氣墊成型氣體流量的影響

肖建華通過實驗研究了氣體流量大小和穩(wěn)定氣輔擠出的關(guān)系，運用氣體運動理論和氣體紊流響應(yīng)解釋了實驗結(jié)果。在實驗過程中，將氣體流量由0.4m³/h增加到0.8m³/h以上時，氣體流量計中的轉(zhuǎn)子開始出現(xiàn)有規(guī)律的上下波動，即氣體流量出現(xiàn)了不穩(wěn)定的波動現(xiàn)象，同時擠出物表面成波紋狀。實驗結(jié)果表明，在氣輔擠出過程中，增大氣體流量容易引起氣墊膜層厚度波動或氣體產(chǎn)生紊流，使擠出物表面以波紋形式擠出，不能實現(xiàn)穩(wěn)定氣輔擠出；氣體流動對熔體的作用是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，從空氣動力學(xué)的角度來看，氣體產(chǎn)生紊亂流動，是由于氣流的作用力強迫熔體產(chǎn)生強烈的紊流響應(yīng)(又稱抖振)，而熔體的抖振反過來又將改變氣流的作用力，產(chǎn)生附加的氣動力，形成氣體與熔體的相互作用體系，使氣輔擠出產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

黃興元等的實驗表明，氣體流量的大小影響氣墊膜層的厚度和氣墊膜層內(nèi)氣體的速度，由于氣體流量大時，氣墊膜層的移動速度快，對擠出熔體有一定的拉動作用，使熔體截面尺寸減小，所以，可通過調(diào)整氣體流量控制擠出物的截面尺寸。M.R.Mackley實驗證明，在氣輔擠出過程中，熔體流量的大小影響氣輔的穩(wěn)定擠出，當(dāng)熔體流量較小時，才能成功地形成氣輔擠出，消除鯊魚皮現(xiàn)象和擠出不穩(wěn)定。實質(zhì)上，氣墊膜層的穩(wěn)定性與氣體紊流有關(guān)，而氣體紊流又與氣體流速有關(guān)，影響氣體流速的因素通常有壓力、流量、溫度等，由于對氣墊膜層內(nèi)氣體流速的測量十分困難，目前的實驗中僅僅研究了氣體流量對擠出流量、擠出速度和擠出物直徑的影響，未見有研究關(guān)于氣輔擠出中氣墊膜層的穩(wěn)定性與氣體流量之間關(guān)系的報道。

黃益賓等對氣體輔助共擠過程的氣墊膜層形成和穩(wěn)定性進行了詳細分析，實驗用兩臺擠出機為螺桿直徑分別為65 mm和50 mm的單螺桿擠出機，螺桿直徑大的稱為主機，螺桿直徑較小的稱為共擠機，螺桿加熱采用電熱圈加熱，沿螺桿長度方向由三段電加熱圈加熱。螺桿溫度用熱電偶測量并反饋到溫度控制儀，溫控儀控制接觸器的通斷來控制加熱電路通斷，最終實現(xiàn)螺桿的溫度控制。實驗所用材料分別為聚丙烯(牌號為RB2.0HC)、聚丙烯(牌號為T300)和高密度聚乙烯(牌號為HDPE6908)。研究發(fā)現(xiàn)，氣體壓力和溫度對氣墊膜層有影響時，先開啟擠出機螺桿，待共擠出穩(wěn)定后，再開啟氣閥，然后，調(diào)整氣體的壓力和溫度，當(dāng)進入口模的氣體溫度、壓力與熔體的溫度、壓力很接近或完全一致時，在通氣初期氣輔共擠出不穩(wěn)定，但擠出一段時間后，能逐漸達到穩(wěn)定的氣輔共擠出狀態(tài)。實驗表明，在氣輔共擠出過程中先開啟螺桿再打開氣閥，在氣體具有合適的溫度和壓力的情況下，依然能形成穩(wěn)定的氣墊膜層。

盧臣在進行異型材氣輔擠出實驗時發(fā)現(xiàn)，若先啟動擠出機螺桿進行擠出再打開氣體，不能實現(xiàn)氣體輔助擠出。這是由于先開啟擠出螺桿進行擠出時，部分聚合物熔體粘附于口模壁面上，當(dāng)再通入高壓氣體時，粘附于口模壁面的熔體就會在氣體和口模壁面間形成一不規(guī)則的粘附層，影響到氣墊膜層，進而影響擠出過程。但此時將氣體溫度升到高于聚合物的熔體溫度，使擠出逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定的氣輔擠出狀態(tài)，再將氣體溫度降到和口模溫度一致，才可形成穩(wěn)定的氣墊膜層。而當(dāng)先打開氣閥、后啟動擠出機螺桿時，只要氣體壓力、氣體溫度及有氣輔段長度在合適的范圍內(nèi)，就會形成穩(wěn)定的氣墊膜層。

