高共挤出制品的成型 质量和生产效率。( 2 ) 气辅共挤出胀大不受熔体黏度值或黏度比值大小的影响， 模外没有挤出胀大现象，气辅共挤出胀大率为零，这与实验结果基本相符。气 辅共挤出胀大不受松弛时间影响，不受g i e s e k u s 本构参数0 t 值影响。( 3 ) 气辅 共挤界面稳定性优于传统共挤界面的主要原因为：a 气辅共挤层间界面上y 向 和z 向速度值较传统共挤界面小，且其分布更为均匀，使得界面的推进和形成 更为平缓；b 气辅共挤能有效改善界面上的剪切速率分布，减小剪切速率峰值； c 气辅共挤使得界面上大部分区域的剪切应力值趋近于零，在入口区域存在剪 切应力，但其值远小于传统共挤；d 气辅共挤能有效减小界面上第一法向应力 差，n i 峰值减小可达2 7 。( 4 ) 气辅共挤出的黏性包围在口模入口汇料区域基 本上即已完成，受到聚合物熔体黏度比、p t 丁本构参数毛和流率比的影响较大， 基本不受松弛时间和绝对流率的影响。气辅共挤界面剪切应力最大峰值在口模 入口面上，随后迅速减小，在共挤流动大约1 0 m m 之后，铴值趋于稳定，材料 黏弹参数对龟峰值的影响也主要发生在口模入1 ：3 区域，一般随黏度比增大而增 大，随松弛时间增加而减小。无论是黏性包围还是界面剪切应力，对材料参数 或工艺参数的敏感性均远小于传统共挤。( 5 ) 随着气体入口位置向口模入口方 向推移，口模出口处的界面黏性包围程度逐渐减小，在口模入口和气体入口处， 共挤界面上的剪切应力峰值也逐渐减小，也即随着气辅共挤区长度增加，界面 稳定性也将得到提高。 最后，提出了气辅共挤成型的工艺条件和气辅共挤出口模的设计准则。指 出气体与熔体间压力差在0 1 m p a 以内，温度差在1 0 ( 2 之内时最利于形成稳定气 垫膜层。降低流率值并使得两熔体流率保持一致，可减小气辅共挤出胀大率和 黏性包围程度，增强界面稳定性。气辅共挤口模的进气缝隙厚度值取o 1 m m - - 0 2 m m ，气辅流道长度设置为3 0 - - 一4 0 m m 较为合理。 关键词：聚合物；气体辅助；共挤成型；数值模拟；有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y m e rc o - e x t r u s i o ni saw i d e l yu s e dm o l d i n gt e c h n i q u ed u et oe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c ep r o d u c t s h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m e p r o b l e m s ，s u c ha sc o e x t r u s i o ns w e l l ，v i s c o u se n c a p s u l a t i o na n d i n t e r r a c i a li n s t a b i l i t y t h e s ep r o b l e m ss e r i o u s l yr e s t r i c tt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc o e x t r u s i o n t h e p r i m a r y c a u s e sa r et h ev i s c o e l a s t i c i t yd i f f e r e n c eb e t w e e nm u l t i p h a s em e l t sa n d n o s l i pa d h e s i v es h e a r i n ge x t r u s i o nm e c h a n i s m t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h en e w g a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e d i nt h ep a p e rb yc o m b i n i n gt h e c o e x t r u s i o na n dg a s - a s s i s t e dt e c h n i q u e t h ep a p e rm a k e sat h o r o u g hr e s e a r c ho nt h i s n e w p r o c e s s i n gt e c h n i q u et h r o u g he x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s f i r s t l y , t h ep a p e rd e s i g n sar e c t a n g u l a rp r o f i l eg a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nd i ew i t h g a si n l e t ，a n de s t a b l i s h e st h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fg a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o n t h e n , t h es t a b l eg a s