（机械设计及理论专业论文）双腔医用导管的气体辅助成型设备与工艺研究.pdf

摘要 双腔医用导管的气体辅助成型设备与工艺研究 摘要 双腔医用导管是一类特殊的中空异型管材，具有截面尺寸小、内 腔形状不规则、壁厚不均匀的特点，对成型设备与工艺要求严格，与 传统的管材挤出存在较大差异。 本文研制出精确气体流量控制系统并将其引入挤出过程，向双腔 注入恒流量气体辅助熔融态p a l 2 挤出成型，是一种新颖的导管成型工 艺。为得到较好的导管截面形状，本文从材料的流变特性、机头设计、 注气流量的控制以及挤出工艺参数的调节四个方面进行了实验研究， 得出的结论对双腔导管的挤出成型有定的参考作用。 导管挤出过程中，熔体粘度的影响显著。本文首先对p a l 2 材料特 性进行了毛细管流变测试，分析了粘度与温度、剪切速率之间的关系， 为挤出温度的控制提供了重要的参考依据。基于气体辅助成型的机头 口模、芯棒、注气孔和对中调节设计，是本文的一大特色。 本课题重点研究不同气体流量下的高聚物熔体壁的变形情况，并 用挠度对这种变形趋势进行表征。挠度用二次抛物线进行了拟合，较 好的反映了实验结果，并探讨了抛物线二次项系数的变化规律，同时 还建立了熔体壁厚与注气流量之间的关系。针对双腔医用导管的不规 则截面，提出了椭圆度和壁厚均匀度两个截面形状表征参数，并研究 了机头温度、螺杆转速、牵引速率和注气流量对两个表征参数的影响， 北京化t 人学颁i ，学位论文 优化了挤出工艺参数。为满足医用要求，最后对医用导管的双腔流速 进行了实验测量和理论计算。 关键词： 气体辅助成型，双腔导管，挤出工艺，注气流量，截面形状 i i 摘要 g a sa s s l s t e dm o l d i n ge q u i p m e n t a n dp r o c e s s l n gs t u d yo n d o u b l el u m e nm e d i c a lc a t h e t e r a b s t r a c t d o u b l el u m e nm e d i c a lc a t h e t e ri sak i n do fs p e c i a lh o l l o wp r o f i l et u b e w i t hs m a l lc r o s s - s e c t i o n ，i r r e g u l a rs h a p eo fi n n e rl u m e na n dn o n u n i f o 瑚 w a l lt h i c k n e s s ，w h i c hi ss t r i c tt oe x t m s i o ne q u i p m e n t sa n dp r o c e s s i n g i t d i f r sf o mt r a d i t i o n a lt u b ee x t m s i o np r o c e s s i n g i nt h i s d i s s e r t a t i o n ， g a sn o wc o n t m l l e rs y s t e m w a s d e s i g n e d i n e x t 兀l s i o np r o c e s s ，p r e c i s i o ng a sf i o wc o n t r o l l e rs y s t e mi n j e c t sc o n s t a n t n o wg a st od o u b l el u m e no fp al2m e l tt oa s s i s tm o l d i n g ，w h i c hi sa n i n n o v a t i o n p o i n t o ft h ed i s s e n a t i o n i t i sa l s oan e w - s t y l ee x t m s i o n p m c e s s i n go fc a t h e t e r s i no r d e rt oo b t a i ng o o dc r o s s s e c t i o ns h a p eo f c a t h e t e r ，p a l2 r h e o l o g i cb e h a v i o r ，d i ed e s i g n ，g a sn o wa n de x t m s i o n p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s w e r es t u d i e do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s t h e c o n c l u s i o n sw i l lg u i d ee x t r u s i o np r o c e s s i n go fm e d i c a lc a t h e t e r s 【e l tv i s c o s i t yh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ne