聚合物氣輔共擠中熔體體積流率對(duì)擠出脹大的影響

黃益賓，余 忠，熊愛(ài)華，柳和生3，

（1.上饒師范學(xué)院江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒334001；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西南昌330031；3.東華理工大學(xué)，江西南昌330031）

聚合物氣輔共擠中熔體體積流率對(duì)擠出脹大的影響

黃益賓1，余 忠1，熊愛(ài)華2，柳和生3，1

（1.上饒師范學(xué)院江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒334001；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西南昌330031；3.東華理工大學(xué)，江西南昌330031）

傳統(tǒng)擠出或共擠成型中流率是影響擠出脹大的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)兩種不同聚丙烯熔體，使用自制的氣輔共擠實(shí)驗(yàn)裝置和一矩形截面氣輔共擠口模，實(shí)驗(yàn)研究了雙層氣輔共擠成型中熔體入口流率值及其比值對(duì)氣輔共擠出脹大的影響。研究表明：隨著入口體積流率及流率比的增加，氣輔共擠出制品出現(xiàn)的脹大現(xiàn)象并隨之增大，其擠出脹大率遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)共擠。氣輔共擠制品的層厚可通過(guò)改變兩相熔體的流率比來(lái)調(diào)整。氣輔共擠實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生擠出脹大的主要原因在于氣墊層厚度減小及未松弛熔體的回復(fù)作用，因而合理的氣墊層厚度及氣輔流道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)對(duì)控制擠出脹大有重要意義。

聚合物；體積流率；氣輔共擠；擠出脹大；流率比

聚合物擠出成型中由口模擠出的熔體截面積大于口模出口截面積的現(xiàn)象被稱(chēng)為擠出脹大或離模膨脹。擠出脹大現(xiàn)象是由聚合物粘彈特性及剪切擠出機(jī)理引起的，不僅影響擠出制品質(zhì)量，而且使得擠出口模設(shè)計(jì)困難。共擠成型中同樣存在擠出脹大現(xiàn)象，且由于涉及多相聚合物熔體而更加復(fù)雜。氣體輔助共擠成型是一種新型擠出成型工藝，該工藝通過(guò)氣體控制系統(tǒng)和氣輔共擠口模，在口模壁面和共擠聚合物熔體之間形成穩(wěn)定氣墊層［1］，使得口模內(nèi)多相熔體近似呈柱塞狀流動(dòng)。數(shù)值研究表明，氣輔共擠流道內(nèi)各處熔體的速度一致，口模出口處剪切速率和剪切應(yīng)力近似為零，從而能有效防止“鯊魚(yú)皮”現(xiàn)象，消除共擠出脹大［2－4］。傳統(tǒng)擠出中流率是影響擠出脹大的關(guān)鍵因素之一，流率增加往往引起擠出脹大增大。已有的氣輔雙層共擠成型實(shí)驗(yàn)研究中，兩相熔體入口流率均設(shè)為較小的恒定值且保持流率比為1［5，6］，而在入口流率絕對(duì)值及流率比值增大的情況下，氣輔共擠出的脹大現(xiàn)象會(huì)有何變化卻尚未可知。本文使用一矩形截面雙層氣輔共擠口模，通過(guò)設(shè)置兩相聚丙烯（PP）熔體不同的入口體積流率值，實(shí)驗(yàn)研究了聚合物雙層氣輔共擠成型中兩相熔體的流率絕對(duì)值及流率比值對(duì)氣輔共擠出脹大的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 氣輔共擠成型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原料

使用自行設(shè)計(jì)的縫隙進(jìn)氣式矩形截面雙層氣輔共擠口模、SJ－50單螺桿擠出機(jī)（傳動(dòng)比100.96）、SJ－65單螺桿擠出機(jī)（傳動(dòng)比75.52）、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣體加熱器、氣體壓力及溫度控制系統(tǒng)等組成氣輔共擠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？紤]氣墊層厚度，設(shè)計(jì)矩形口模流道截面長(zhǎng)寬尺寸分別為30.2mm和20.2mm，系統(tǒng)及口模照片如圖1和圖2所示。實(shí)驗(yàn)中使用的兩種聚丙烯牌號(hào)分別為印度尼西亞Tri Polyta公司產(chǎn)聚丙烯RB2.0HC和上海石化產(chǎn)T300，色母采用卡博特聚烯烴通用級(jí)色母粒。