a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nc o n d i t i o n s ，t h ef a c t o r sa f f e c t e dt h es t a b i l i t yo ft h e g a sl a y e ra n dt h ee f f e c t s o fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nc o - e x t r u s i o ns w e l la n d e n c a p s u l a t i o ni ng a s a s s i s t e dc o e x t r u s i o na r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t s s h o wt h a t ：( 1 ) i ng a s a s s i s t e dc o e x t r u s i o np r o c e s s ，g a st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea r e t h et w o m o s tc r i t i c a lp a r a m e t e r s o n l yw h e nt h eg a st e m p e r a t u r ea n dg a sp r e s s u r ea l e e q u a lt ot h o s eo fm e l t si nt h ed i ec a nt h es t a b l eg a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nb e d e v e l o p e d ( 2 ) e x t r u s i o ns w e l la n dv i s c o u se n c a p s u l a t i o ni ng a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o n a r ee n o r m o u s l yd e c r e a s e d t h ed i es w e l lr a t i oi nt r a d i t i o n a lc o - e x t r u s i o ni so v e r35 ， b u ti ng a sa s s i s t e dc o e x t r u s i o n ，t h ed i es w e l lr a t i oi sl e s st h a n3 t h ed e g r e eo f v i s c o u se n c a p s u l a t i o ni ng a s - a s s i s t e dc o e x t r u s i o ni s3 0 l e s st h a nt h a to ft r a d i t i o n a l c o - e x t r u s i o n o nt h es a m ec o n d i t i o no fl o ws c r e ws p e e d ( 1 e s st h a nlo r p m ) ，t h eo u t p u t o fg a s a s s i s t e dc o e x t r u s i o ni s1 8 3 8 m o r et h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a l c o e x t r u s i o n t h e r ei sn oo b v i o u sd i f f e r e n c eb e t w e e ng a s a s s i s t e dc o - e x t r u s i o na n d t r a d i t i o n a lc o e x t r u s i o ni na p p e a r a n c eq u a l i t y ( 3 ) i ng a s a s s i s t e dc o - e x t r u s i o n , t h ed i e s w e l lr a t i oa n dt h ed e g r e eo fv i s c o u se n c a p s u l a t i o ni n c r e a s e ss l i g h t l ya st h ef l o wr a t e o ri t sr a t i oi n c r e a s e s t h ev i s c o s i t yr a t i ob r i n g sr e l a t i v e l yg r e a ti n f l u e n c eo nt h e v i s c o u se n c a p s u l a t i o n ，t h ed e g r e eo fe n c a p s u l a t i o na l s oi n c r e a s e sw i t ht h ev i s c o s i t y 1 1 1 a b s t r a c t r a t i o ，a n dt h eg r o w t hr a t ei st h es a m ea st r a d i t i o n a lc o - e x t r u s i o n s e c