x t r u s i o no fc a t h e t e r s f i r s t l y ，p a l 2w a st e s t e db yc a p i l l a 叫r h e o m e t e r t h er e l a t i o n s h i p 锄o n g v i s c o s i 吼t e m p e r a t u r ca n d s h e a rr a t ew a se s t a b l i s h e d ，w h i c h p r o v i d e i m p o n a n tr e f b r e n c ef o rt e m p e m t u r ec o n t r o ld u r i n gc a t h e t e re x t l l l s i o n t h e i ! ! 星些! 叁兰竺! ：兰丝笙兰 d e s i g no fd i e s ，m a n d r e l ，g a sh o l ea n dc e n t e r i n ga d j u s t m e n tb a s e do n g a s a s s i s t e dm o l d i n gi sab i gf e a t u r e t h ek e ys t u d yi st h ed e f o n n a t i o no f p o l y m e rm e l tw a l la td i f 五。r e n tg a s f l o wi nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hw a sa t t “b u t e db yd e n e c t i o nc u e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a td e n e c t i o nc u eo f al2m e l tc o n f o n n e dt o s e c o n d - d e g r e ep a r _ a b o l a ! o r e o v e r ，t h ec h a n g i n gi 、l l e so fs e c o n d d e g r e e c o e f f i c i e n tw e r ed i s c u s s e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e l tw a l it h j c k n e s s a n dg a sf l o ww a sf o u n d 1 1 0a t t r i b u t em e d i c a lc a t h e t e r sc r o s s s e c t i o ns h a p e ， e l l i p t i c i t ya n dw a nt h i c k n e s su n i f o n n i t yw e r ep r e s e n t e d t h ef a c t o r sw h i c h i n f l u e n c e ds h a p eo fc a t h e t e rc r o s s s e c t i o n ，i n c l u d i n gd i et e m p e r a t u r e ，s c r e w r o t a t i o n a ls p e e d ，t r a c t i v er a t ea n dt h eg a sf l o ww e r ea n a l y z e d ，w h i c hm a d e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so p t i m i z e d a tl a s t ，n o wv e l o c i t yo fd o u b l el u m e n w a sm e a s u r e de x p e m e n t a l l ya n dc o m p u t e dt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：g a s a s s i s t e dm o l d i n g ，d o u b l el u m e nm e d i c a lc a t h e t e r ， e x t r u s i o np m c e s s i n g ，g a sn o w ，c r o s s s e c t i o ns h 印e 符号说明 符号说明 聚合物熔体表观粘度，p a s 剪切速率，s - 非牛顿指数 幂率模型常数 a m l e n i u s 方程常数 摩尔气体常数，一般取8 3 1 j m 0 1 k 高聚物的粘流活化能，k j m o l 温度，k 口模内径，m m 芯棒直径，m m 挤出机机筒内径，m m 管材外径，m m 管材内径，m m 拉伸比 管材壁厚，m m 分流锥扩张角，” 分流锥压缩角，。 