圖1 氣輔共擠實(shí)驗(yàn)裝置照片

圖2 氣輔共擠口模照片

1.2 擠出溫度設(shè)定及氣輔系統(tǒng)調(diào)整

實(shí)驗(yàn)中，將紅色母粒按質(zhì)量比1∶100摻入聚丙烯RB2.0HC，用混料器攪拌均勻，由SJ－50擠出機(jī)擠出，螺桿送料、壓縮、計(jì)量各段溫度分別設(shè)置為150℃、160℃和170℃，機(jī)頭溫度設(shè)為180℃。SJ－65擠出機(jī)擠出聚丙烯T300，其螺桿及機(jī)頭溫度設(shè)置同SJ－50，口模共擠段溫度設(shè)置為190℃，調(diào)整氣體壓力和溫度，使其盡量與熔體壓力和溫度一致，建立穩(wěn)定氣墊層，形成穩(wěn)定氣輔共擠出［5］。

1.3 擠出流率的測(cè)定

兩聚合物熔體通過(guò)單擠流道的出口流率即為對(duì)應(yīng)共擠流道的入口流率，測(cè)量時(shí)將口模的共擠流道部分拆下，設(shè)定擠出溫度與實(shí)驗(yàn)溫度一致，單獨(dú)測(cè)量SJ－50擠出機(jī)和SJ－65擠出機(jī)的擠出質(zhì)量流率。設(shè)定不同的螺桿轉(zhuǎn)速（可由電機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比計(jì)算得到），使用物理天平稱(chēng)取不同螺桿轉(zhuǎn)速情況下40秒內(nèi)擠出物的重量，可測(cè)得質(zhì)量流率，根據(jù)物料的密度，可換算得到相應(yīng)體積流率。取樣時(shí)在同樣位置剪下擠出料，取3組數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)定值。可得到擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速與體積流率之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速和體積流率關(guān)系

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及圖3，在穩(wěn)定氣輔共擠出的情況下，設(shè)定SJ－50擠出機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為550rpm、800rpm和1000rpm，確定兩擠出機(jī)相對(duì)應(yīng)的螺桿轉(zhuǎn)速及體積流率如表1所示。

表1 螺桿轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)體積流率表

1.4 實(shí)驗(yàn)制品測(cè)量及分析方法

因需測(cè)量脹大現(xiàn)象，不能使用定型和牽引裝置，故采取垂直向下擠出的方法。用鋼尺在距口模出口0.5cm處做矩形截面氣輔共擠制品的長(zhǎng)度及寬度測(cè)量，在距口模出口2cm處開(kāi)始水冷，試樣長(zhǎng)度不超過(guò)10cm。對(duì)于傳統(tǒng)共擠，聚合物熔體離開(kāi)口模后脹大變形嚴(yán)重，故只能截取其斷面，用坐標(biāo)紙測(cè)量其截面積。聚合物擠出脹大程度通?？捎脭D出脹大率來(lái)量化，計(jì)算式如式（1）［7］所示。

式中，B為擠出脹大率，S2為制品擠出脹大后截面積。對(duì)于傳統(tǒng)共擠，S1為共擠口模截面積，而對(duì)于氣輔共擠，S1為要求的制品截面積（不包含氣墊層所占面積）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 絕對(duì)流率值的影響

保持兩PP熔體入口體積流率比為1∶1，取不同流率值，進(jìn)行傳統(tǒng)和氣輔共擠出脹大實(shí)驗(yàn)。圖4－圖6所示為三組不同入口體積流率時(shí)傳統(tǒng)共擠和氣輔共擠出脹大的對(duì)比圖片，表2為傳統(tǒng)共擠和氣輔共擠時(shí)擠出物截面積和擠出脹大率的測(cè)算結(jié)果。