o n d l y , t h em e t h o do fb u i l d i n gv i s c o e l a s t i cn u m e r i c a lm o d e lf o rf u l l s l i pf l o w i nc o - e x t r u s i o nd i ei sd i s c u s s e d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d a n dt h e s h e a r i n gs t r e s so nt h ew a l lo fc o e x t r u s i o nd i ei ss e tt ob ez e r ot or e p l a c et h ef u n c t i o n o fg a sl a y e r , w h i c hi su s e da st h ek i n e t i cc o n d i t i o n so ft h ew a l l t h ek e ys o l u t i o n t e c h n i q u e so ff e ma d o p t e db yt h ep a p e ra l es t u d i e d ，a n dt h ew h o l er o u t i n et os o l v e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f3 dv i s c o e l a s t i cc o e x t r u s i o nf l o wi s p r e s e n t e d t h e n t h ep a p e rp e r f o r m sf e ms i m u l a t i o n sf o rt h ef l o wo f p o l y m e rm e l t si n s i d ea n do u t s i d e t h eg a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nd i ew i t hr e c t a n g l ea n dls h a p e ds e c t i o n ，o b t a i n st h e p h y s i c a lf i e l d ss u c ha sv e l o c i t yf i e l d ，p r e s s u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d b a s e do nt h e p e n e t r a t i n ga n a l y s i so ft h ep h y s i c a lf i e l d s ，t h ep a p e rr e v e a l st h ef u n d a m e n t a l m e c h a n i s mt h a te x p l a i n sw h yg a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nc a l le l i m i n a t ed i es w e l l ， r e d u c et h ed e g r e eo fe n c a p s u l a t i o na n di m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ei n t e r f a c e t h e i n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm a t e r i a l p a r a m e t e r so nd i es w e l l ，v i s c o u s e n c a p s u l a t i o na n ds h e a rs t r e s so fi n t e r f a c ei ng a sa s s i s t e dc o e x t r u s i o ni ss i m u l a t e d a n da n a l y z e d t i l em a i nc o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ：( 1 ) i ng a s a s s i s t e d c o - e x t r u s i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no ft w om e l t s v e l o c i t yf i e l di su n i f o i r ma n dt h em e l t sa r e e x t r u d e dl i k ear o d ；t h es h e a rs t r e s s ，t a n g e n t i a ls t r e s sa n dn o r m a ls t r e s so fm e l t s u r f a c ei nd i eo u t l e ta r ea l lz e r o ，t h ep r e s s u r ed r o pi nt h ed i ec h a n n e li sa l m o s tz e r o s og a s a s s i s t e dc o e x t r u s i o nc a