分流锥尖角处圆角半径，m m 定型段长度，m m 气体体积流量，m l m i n 流量控制器入口压力，k p a 流量控制器出口压力，k p a 层流元件半径，m m 层流元件长度，m m 异型材双腔面积比 异型材中壁厚度，m m 异型材中壁变化曲线 异型材中壁长度坐标，m m 抛物线二次项系数 双腔导管外圆最大处直径，i 砌 双腔导管外圆最小处直径，咖 _ ，n 七c r 岛t d卉玩研仍且j a 卢r 西q 竹n r 彳，4 蕾历巩 北京化t 人学侦1 学位论文 双腔导管椭圆度 图5 5 导管左侧壁厚，m m 图5 5 导管左侧壁厚，m m 图5 5 导管左侧壁厚，m m 双腔导管壁厚均匀度 双腔导管直径，m m 牵引速率，c 耐m i n 一次拟合直线截距 一次拟合直线斜率 粘滞性流体的动力粘度，n s i n 2 流速，l t i s 作用在流体上的体积力，n 水的密度，m 3 恒液位玻璃容器与被测导管垂直高度，m m x i v y西如以d矿 4 6 吁v 口 p 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在互年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：芝盟翌。垒：圭 日期：趟：! ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 气体辅助技术在高聚物成型中的应用 挤出和注射是塑料制品的两种重要成型方法。在加工过程中引入带压气体辅 助成型，利用了气体易于调节和控制压力和流量的特点，使得挤出和注射成型工 艺趋于多样化，在聚合物加工成型过程中的应用越来越广泛，典型应用如：薄膜 吹胀成型、气体辅助挤出、发泡挤出成型、气体辅助注射成型等。本文的气体辅 助技术是指，将注气条件引入挤出过程，以达到辅助高聚物截面形状成型的目的。 1 1 1 气体辅助技术在薄膜吹胀成型中的应用 塑料薄膜吹胀成型是气体辅助成型的一种具体应用。它的整个成型过程可以 分为：型坯形成、型坯吹胀以及冷却和固化三阶段。在吹膜生产过程中，熔体从环 形机头口模中挤出，从机头内出来的管膜被一对牵引辊纵向拉伸，与此同时，借 助于压缩空气对管膜进行横向吹胀，熔体管膜在冷却空气流作用下冷却定型。风 环【1 】是用来冷却和稳定膜泡的装置，从风环出来的空气流作用在膜泡上，在此处空 气与膜泡进行热交换达到冷却膜泡的作用。在吹膜过程中，压缩空气用来调节膜 泡内部压力以及决定着膜泡内部空气量的多少，同时决定着膜泡横向吹胀程度和 分子取向的程度。 吹塑过程中，压缩空气吹胀型坯使之发生横向变形，p e a r s o n 和p e t r i e 【2 】f 3 1 ，最 早建立了吹膜理论的数学模型。薛平在p e a r s o n 和p e t r i e 【2 】【3 】基础上，优化了数学 模型，主要特点：能量平衡方程模拟非等温吹膜过程；幂律流体代替牛顿流体并 考虑了熔体密度与温度的关系；在力平衡方程中考虑了重力、惯性力等因素的影 响，并最终得到膜泡形状、厚度和温度的变化规律，优化了吹膜过程。在型坯吹 胀的实验研究主要包括两个方面：一方面是型坯吹胀动力学研究，另一方面是型 坯吹胀完毕后，型坯壁厚尺寸的测量。最早建立实验装置对型坯吹胀动力学研究 的是m u s ar k a m a l 、c t o ft a n 和d i l h a j lk a l v o n i ”。他们自行设计透明吹塑模具， 并用两台摄像机来拍摄型坯在模具内的胀大行为。r y a n 和d u t t a 【5 】利用摄像技术在 无模具条件下监测了型坯的自由膨胀行为，并得到了型坯胀大尺寸。w a 印e r 和 k a l y o n 6 】在k a n l a l 【4 】基础上再设计，内部装有固体压力传感器，它可测量型坯吹胀 时的压力，同时另一压力传感器装在模具型腔的飞边上，这样，两传感器就可测 量吹塑过程中吹塑阶段型坯内外的真实压力差。他们用此装置研究了三种p a _ 6 在 吹胀压力下对吹胀行为的影响。 北京化丁人学倾i ：学位论文 最近，y o n gl i 等7 】使用可以测得瞬时表面外形的高速光学测量系统柬测量聚 合物薄膜的胀大行为。聚合物薄膜型坯两端固定在两平板问，通入压缩空气至压 力腔使聚合物薄膜型坯胀大。光学探头内有c c d 摄像机和光栅发射器。测量时， 光栅发射器发射光栅投到聚合物薄膜型坯表面，光栅随着聚合物薄膜型坯变形而 变形，因此光栅图中就包含了聚合物薄膜型坯表面外形的信息。摄像机快速拍摄 到光栅图并送入计算机内处理就可得到聚合物薄膜型坯胀大尺寸。m c d l 是多通 道数据集线器，它可同时采集压力和光栅图信号以便得到胀大过程中压力与聚合 物薄膜型坯外形之间的关系。d i d e r i c h s 等( 8 1 使用置于模具内的超声波传感器来测量 壁厚分稚。在超声波传感器内压电晶体产生豹短超声波在物体，之后被物体壁面 反射，返回传感器。被测量物体的壁厚就等超声波在物体内的速度乘超声波在物 体内传送所需时间的一半。 