由圖可看出，氣輔共擠出制品離開(kāi)口模時(shí)幾乎沒(méi)有變形和流動(dòng)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而傳統(tǒng)共擠出制品離開(kāi)口模時(shí)有明顯的擠出脹大和流動(dòng)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由表2可知，在入口體積流率值為0.829cm3／s的情況下，傳統(tǒng)共擠出脹大率為25.6%，而氣輔共擠出脹大率卻為－2.3%。此前研究分析認(rèn)為這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中口模開(kāi)口朝下，熔體受自重拉伸而使得擠出物截面積減小［5］。當(dāng)入口體積流率為1.159cm3／s和1.389cm3／s時(shí)，氣輔共擠出脹大率分別為0.5%和3.3%，這說(shuō)明在入口體積流率增大的情況下，氣輔共擠出現(xiàn)了擠出脹大的現(xiàn)象。由氣輔擠出成型機(jī)理可知，穩(wěn)定的氣輔擠出將能使得口模內(nèi)熔體呈柱塞狀擠出，剪切速率趨近于零，能基本消除由法向應(yīng)力差引起的擠出脹大。因而從擠出脹大的產(chǎn)生機(jī)理上分析，此時(shí)氣輔共擠中出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象的原因必然是熔體進(jìn)入口模時(shí)由于拉伸和剪切作用導(dǎo)致的形變尚有少部分沒(méi)有得到松弛。此外，從模具結(jié)構(gòu)上分析，影響擠出物截面積變化的另一原因是氣墊層厚度的變化。

圖4 體積流率Q50＝Q65＝0.829cm3／s螺桿轉(zhuǎn)速n50＝5.45rpm，n65＝3.31rpm

圖5 體積流率Q50＝Q65＝1.159cm3／s螺桿轉(zhuǎn)速n50＝7.92rpm，n65＝4.63rpm

圖6 體積流率Q50＝Q65＝1.389cm3／s螺桿轉(zhuǎn)速n50＝9.9rpm，n65＝5.63rpm

表2 相同流率情況下傳統(tǒng)和氣輔共擠出脹大實(shí)測(cè)值

實(shí)驗(yàn)所用矩形截面氣輔共擠口模的氣墊層厚度設(shè)計(jì)值為0.2mm，但在實(shí)際氣輔擠出過(guò)程中，由于氣體的可壓縮性，氣墊層厚度必然會(huì)因熔體入口流率及壓力不同而發(fā)生變化，這也就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)中熔體擠出后截面尺寸與設(shè)定的制品截面尺寸間有微小誤差。在熔體入口流率很小的情況下，氣墊層厚度超過(guò)0.2mm，因而熔體擠出后其截面積將小于600mm2，而出現(xiàn)負(fù)的擠出脹大率。當(dāng)熔體入口流率增大，氣墊層厚度小于0.2mm，因而熔體擠出后其截面積將大于600mm2，而出現(xiàn)正的擠出脹大率。本文實(shí)驗(yàn)中，氣輔共擠出脹大率隨入口流率增大由負(fù)值逐漸增大至正值，這表明氣墊層厚度變化及熔體的形變回復(fù)作用對(duì)擠出物截面尺寸的影響作用強(qiáng)于口模外熔體自重拉伸作用的影響。因而，在三者共同作用下，氣輔共擠出制品的脹大率隨流率增加而增大。

2.2 流率比對(duì)氣輔共擠出脹大的影響

圖7 流量比1∶1（n50＝5.45rpm，n65＝3.31rpm）

圖8 流量比1∶2（螺桿轉(zhuǎn)速n50＝5.45rpm，n65＝7.15rpm）

圖9 流量比1∶3（螺桿轉(zhuǎn)速n50＝5.45rpm，n65＝10.33rpm）

表3 不同流率比時(shí)傳統(tǒng)和氣輔共擠出脹大實(shí)測(cè)值

保持J－50螺桿轉(zhuǎn)速不變，調(diào)整J－65擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，使得其流率比分別為1∶1、1∶2和1∶3，具體螺桿轉(zhuǎn)速可見(jiàn)表1。圖7－圖9為三種流率比情況下測(cè)量氣輔共擠出制品截面尺寸的實(shí)拍照片。對(duì)三種擠出流率比情況下擠出物的截面積和擠出脹大率進(jìn)行測(cè)量，同樣取三組樣品數(shù)據(jù)的平均值，測(cè)得傳統(tǒng)和氣輔共擠出脹大變化的具體數(shù)值如表3所示。

由圖7－圖9可看出，在不同流率比條件下，兩種PP熔體的各自層厚有明顯變化，流率增大的PP（T300）層明顯變厚，而流率保持不變的PP（RB2.0HC）層變薄，這表明同傳統(tǒng)共擠一樣，氣輔共擠成型可通過(guò)調(diào)整兩相熔體的流率來(lái)控制層厚。由表3數(shù)據(jù)，當(dāng)流率比為1∶2和1∶3時(shí)，氣輔共擠出脹大率分別為1%和1.5%，傳統(tǒng)共擠出脹大率分別為35.7%和48.5%，氣輔共擠出脹大率遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)共擠出脹大，氣輔共擠和傳統(tǒng)共擠出脹大率均隨流率比增加而增大。