l le l i m i n a t ec o e x t r u s i o ns w e l l ，r e d u c et h ep r e s s u r e d r o pa n de n e r g yl o s si nt h e d i ee f f e c t i v e l y , t h ee x t r u s i o ns p e e dc a l lb ei m p r o v e d g r e a t l ya n dt h e s h a r k s k i n o nt h es u r f a c eo ft h ep o l y m e rp a r t sc a nb ep r e v e n t e d e f f e c t i v e l y t h u s ，g a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nc a ni m p r o v eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e c o e x t r u d e dp a r t sc o m p r e h e n s i v e l y ( 2 ) i ng a s a s s i s t e dc o e x t r u s i o nt h ed i es w e l li s n o ta f f e c t e db yt h ev i s c o s i t yo rv i s c o s i t yr a t i oo fm e l t s n 玲s w e l lr a t i oo f g a s a s s i s t e d t o e x t r u s i o ni sz e r o ，a n dt h e r ea r er i oe x t r u s i o ns w e l lo u t s i d eo ft h ed i e w h i c ha g r e e s w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s n l ec o - e x t r u s i o ns w e l li sa l s on o ta f f e c t e db yr e l a x a t i o n t i m ea n dp a r a m e t e rao fg i e s e k u sc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ( 3 ) t h ei n t e r f a c es t a b i l i t yo f g a s - a s s i s t e dc o - e x t r u s i o ni ss u p e r i o rt ot h a to ft r a d i t i o n a lc o - e x t r u s i o n ，t h ep r i m a r y r e a s o n sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ：乱o nt h eg a s a s s i s t e dc o - e x t r u s i o ni n t e r f a c et h e v e l o c i t yo fi nya n dza x i sd i r e c t i o ni sl e s st h a nt h a to ft r a d i t i o n a lc o - e x t r u s i o n , a n di s i v a b s t r a c t d i s t r i b u t e du n i f o r m l y , s ot h a tt h ec o - e x t r u s i o ni n t e r f a c ea d v a n c e sa n dd e v e l o p e s g e n t l y ；b i ng a s - a s s i s t e dc o e x t r u s i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no fs h e a rr a t ei ni n t e r f a c ec a r l b ei m p r o v e de f f e c t i v e l ya n dt h ep e a kv a l u eo fs h e a rr a t ec a nb ed e c r e a s e d ；c i nt h e g a s - a s s i s t e dc o e x t r u s i o ns h e a rs t r e s si nm o s ta r e ao fi n t e r f a c ea p p r o a c h e st oz e r o ， a l t h o u g ht h e r ei ss h e a rs t r e s sa tt h ed i ee n t r a n c e ，t h ev a l u ei sf a rl e s st h a nt h a to f t r a d i t i o n a lc o - e x t r u s i o n ；d t h en o r m a ls t r e s sd i f f e r e n c ea tt h ei n t e r f a c