1 1 2 气体辅助技术在气辅挤出成型中的应用 气体辅助挤出作为一种全新的聚合物口模挤出成型手段，近年来得到了长足 的发展。在传统的挤出成型过程中，特别是异型材的挤出过程中，塑料熔体在模腔 中的复杂流动使得各点的剪切速率不能完全致，造成塑料熔体处于不同的应力 状念生产的制品也有较大的内应力，存在较大的翘曲变形倾向，尤其是模腔中同 一断面不同部位的剪切速率存在差异，挤出物出口膨胀又随着剪切速率的增大而 成比例地增加，从而造成离丌口模的挤出物断面不能和口模形状完全一致。 英国的r l “a 】1 9 等【9 j 在2 0 0 0 年首次提出聚合物气体辅助挤出成型技术( g a s a s s i s t c de x t u s i o n ) ，其创新在于通过气体辅助挤出控制系统和气体辅助挤出口模， 使聚合物熔体和口模之问形成气垫膜层，使原来的非滑移粘着口模挤出方式转化 为气垫完全滑移非粘着口模挤出方式，从而可取得明显的口模减粘降阻的效果。 南昌大学黄兴远等【j 0 】对气辅挤出进行了实验研究，建立了气辅挤出实验装置并 进行了实验研究，实验中在口模内壁和聚合物熔体之间建立了稳定的气垫膜层。 研究了气体压力、气体温度和实验过程对气辅挤出中气挚膜层的影响。形成稳定 的气挚膜层，应使气体压力低于熔体压力，但在o 2 m p a 以上，气体温度控制在与 口模温度接近，实验时应先打开压力控制阀再进行挤出，并分析了气辅挤出对口模 压降、挤出机产量及挤出胀大的影响。从中我们可以看出，气体辅助挤出成型工 艺作为一种新工艺有以下优点： n ) 有效地减少聚合物挤出产品的变形： ( 2 ) 提高产品的尺寸精度； ( 3 ) 改善和提高内在质量及外观质量： ( 4 ) 实现商粘度聚合物在低耗低温条件下的高速挤出； 2 第一章绪论 ( 5 ) 提高模具的寿命，降低成本。 出于气辅挤出成型不同于传统的挤出成型技术，它需要重新设计挤出口模，并 将气辅装置和挤地结合起来。气辅挤出系统主要由以下三部分组成气辅挤出控制 系统、传统的挤出机和经过改造的气辅挤出口模。鄢超等幢1 指出了气辅挤出成型 的关键是：( 1 ) 气体挤出数值；( 2 ) 确定气体控制压力；( 3 ) 确定控制温度。 1 1 3 气体辅助技术在发泡挤出成型中的应用 w a l d m a n 在1 9 8 2 年首次提出连续挤出微孔塑料的概念。连续挤出发泡的 般过程是将高压气体注入挤出机机简后，达到熔融状态的聚合物通过螺杆的剪切 混合作用，与注入的气体形成聚合物气体的均相溶液。微孔发泡塑料挤出成型主 要是以超临界c 0 2 作为物理发泡剂，通过引发c 0 2 聚合物均相体系处于热力学不 稳定状态来获得的。微孑l 发泡塑料的连续挤出过程为：首先将超临界流体在一定温 度和压力下注入聚合物熔体中，形成流体聚合物的均帽体系：然后通过快速降压 元件( 特殊喷嘴、熔体齿轮泵、快速释压元件等【1 4 】) ，熔体压力快速下降，使发泡 剂在聚合物中的溶解度突然降低，造成体系的热力学不稳定，从而发生相分离， 在体系内部形成大量细小的泡核；气体的逐渐析出使得泡核进一步长大，最后冷 却定型。超临界流体注入系统是物理发泡中的关键装置，北京化工大学塑料机械 及塑料工程研究所，自行研制出超临界流体注入系统。该装置可控制注入的超临 界c 0 2 的温度、压力以及注入量。该装置包括超临界流体发生装置及计量注入部 分。超临界流体注气系统其基本原理如图l l 所示： 机筒 b 储 二面撕 气 连 吼 图l 一1 注气系统原理图 f g 1 1t h ed i a g r 啪o f t h eg a si n j e c t i o ns y s t e m 超临界流体发生装置的工艺流程如下：c o z 气瓶内的气体先进入净化器进行净 化，随后进入冷凝器。待气体形成稳定的c 0 2 液体后进入储罐，再利用高压泵将 储藏罐内的c 0 2 液体压入储气罐，储气罐中的c 0 2 流体经减压阀减压进入加热器 ( 该加热器内设一只高温储罐) ，减压阀可以对加热器内的高温储罐中的压力进行 自动调节( 稳压) ，这样加热器就成为一个压力、温度较稳定的容器，其压力可以 由减压阀设定并稳定，其温度由一加热器设定并控制。经过此工艺过程后，c 0 2 北京化丁人学倾i 学位论立 气体可变成温度、压力可调的超临界c 0 2 流体。 1 1 4 气体辅助技术在注射成型中的应用 气体辅助注塑成型技术是一项新兴的塑料注射成型技术，其原理是利用高压 气体在塑件内部产生中空截面，利用气体保压代替塑料注射保压，消除制品缩痕， 完成注射成型过程。气体辅助注塑成型的工艺过程主要包括塑料熔体注射、气体 注射、气体保压三个阶段。根据熔体注射量的不同，又分为短射和满射两种方式， 在短射方式中，气体首先推动熔体充满型腔，然后保压；在满射方式中，气体只 起保压作用。气体辅助注塑技术解决了制件表面缩痕问题，能够大大提高制件的 表面质量；增加制件的强度和尺寸稳定性，并降低制品内应力，减少翘曲变形； 简化了制品和模具设计，降低模具加工难度：降低了模腔压力，减小锁模力，延 长模具寿命：使冷却加快，生产周期缩短。 