3 結(jié)論

（1）在本文實(shí)驗(yàn)條件下，氣輔共擠成型依然存在擠出脹大現(xiàn)象，其擠出脹大率遠(yuǎn)小于相同擠出條件下的傳統(tǒng)共擠，同傳統(tǒng)共擠一樣，其擠出脹大率隨流率增加而增大。氣輔共擠產(chǎn)生擠出脹大的主要原因在于氣墊層厚度減小及未松弛熔體的形變回復(fù)作用。因而，根據(jù)擠出流率設(shè)計(jì)合理的氣墊層厚度及氣輔流道長(zhǎng)度對(duì)控制氣輔共擠出制品尺寸精度有重要意義。

（2）氣輔共擠中兩相熔體流率不同時(shí)，擠出制品脹大依然很小，且隨流率比增加而增大。同時(shí)兩相聚合物層厚發(fā)生變化，流率大的變厚，流率小的變薄，這表明雙層氣輔共擠中可通過(guò)改變兩相聚合物熔體流率比來(lái)調(diào)整兩相層厚分布。

［1］黃益賓，柳和生，黃興元，等.聚合物氣輔共擠成型中氣墊層的建立及其穩(wěn)定性分析［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2013，29（4）：113－116.

［2］黃益賓，柳和生，黃興元，等.聚合物氣輔共擠成型中擠出脹大的數(shù)值模擬［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2010，26（5）：171－174.

［3］周文彥，周?chē)?guó)發(fā).聚合物多層氣輔共擠精密成型機(jī)制的數(shù)值分析［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26（3）：90－98.

［4］張敏，賈玉璽，黃傳真.氣輔共擠出流道中聚合物流動(dòng)過(guò)程的數(shù)值分析［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2012，28（1）：176－179.

［5］黃益賓，柳和生，黃興元，等.氣體輔助共擠出矩形截面PP雙層型材的實(shí)驗(yàn)研究［J］.塑料工業(yè)，2013（4）：49－51，56.

［6］柳和生，何建濤，黃興元，等.L型異型材氣輔共擠脹大及變形的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2014（10）：113－116.

［7］黃益賓.聚合物氣體輔助共擠成型的理論和實(shí)驗(yàn)研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2011：37.

Effect of Melt Volume Flow Rate on Die Swell in Polymer Gas－assisted Co－extrusion

HUANG Yi－bin1，YU Zhong1，XlONG Ai－h(huán)ua2，LlU He－sheng3，1

（1.Jiangxi Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing，Shangrao Normal University，Shangrao Jiangxi 334001，China；2.Jiangxi Agricultural University，Nanchang Jiangxi 330031，China；3.East China Institute of Technology，Nanchang Jiangxi 330031，China）

The melt volume flow rate is one of the key factors which affect die swell in traditional extrusion or co－extrusion.Using agas－assisted co－extrusion die with rectangular section，we investigated the effects of the volume flow rates and their ratios of two varied polypropylene melts on die swell in a bi－layer gas－assisted co－extrusion（GACE）.It was found that the die swell aroseand enlarged with the increase of melt volume flow rates and their ratios，and the swell ratio in GACE was much smaller than that of traditional co－extrusion.Also，we found the layer thickness of the melts in GACE could be adjusted by changing the melt volume flow rate ratio.Two main reasons for die swell in GACE experiments are the thinning of the gas layer and the recovery of unrelaxed polymer melts，both rational thickness of gas layer and length of the gas－assisted flow channel are crucial to control die swell in GACE.

polymer；volume flow rate；die swell；gas－assisted co－extrusion；flow rate ratio

TQ320.66

A

1004－2237（2016）03－0049－06

10.3969／j.issn.1004－2237.2016.03.010

2015－12－21

江西省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（20122BAB216012）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51163011）；國(guó)家留學(xué)基金項(xiàng)目（201308360171）；江西省2015年度遠(yuǎn)航工程項(xiàng)目（2015141）

黃益賓（1978－），男，江西上饒人，副教授，博士，主要從事聚合物成型研究。E－mail：hyb126＠126.com