ec a nb e d e c r e a s e de f f e c t i v e l y , p e a kv a l u eo fn id e c r e a s e sb y2 7 ( 4 ) i nt h eg a s - a s s i s t e d c o e x t r u s i o n t h ev i s c o u se n c a p s u l a t i o ni sa l m o s tc o m p l e t e da tt h ee n t r a n c eo f c o - e x t r u s i o nd i ew h e r et w op o l y m e r sc o n v e r g e t h ev i s c o u se n c a p s u l a t i o ni sa f f e c t e d b yp o l y m e rv i s c o s i t yr a t i o ，芎v a l u eo fp t t c o n s t i t u t i v ee q u a t i o np a r a m e t e ra n dt h e r a t i oo ft w om e l t s f l o wr a t e s i ti sa l m o s tn o ta f f e c t e db yr e l a x a t i o nt i m ea n df l o w r a t e t h ep e a ko fs h e a rs t r e s so ft h ei n t e r f a c ea p p e a r sa tt h ee n t r a n c es u r f a c e ，t h e n , d e c r e a s e sr a p i d l y t 1 1 ev a l u eo f 耽t e n d st ob es t a b l ew h e nt h em e l t sf l o w e da sf a ra s a b o u tlo m m t h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a lp a r a m e t e r so np e a kv a l u eo f 功，稀如 i n c r e a s e sw i t hv i s c o s i t yr a t i ob u td e c r e a s e s 埘t l lr e l a x a t i o nt i m e ，o c c u r sa tt h e e n t r a n c e f o rv i s c o u se n c a p s u l a t i o no rt h es h e a rs t r e s s ，t h es e n s i t i v i t yt om a t e r i a l p a r a m e t e r so rp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eb o t hf a rl e s st h a nt h a to ft r a d i t i o n a lc o - e x t r u s i o n ( 5 ) w i t ht h eg a si n l e tm o v i n gt o w a r d sd i ee n t r a n c e ，t h ev i s c o u se n c a p s u l a t i o nd e g r e e a tt h ed i ee n t r a n c ed e c r e a s e sg r a d u a l l y a tt h ed i ee n t r a n c ea n dt h eg a si n l e t ，t h ep e a i 【 o fs h e a rs t r e s so nt h ec o - e x t r u s i o ni n t e r f a c ea l s od e c r e a s e sg r a d u a l l y t h a tm e a n st h e s t a b i l i t yo ft h ei n t e r f a c ei m p r o v e sa st h el e n g t ho ft h eg a s a s s i s t e d c o - e x t r u s i o n i n c r e a s e s f i n a l l y , t h ep r o c e s sc o n d i t i o n sf o rg a s a s s i s t e dc o - e x t r u s i o na n dt h ep r i n c i p l e s f o rd e s i g n i n gt h eg a s - a s s i s t e dc o e x t r u s i o nd i ea r ep r o p o s e d i ti sp o i n t e do u tt h a tt h e s t a b l eg a sl a y e rc a nb ep r o p i t i o u s l yf o r m e dw h e nt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e ng a s a n dm e l t si sw i t