在塑料注射成型领域，氮气气体辅助注射【1 5 1 作为一项先进的成型技术，因其 在产品的质量、结构、刚度以及成本等方面比传统的注射成型方法有着诸多的优 点，j 下在被国内众多的注射成型厂家采用。氮气气体辅助注射使用的主要设备就是 氮气发生器和气体辅助注射控制台( 简称气辅控制台) 【。其工艺过程是氮气发 生器将其产生的高压氮气( 2 0 一2 5 m p a ) 导入气辅控制台，气辅控制台通过内部的 气路控制系统将氮气于预定时问内减压至预设的工艺压力，在熔融的树脂部分或 全部注入型腔后，立即被注入模具的中空气道中，利用气体推动熔体完成充模过 程或填补因树脂收缩后留下的空隙，形成中空塑料件i ”】。气辅控制台采用闭环回 路控制，采用小气量控制大气量的比例放大阀，使整个回路具有反应灵敏、精度高、 响应快、安全可靠等优点。气体辅助装置是气体注塑成型的重要装置。气体辅助 装置 18 】由标准氮气发生器、气体压力制备系统、特殊气体压力控制单元、气体回 收装置及注气喷嘴等组成。 ( 1 ) 氮气发生器提供注射所需的氮气。 ( 2 ) 控制单元包括压力控制阀和电子控制系统。控制单元是将压力控制阀直接 安装在注射机上，使控制单元和注射机成为一个整体。 ( 3 ) 气体辅助成型技术中，注射气体必须达到一定的压力。常用的生压法是采 用压缩机将氮气压力强化到预定的压力水平。压力出相配合的阀在注气点释入。 ( 4 ) 气体回收装置用于回收气体注射通路中残留的氮气。 在气体辅助注射成型中，气体引入形式【l9 】一般分为三种： ( 1 ) 气体可通过注射喷嘴进入流道系统内，再进入制品中； ( 2 ) 气体可通过注射销进入流道系统内，再进入制品中； ( 3 ) 气体可直接注射到模腔内。 4 第一章绪论 1 2 医用塑料导管成型技术发展与现状 医用导管属于小截面异型管材，种类繁多，医疗领域应用广泛。其加工难度 大，技术含量高，附加值也高。仅以介入导管为例：导管的介入治疗是近年来发 展很快的一种医疗技术，它主要依靠医用塑料导管为工具，借助x 射线，超声波 等仪器的监视，将导管插入人体实施疾病的诊断、治疗及临床监护，是比药物治 疗外的一种更有效的治疗手段。 与国外发达国家相比，我国医用导管的发展非常落后，尤其是高技术含量的 介入导管等医用塑料制品几乎是空白。据不完全统计，中国每年进口的各类导管 超过1 5 亿元，各类导管的消耗占中国1 5 0 亿医疗器械销售额的7 8 f 2 。目前， 我国高附加值的医用管材，如透析用管、人工血管、介入导管等主要依赖进口。 因此，丌展医用导管成型加： 方面的研究具有巨大的社会价值和社会效益。医用 导管是实施介入诊疗的必要装置，除了导管使用的材料之外，相关的精密成型技 术、特殊加工技术、粘合技术、表面改性技术等，是塑料导管科研人员不断努力 的研究课题。 1 2 1医用塑料导管材料概述 医用导管材料种类多样，用于医用塑料制品的有机高分子材料多达数十种， 以其不同的性能用在不同用途的产品上。医翊塑料是具有一定生物相容性、良好 加工性和耐压性能的合成高分子材料。导管材料是决定导管性能的关键，随着材 料科学的发展，新材料不断应用于导管的管材。 目前，医用导管常用材料主要有：e t f e ( 乙烯四氟乙烯共聚物) 、f e p ( 氟 代乙烯丙烯聚合物) 、p f a ( 全氟烷氧基聚合物) 、p t f e ( 聚四氟乙烯) 、聚酰胺( p a 6 ， p a l l 和p a l 2 ) 、p e b a x ( 聚醚嵌段聚酰胺) 、p c ( 聚碳酸酯) 、p u ( 聚氨酯) 和 聚烯烃类等。r i c h a r dj z d r a h a l a 等研制出了系列新型聚氨酯，其表观硬度可 在邵d 4 5 到邵d 7 5 内变化，以适应制造不同用途的介入导管对机械性能的不同要 求。m u t l u 等【2 2 】研制出了一类亲水性聚氨酯，当与水性溶液接触时，由这种聚氨酯 制成的介入导管能够膨胀变得相当柔软并使内腔变大以有利于诊疗剂的注入。 0 n w u n a k a 等1 23 研究了几种热塑性聚氨酯的混合物用作制造介入导管，在提高力学 性能和血液相容性方面均取得较好的效果。美国t e k n o r a p e x 公司【2 4 】为替代乳液橡 胶和软p v c ( 加增塑剂) 研制出热塑性弹性体( t p e ) 配混料，用作制各医用导 管的原料。乳胶管会使一些医护保健工作人员产生过敏反应，t e k n o r 公司的苯乙 烯系列嵌段共聚物不会发生这些不良反应，且产品某些性能还有所提高。尼龙、聚 5 北京化_ 大学硕上学位论文 四氟乙烯以及尼龙和聚氨酯或其它材料的合金是生产高级介入导管的首选原料 ，这种导管加：i ：难度较大，且附加值也极高，如p t c a ( 经皮腔内冠状动脉成形 术) 导管。本研究课题实验用材料主要涉及尼龙1 2 ( p a l 2 ) 。 1 2 2 医用塑料导管成型技术现状与进展 医用塑料导管属于小截面中空异型管材，具有如下特点： ( 1 ) 横截面积小，管材外径小； ( 2 ) 截面形状复杂不对称，例如一个圆管截面中有多个不规则内孔； ( 3 ) 壁厚不均匀，有时壁厚相差几倍甚至十几倍。 小截面异型管材的挤出在我国无论是基础性研究，还是生产技术、设备的丌 发应用都相对较少。