h i n0 1m p aa n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sw i t h i nl0 r e d u c i n g t h ef l o wr a t eo fm e l t sa n dk e e p i n gt h e ms a m ec a nd e c r e a s et h ec o e x t r u s i o ns w e l la n d v i s c o u se n c a p s u l a t i o na n di m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ei n t e r f a c e f o rg a s a s s i s t e d c o e x t r u s i o nd i e ，t h ep r o p e rt h i c k n e s so fg a si n l e ti so 1m m - - 0 2 m m ，t h ep r o p e rl e n g t h o fg a s a s s i s t e ds e c ti s3 0 m m , - - 4 0 m m k e y w o r d s ：p o l y m e r ；g a sa s s i s t e d ；c o - e x t r u s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的快速发展以及高分子材料本身的优异特性日益为人们所发 现和利用，高分子材料已被越来越多地应用于工业、农业、国防、建筑以及人 们日常生活等各个领域。聚合物是高分子材料中最重要的材料之一，已成为继 钢材、木材、水泥之后人类使用的第四大类材料。聚合物制品的品种与日俱增， 产量逐年提高，应用领域不断拓宽，经过近2 0 年的快速发展，我国的塑料工业 已迈入世界大国的行列，塑料制品和塑料机械的产量均居世界前列n 卅。 聚合物从原料合成到制品之间要经过一系列复杂的工艺过程。聚合物成型 过程不仅使材料获得一定的形状、尺寸，而且赋予聚合物材料最终的组织与性 能。聚合物成型的方法主要有注射成型、挤出成型、吹塑成型、压延成型、模 压成型等。在这些成型方法中，挤出成型占据了显著的位置，约有1 3 1 2 的聚 合物制品是通过挤出加工成型的呻q 引。与其它成型方法相比，挤出成型具有生产 过程连续、生产效率高、产品类型多，适用范围广等优点。 聚合物挤出成型是一个连续性过程。图1 1 挤出成型异型材的工艺过程，将 粉末或粒状形态的聚合物加入到挤出机筒中，在螺杆或柱塞的作用下，聚合物 沿螺槽或机筒向前移动，并逐渐熔融而成为黏流体，然后通过设置在机筒端部 的机头口模形成截面与口模形状相仿的连续体，最后经冷却定型，成型为所需 形状的制品。 l23456 w 瞄l lj 7 1 ( ) 7 ( )7 iu ii，r 、，r 、， u i、fp 7 图1 1 塑料异型材挤出生产过程示意图 l 一挤出机；2 一机头；3 一定径套；4 一冷却装置；5 一牵引装置：6 一切割机 第1 章绪论 随着社会的进步，人们对聚合物制品的外观、性能、功能以及经济性提出 了更高的要求，同时，各种新聚合物品种的出现以及对成型产品的特殊要求， 对聚合物成型加工提出了各种新的挑战。人们开始不断寻求新的聚合物成型加 工方法，在塑料挤出加工领域内也不断出现各种新型挤出成型技术，例如：已 经得到广泛应用的复合共挤成型技术、近些年出现的振动挤出成型技术以及最 新的气辅挤出成型技术。这些新技术符合聚合物成型加工高速化、精密化、低 能耗以及绿色环保的发展趋势，已成为当前聚合物成型加工领域的研究热点。 1 2 聚合物共挤成型技术 1 2 1 共挤成型技术简介 聚合物共挤成型是2 0 世纪七十年代发展起来的一种挤出成型技术，它通过 两台或多台挤出机同时供给不同的熔融物料，使具有不同特性的物料料流在单 个共挤机头中汇集，复合成型得到具有多层复合结构的制品。共挤成型属单步 复合成型技术，相对传统多步复合成型工艺，共挤成型省却了烦琐的复合工艺 和设备，可以不使用黏结剂，不产生三废物质，大大降低了成本，保护了环境。 共挤成型可使成型的制品兼有几种不同材料的优良特性，从而实现材料在性能 上互补，提高产品性能。共挤成型还可有效使用回收塑料，可将回收料放在中 间层，这样既保证了产品外观质量和性能，又节约了资源，降低了成本。 共挤成型已经成为一种非常重要的聚合物成型工艺，该技术已被广泛用于 异型材、板材、管材、多层复合薄膜和电线电缆等产品的生产。 1 2 2 共挤成型技术的应用 l 、共挤塑料异型材 塑料异型材共挤成型工艺按照共挤制品的成型状态可以分为前共挤和后共 挤两类。前共挤是指两种材料在尚未完全成型的过程中实现复合成型，也称为 模内共挤；后共挤是指一种材料已完全成型之后，再与另一种材料实现复合成 型的共挤成型方式。相对前共挤而言，后共挤更便于废料回收n 卜捌。 前共挤技术是一种单次成型的成型工艺，由两台或两台以上的挤出机向同 2 第1 章绪论 一成型模具挤出具有不同黏弹特性或不同颜色的熔融物料，这些聚合物熔体在 成型模具中各自的流道内流动，然后在口模处汇合挤出，并在定型套中冷却定 型。这个过程中，多相熔体是在口模内复合，因而其层间粘结强度很好，且可 调整共挤型材的厚度分布，但是由于两相熔体黏度、压力不同以及流场分布具 有差异，各层物料在口模中易产生不稳定层流，使得共挤界面不稳定、层厚分 布不均，严重影响产品质量。