由于导管管径较小，相应挤出模具的尺寸也较小，加工精度 较高，对挤出模具的设计与制造提出了更高的要求。影响精密挤出成型制品质量 的因素主要包括设备因素和工艺因素两个方面【2 “，其中设备因素主要是指螺杆特 性及加料方式，目前的挤出设备有多种类型，区别于传统的挤出机【2 7 】 2 8 】，而工艺 因素则主要是指转速、温度、压力等参数的波动。在众多的工艺影响因素中，机 头中的熔体温度与机头压力是影响稳定挤出与最终制品质量的最为关键的因素。 由于小截面异型管材的挤出成型过程相对复杂【2 ，使得挤出过程的控制难度 较大，导致挤出制品的成型精度较低。为了提高挤出过程的稳定性、均匀性和可 靠佳，人们从挤出过程机理模型、挤出机优化设计、成型工艺条件控制、成型辅 机控制等方面做了大量的基础理论研究工作，研制了多种形式的螺杆，丌发了熔 体泵、冷却定型装置等辅助设备，这些工作为单螺杆精密挤出机理研究奠定了良 好的基础【如删】。北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所紧密追踪国外先进技术， 对于精密挤出作了不少卓有成效的研究工作，提出了高聚物精密挤出概念【3 2 j 【3 3 】。 将精密塑化技术、高精度驱动技术、失重式加料计量系统、统计过程控制系统( s p c ) 等先进技术用于高精密挤出成型系统。同时，对提高挤出成型精密度的关键技术 和设备进行了深入研究和创新，并申请了一系列专利。北京化工大学的李晓林等【】 设计出一种并联式稳压装置，该装置是与挤出机机头垂直连接，通过调节稳压螺 杆的转速，可补偿挤出机的压力波动。另外，王斌修【35 】等针对一种材料为低密度聚 乙烯( l d p e ) ，外径1 o m m 、内径o 4 m m 和壁厚o 3 m m 的医用微细介入导管，设 计了一种专用微管挤出机头，其特点是采用了整体芯棒、圆孔分流支架和双管机 头结构，其生产的医用导管基本能满足医用要求，且降低了生产成本。郭丽华等【3 6 】 设计了种医用导管扩口模具，结构简单，操作方便，所扩介入导管基本满足医 用要求，促进了介入导管的国产化，对于降低介入诊疗费用意义重大。文生平等【3 7 1 采用系统辨识的方法，建立了机头熔体温度与机头压力关于机头加热器功率与螺 6 第一币绪论 杆转速的输入输出传递函数矩阵模型，提出了。种熔体温度与机头压力的模糊解 耦控制算法，并采用可编程计算机控制器予以实现。通过在挤出装置上进行的运 行实验验证了该模糊解耦控制算法的有效性，推动了精密挤出成型控制技术的发 展。 1 3 本课题的研究内容与意义 针对h 前带球囊介入导管依赖进口的现状，根据国家医疗行业标准。精密医 用导管研发及产业化( 北京市教委产学研计划项目) 课题组与合作单位共同开发 能达到医用要求的双腔及多腔医用导管，课题研究对于医用导管的国产化具有重 要的促进作刚。本课题研究的医用导管属于巾心静脉导管，如图1 2 所示，除图所 显示的外，导管横截面还有更复杂的多腔结构。8 0 年代以来，中心静脉导管己被 广泛应用于输液、给药、术巾监护、巾心静脉压测定和静脉营养等临床实践，该 导管可留置体内5 7 天，无需每天静脉穿刺，在减少病人的痛苦及费用的同时减 轻了医护人员的工作量。随着穿刺工具、技术及导管材料的改进，长期使用的中 心静脉导管变得越来越安全、可靠，在临床上的作用也越来越重要，是一种技术 要求高，用量大且具有较好前景的医疗器具。 _ o l 自p ， q 泌， 一姆 、 t ：* t一 一晰 ，麴酗 一 氅= = 茹* 渺 + o o 单腔 双腔 三膛 图l 一2 中心静脉导管及其截面形状图示 f i g 1 - 2 c 铋妇l 垤n 叫sc a t h e 衙a n di t sc m s s - s t i o n 在小截面多腔导管的成型过程中，注入微量带压气体以保持内腔形状是很重 要的手段。因为高聚物在熔融流动过程中由于剪切流动，粘度降低，这样的条件 下，保持一定的内腔形状是十分困难的，所以必须通过注气的方法来保持它的内 腔形状。因此，为了获得更高的截面形状精度，注气参数便成为需要考虑的重要 因素。本论文正式基于注气成型的原理，来考虑注气流量和压力对制品截面形状 精度的影响，拟找出其内在的影响规律以便于指导实际生产。由于本课题研究采 用是一套精确流量控制装置，通过调节一定的流量大小使出口流量保持恒定。事 7 北京化t 人学硕i ：学位论文 实上，流量的控制可以问接反映为压力的控制。因此在后续的实验和结论中，更 多的涉及了注气流量与其他工艺参数或材料参数的关系。 1 3 1 本课题的主要研究内容 本课题研究内容主要有如下5 部分： 1 精确注气流量控制装置的建立。此装置通过调节注气流量达到微量带压气 体保持导管截面形状的目的，是本课题研究的重要气体辅助成型设备。 2 原材料流变性能测试，分析其加工性能，以便于在挤出过程中剪切速率和 粘度范围的选择； 3 设计一种方型模具结构，通过实验方法研究注气流量与材料变形之间的 关系，为实际生产提供参考。 4 以3 的研究成果为参考，研究双腔医用导管成型设备与工艺，这其中包括 双腔管的成型模具设计以及加工工艺参数的优化。 