此外，两相或多相熔体的黏度差异还会使挤出熔 体在冷却定型时产生定型困难，比如进入定型模时易堵塞，使得工艺过程较为 复杂和难以控制，需要结构合理的模具和熟练的生产技术来保证产品成型质量。 目前对于黏结强度要求较高以及截面形状较复杂的异型材共挤出大都采用前共 挤技术。本文研究的气体辅助共挤出成型也属于前共挤技术。 后共挤技术的实质是将前共挤的一次成型过程分解为两次单独的挤出成型 过程。首先挤出基材，待其定型后，再挤出辅材与基材复合成型。在各次挤出 成型中，口模流道内只有一种熔体的流动，这样就简化了工艺，使成型过程易 于控制，模具的设计制造相对更为简单，还可提高复合共挤制品的形状尺寸精 度。目前，该技术主要应用于制造带密封条的门窗用异型材n 。对于后共挤成 型，最为关键的技术问题是在冷与热、软与硬的材料结合过程中如何保证各种， “ 物料的粘接强度。此外，如何获得高质量的外观也是需要引起重视的关键问题 ( 1 3 】 2 、共挤复合管材 ? 多层共挤复合管材中比较典型的是铝塑复合管和芯层发泡复合管。 铝塑复合管是一种由p e 、热熔胶、铝合金、热熔胶、p e 五层组成的新型环 保化工建材。它结合了塑料和金属的优点，与金属管和塑料管相比在力学性能 和化学性能等方面都具有优势。铝塑复合管也有其缺点和局限性，主要表现在： 1 ) 铝塑复合管的连接不能用熔接和粘接，必须使用专用的金属管件，把铝塑复 合管套入管件后径向加压锁住；2 ) 铝塑复合管不能回收重做；3 ) 铝塑复合管 的直径范围限于较小的范围；4 ) 铝塑复合管生产的工艺和设备比较复杂。上述 问题使得铝塑复合管的生产和使用成本较高。该项技术最早由i t z h a kb a m o a c h 提出申请专利n 引，而后国外的k i t e c h 公司、优尼科公司和柯劳博公司等对管材 结构、加工设备以及制造技术等多方面进行了改进和完善，铝塑复合管成品的 性能得到极大提升，西方国家在上世纪九十年代初即开始商品化应用铝塑复合 管。而我国起步较晚，上世纪九十年代中期才开始引进铝塑复合管的相关生产 第l 章绪论 技术，进行铝塑复合管的生产和应用。 芯层发泡共挤p v c 管材内外层均为p v c ，中间层为发泡p v c 。中间层的密 度仅为0 7g c i n 3 o 9 9 e m 3 ，其发泡孔形成了空气隔离区，能较为有效地降噪隔 音，保温节能，并减轻重量。另外，与具有同样使用性能的其它产品相比，发 泡结构可节省1 5 的p v c 用量，极大地降低了原料成本。当前已被广泛用做通 风排气管、污水排放管、低压给水管以及电话通信、电视宽带等的电缆套管等n5 1 。 生产p v c 芯层发泡管材有三种工艺方法，分别采用1 台3 台挤出机挤出。两 台挤出机共挤可比单台挤出机挤出节约成本约2 3 ，三台挤出机共挤比单台挤 出机挤出节约成本3 0 n 刮。因此，当前生产大型p v c 芯层发泡管材的主要方法 是采用三台挤出机共挤。生产芯层发泡管最为关键的设备之一是共挤机头，在 设计时应使机头流道平缓过渡，尽量避免截面的急剧变化，这是因为一般熔融 物料均包含有挥发性气体，流道设计不合理容易使得物料在流道内发泡，使得 最终制品的密度不均匀。我国芯层发泡管于二十世纪九十年代开始生产应用， 近年来已经引进国外几十条共挤出芯层发泡管材生产线，目前我国已有上百条 生产线，有力促进了我国芯层发泡管的生产与应用n 7 1 。 3 、复合薄膜共挤 高性能多层复合薄膜一般由基材、阻隔材料和粘合剂组成。多层复合薄膜具 有阻隔性好( 对氧和水汽) 、强度和耐穿刺性高、热封性好等优点，还具有较好 的防雾、防滑和着色性能n 引。因此，多层复合薄膜在包装领域的应用很广泛。 多层复合薄膜的主要生产方法有：干式复合法、湿式复合法、挤出复合法、 热熔融复合法和共挤出复合法等。共挤出复合法是由二台或三台挤出机同时成 型加工可得二层以上的薄膜，有t 模头法和吹塑法，能进行多层复合，可产超 薄形薄膜，其工艺设备投资较小、生产成本低而且环保无污染，是一种国际上 推广使用的新工艺。当前，发达国家共挤包装薄膜占整个软塑包装材料的4 0 ， 而我国仅占6 左右，且仍然以干法复合膜为主。国内生产的阻隔性薄膜大多应 用在低端产品的包装，性能优良的阻隔性薄膜仍需要大量进口。 多层共挤复合薄膜的生产关键是要保证各层的厚度及各层厚度的均匀性。 这涉及到黏性包围及共挤界面层的稳定性问题，主要通过选择适当材料组合以 及设计合理的共挤机头来保证产品质量。 4 、电线、电缆包覆共挤出 4 第1 章绪论 电线包覆共挤出就是将多层( 通常为两层) 塑料熔体从多台不同的挤出机 中挤出，然后汇合于一个口模中n 3 j 引。采用双层或多层共挤出工艺能制造出性能 更为优异的各种电线电缆产品。若多次分开挤出生产多层包覆线缆，内层绝缘 表面可能会受到污染和损伤，影响产品性能，采用多层共挤可以避免出现类似 问题，使相临的两绝缘层之间粘结紧密，并能保证其同心度，提高产品质量。 同单螺杆挤出一样，在共挤出过程中需要考虑挤出胀大、熔体破裂以及在高速 生产导线时温升过高等问题。此外，还需考虑层间界面的稳定性和黏性包覆等 问题。多层共挤出新工艺对于提升电线电缆产品的性能、增加产品种类、提高 假冒伪劣产品的造假难度、降低生产成本等方面都有重要意义。但要提高此类 产品的质量和性能，必须要考虑到两种或多种共挤出聚合物的流变性能差异、 对影响层间界面位置、应力及速度分布等的诸多因素进行深入研究。 1 2 3 共挤成型的技术难置 嘶 ， 如前所述，传统共挤成型具有很多其它成型工艺无法取代的优点，但聚合 物共挤成型是一个复杂过程，其自身也存在一些阻碍其发展的技术难题，主要 有以下几点： ( 1 ) 两相或多相聚合物熔体共挤成型流动过程中，黏度较低的聚合物熔体 有包覆黏度较高聚合物熔体的趋势，若流道