5 导管流量检测装置的建立。此装置通过恒压水箱对导管的输液流量和流速 进行检测。 1 3 2 本课题的研究意义 本课题的研究目的在于，预测小截面多腔导管在注气条件下的变形趋势，以 便于指导口模设计，找准合适的注气流量或压力范围，这对于节约材料、提高生 产率、降低生产成本等方面，具有重要的推动作用。 由于目前国内精密医用导管加工设备的生产处于空白状念，使得精密医用导 管的产业化受到制约。国内现在有不到l o 家精密医用导管的生产厂家，且这些厂 家的技术和设备主要来源于国外。与国外发达国家相比，中国医用导管尤其是高 技术含量的介入导管方面的研究相对较少。由于依赖进口，我国介入医学的发展 受到制约，进口产品高昂的价格也是大多数人无法承受的。开发精密医用塑料导 管生产技术和设备对于此制品的国产化、降低成本、提高人民的健康水平具有极 其重要的意义。 8 第二二章p a l 2 材料流变性能分析 第二章p a l 2 材料流变性能分析 本章重点研究实验用p a l 2 材料的流变性能，研究结果将为挤出工艺参数的调 节和优化提供可靠的依据和参考。 2 1 概述 p a l 2 作为一种工程塑料，具有柔韧性好，吸水率低，尺寸稳定性好的特性。 由于p a l 2 在尼龙树脂中的密度最小【3 8 】，吸水性小，故制品截面尺寸变化小，易于 成型加工，广泛用于管材和软管的制造。p a l 2 还具有耐化学药品、无毒、韧性好、 耐应力开裂等优良特性，因此可以作医疗器具的材料。它能挤压成很小的软管； 还能注射成型，其模塑件的尺寸精确，变形小。因此可用柬制造医用软管、注射 器、导尿管、导血管等导管以及心脏瓣膜等 3 9 l 。 基于p a l 2 的良好加工型及广泛的医用性，我们选择此材料作为双腔中心静脉 导管的挤出实验原料。为了便于挤出机头模具设计，为成型工艺的合理确定及保 证产品质量提供理论依据，对实验用p a l 2 的流变行为进行研究具有重要意义。 流变行为是塑料的主要加工性能之一，塑料熔体的流动性能代表了熔体充满 型腔的能力4 0 】【4 l 】。高聚物最终能否获得应用取决于两个方面： ( 1 ) 高聚物的分子链结构和相对分子质量分布； ( 2 ) 高聚物的流变行为。 后者决定着高聚物的成型加工方法【4 2 1 。因此，高聚物熔体的流变特性直接影 响到其加工的难易程度、工艺条件的确定，而且根据高分子材料流变性确定加工 条件与力学性能之问的关系，为高分子材料的制品加工和应用提供理论依据。粘 度是影响挤出工艺的主要参数之一。要保持稳定的加工状态，物料的粘度就一定 要保持在合适范围内。理论上在挤出过程中影响粘度的因素很多，例如物料温度、 剪切速率、分子量分布以及添加物等。但是在挤出过程中能够直接操控的只有物 料的温度以及剪切速率。物料温度的控制可以通过在线调节料筒和机头温度的方 法实现，剪切速率的控制可以通过调节螺杆转速的方法达到目的。因此，在导管 加工过程中，如何对温度和剪切速率进行正确的调节，将物料的粘度保持在合理 的加工范围内，就成为决定产品质量的关键因素。本章采用毛细管流变仪研究了 实验用p a l 2 流变性能，研究结果可为后续的挤出加工工艺参数的确定和改进提供 实验依据。 9 北京化t 人学撷j ：学位论文 2 2 实验部分 2 2 1 实验原料及实验仪器 实验原料：尼龙1 2 ( p a l 2 ) ，牌号：3 0 3 0 j 1 ) ( 3 ，同本宇部兴产株式会社( u b e s t a ) 生产。 实验仪器：英图b o h l i ni n s t m m e n t s 公司的r o s a n dp r e c i s i o nr h e o m e t e r ( r h 7 ) 毛细 管流变仪，毛细管直径l m m ，长径比为1 6 ：l 。 2 2 2 流变性能测试 实验原料在l o o 下经4 h 烘干处理； 根据实际的加工情况设定四个测试温度，分别为2 0 0 、2 1 0 、2 2 0 和 2 3 0 ，测试数据见附录l 。调节剪切速率范围约为：5 也6 0 0s 1 。 2 3 结果与讨论 2 3 1 非牛顿指数 非牛顿指数n 是判断高聚物流体偏离牛顿流体的程度，n 值的大小具有温度、 相对分子质量、分子结构、分子链问的相互作用力以及剪切速率的依赖性。非牛 顿流体的表观粘度和剪切速率关系符合幂律方程( 2 1 ) ； 7 72 砂一 ( 2 1 ) 两边取对数： l g7 7 = 1 9 豇+ ( 疗一1 ) l g y ( 2 2 ) 式中：t 1 一表观粘度( p a s ) ； y 一剪切速率( s 。) ； n 一非牛顿指数； k 一流体的稠度。 由( 2 2 ) 可知，对l g u 与l g y 呈线性关系，且斜率为n l ，可以通过此方程求的 不同温度下的非牛顿指数。由于毛细管流变仪在低剪切速率下的测试结果与实际 偏差较大，为此取高剪切速率下的测试数据进行分析。不同温度下，取剪切速率 大于l o o s j 四个测试点进行直线拟合。l 绷与l g y 的关系如下列直线拟合式： 第二章i 巩1 2 村料流变性能分析 t = 2 0 0 时： t = 2 1 0 时： t = 2 2 0 时： t = 2 3 0 时： l g ，7 = 4 4 8 6 一o 6 0 5 l g ， l g ，7 = 4 4 9 1 一o 6 3 6 】g ， l g 叩= 4 1 9 0 o 5 5 5 l g ， l g ，7 = 4 1 3 6 一o 5 5 2 l g ， 于是可以求得，p a l 2 在不同温度下的非牛顿指数，如表2 一i 所示： 表2 1 不同温度卜的n 值 1 1 a b k2 一lna td i f f 打e n tt e m p e r a m r e ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由表2 1 可知，p a l 2 材料的非牛顿指数随温度的升高有变大的趋势，呈现一 定的剪切变稀行为。但在2 l o 时的非牛顿指数比2 0 0 的非牛顿指数要小，流动 性能较差。因此可以知道，p a l 2 对挤出温度有很强的敏感性，2 1 0 上下不适于 p a l 2 的挤出，这也验证了后续的实验结果。因此，对于此材料，选择合适的加工 温度对最终制品的成型有很重要的影响。 2 3 2 剪切应力与剪切速率的关系 1 口1 坩1 q l c o r r e c t 酣s h e a rr a t e 【s 1 图2 1 剪切应力剪仞应变双对数曲线 f i g 2 一ls h c a rs t r e s sr e l a t e dt os h e a rr a t e 图2 1 为不同温度下p a l 2 的剪切应力一剪切速率双对数坐标曲线。它所表征 的流动曲线呈非线性，是一条上升后又下降的曲线，并且不存在屈服应力。剪切 速率的增加比剪切应力的增加来得快。流动曲线符合假塑性流体的流变曲线。由 图2 一l 可见，随剪切速率增大，剪切应力响应增大。在应力相同条件下，温度越高， 罟)lj嚣巴；s翟gtoo 北京化t 人学坝u i ：学位论文 剪切速率越大，呈现非牛顿流体流变行为，这和许多其它p a 的流变行为类似【4 3 】l 。 通常聚合物在熔融状态下的流动足m 分子链段抵消无规运动进行跃迁形成的，而 决定跃迁速率的因素是跃迁能与岗幽的自由体积。增大剪切应力使跃迁能增强， 升高温度使自由体积增大，从而使剪切速率增大。 2 3 3 粘度与剪切速率的关系 一般高聚物熔体属于假塑性流体或剪切切变稀流体。高聚物剪切变稀的主要 原因是缠结点浓度的下降。高聚物流体可以看成为瞬问的网络结构体( 4 ，该体系在 达到动态平衡后的缠结点浓度与所处的条件有关，随着剪切应力大小的改变，动 态平衡相应地发生移动。当剪切应力增大( 剪切速率也相应增大) 时，部分缠结点被 解除，缠结点的减少使得熔体的粘度f 降。同时高聚物熔体在剪切速率增火时， 高分子链段在流场中发生取向，表现为粘度的下降。 o1 1 i m c 0 n 曹c f e ds h e a r 糟怕，s - 图2 2p _ a 1 2 流变曲线 f i g 2 2f l o wc i l r v e so f 队1 2 图2 2 为队1 2 的流变曲线。由图2 2 可以看出，在剪切速率范围内p a l 2 熔 体粘度随剪切速率的增加而下降，呈现典型的剪切变稀行为，属于假塑性流体。 2 3 4 粘度与温度关系及粘流活化能 由图2 2 还可看出，所测p a l 2 熔体在相同的剪切速率下熔体粘度随温度的升 高而降低。这是由于随着温度的升高，熔体的自由体积增加，链段的活动能力增 加，分子问的相互作用力减弱，使高聚物的流动性增大，表现为熔体牯度下降， 有利于成型加工。尼龙1 2 聚合物熔体的表观粘度与温度的关系服从a n h e n i u s 定 律【4 6 】【4 7 j ： 1 2 咖 bdiso墨jm舌 第二章队1 2 材料流变性能分析 a k 刀= c p 8 7 式中，q 为熔体在温度t 下的表观粘度，p a ，s ； t 为温度，k ；e n 为高聚物的粘流活化能，k j m o l 。 ( 2 7 ) c 为常数；r 为摩尔气体常数； 对( 2 7 ) 式两边取对数可得： 1 n ，7 ：l n c + 曼! 尺丁 f 2 一趴 作l r n l l 厂r 图，通过斜率便可以求出e h l 。不同温度，不同剪切速率下的1 1 可 以由( 2 3 ) 2 6 ) 式求出；每一个温度，剪切速率分别取5 0 0 ，1 0 0 0 ，1 5 0 0 ，2 0 0 0 s 一， 得到以下数据，如表2 2 ： 表2 - 2 不同剪切速率和不同温度下的粘度值 u i lo o n 4 -w 1 p ” 、叭体，t 嘉迭i 5 0 0l o o o1 5 0 02 0 0 0 2 0 07 1 2 8 5 4 6 8 8 l3 6 6 8 63 0 8 2 5 2 l o5 9 4 9 83 8 2 8 22 9 5 8 02 4 6 3 2 2 2 04 9 1 8 13 3 4 9 72 6 7 3 02 2 8 0 3 2 3 04 4 2 5 93 0 2 0 02 4 1 5 52 0 6 0 6 对不同剪切速率下的作l n t l l 厂r 图，如图2 3 所示。 o ”o ”2 1 刑f 图2 - 3p a l 2 的l n