R.Brzoskowski等通過多孔金屬管將壓縮空氣引入口模內(nèi)，形成氣墊膜層，實現(xiàn)了氣輔擠出，但實驗中沒有具體驗證氣墊膜層的穩(wěn)定性和氣體壓力、氣體溫度以及有氣輔段長度等因素的關(guān)系。此后，錢百年等通過多孔金屬管將壓縮空氣引入口模內(nèi)，形成氣墊膜層。研制了有氣膜潤滑段的短纖維剪切取向機頭，用來擠出短纖維增強膠管。實驗結(jié)果表明，氣體潤滑口模不僅能減小口模壓降，通過選取合適的有氣輔段長度可以形成穩(wěn)定的氣墊膜層。但是，這種通過多孔金屬管引入氣體的氣輔擠出口模，最大的問題是金屬管孔隙容易被熔體堵塞，堵塞后不容易清理，影響氣墊膜層的形成和穩(wěn)定性。

肖建華實驗認為，有氣輔段越長越容易引起氣體流速、壓力、溫度等參數(shù)的變化，造成熔體和口模壁面粘連，影響氣墊膜層的穩(wěn)定性；黃興元認為，有氣輔段長度的設(shè)計非常關(guān)鍵，有氣輔段越長，氣墊膜層的穩(wěn)定性越差，但該段越短，熔體經(jīng)過它的時間就會縮短，熔體在有氣輔段的松弛時間也越短，氣輔擠出的作用發(fā)揮就越不充分。P.Santelicds研究發(fā)現(xiàn)，在恒定剪切速率下，擠出物的擠出脹大比隨口模長徑比的增大而減小，當(dāng)長徑比超過某一值時，擠出脹大比趨于一穩(wěn)定值，但長徑比太大不利于氣墊膜層的形成。P.Jay等實驗認為，在低We(W eissenberg)數(shù)(韋森堡效應(yīng)，即黏彈性交叉效應(yīng)）下，擠出加工可選用較短的滑移段(有氣輔段)口模即可達到精密擠出的效果；在高We數(shù)下，滑移段的長度越長，擠出脹大比越小，擠出物的外形尺寸越精確。在塑料擠出生產(chǎn)過程中，在低W e數(shù)下，易選用較短滑移段口模；在高We數(shù)下，采用較長滑移段口?？色@得穩(wěn)定的氣輔擠出。有氣輔段長度作為氣輔擠出口模設(shè)計的一個重要參數(shù)，其設(shè)置的合理性直接影響到氣墊膜層的穩(wěn)定性，但是，在沒有其它因素影響的情況下，一般有氣輔段越長，其氣墊膜層越不穩(wěn)定。

氣體溫度對擠出穩(wěn)定性的影響可用熔體黏度的影響來解釋，因為氣體溫度的高低影響和氣體直接接觸的熔體表面溫度，當(dāng)氣體溫度低于熔體溫度時，熔體的溫度就會被降低，導(dǎo)致熔體的黏度增加，使熔體更易粘附于口模內(nèi)壁，從而使其平衡狀態(tài)遭到破壞，在口模中產(chǎn)生波動，進而導(dǎo)致氣流不穩(wěn)定。氣體溫度越低，對熔體表面的冷卻作用越大，氣輔擠出的穩(wěn)定性越差。反之，氣體溫度升高時，熔體的黏度降低，容易形成穩(wěn)定的氣流，達到穩(wěn)定擠出，但當(dāng)氣體溫度過高時，會使熔體的局部發(fā)生降解，同時氣體容易進入熔體內(nèi)部，形成氣泡，影響擠出制品的質(zhì)量。

黃興元等在實驗時，設(shè)定口模溫度為190℃，氣體壓力及氣體流量固定不變，使氣體溫度由常溫逐漸提高到200℃，然后再逐漸降低到常溫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體溫度與熔體溫度一致時，容易形成穩(wěn)定的氣墊膜層，實現(xiàn)穩(wěn)定的氣輔擠出；當(dāng)氣體溫度低于熔體溫度時，有時也可形成穩(wěn)定的氣墊膜層，但穩(wěn)定性很難保持。氣體溫度與熔體溫度差別越大，越不容易形成穩(wěn)定的氣輔擠出；古大治的研究認為，聚合物具有發(fā)泡溫度，當(dāng)氣體溫度高于發(fā)泡溫度時，氣體會穿透擠出物表面而使它發(fā)泡。但當(dāng)溫度過低時，會影響熔體的流動，所以氣輔擠出中氣體溫度要低于聚合物的發(fā)泡溫度，這樣才能形成穩(wěn)定的擠出。

M.Zatloukal等對氣輔擠出中影響氣墊膜層穩(wěn)定性的因素進行了實驗研究。結(jié)果表明，氣體壓力、溫度等多種因素對氣墊膜層都有影響。在氣輔擠出中，聚合物熔體與氣體在口模內(nèi)呈氣–液兩相分層流動，在擠出過程中，由于氣體和擠出熔體相接觸，氣體溫度的變化會使熔體溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致熔體的黏度發(fā)生變化，進而影響氣輔擠出的穩(wěn)定性。

氣體壓力的影響機理是：當(dāng)氣體壓力過大時，氣流干涉到熔體的流動，且氣體會穿透熔體表面，在熔體內(nèi)部迅速擴散、滲透，形成氣泡，擠出物離模后，氣泡迅速長大引起擠出脹大的異?，F(xiàn)象；當(dāng)氣體壓力過小時，氣體不能完全從口模內(nèi)壁排出來，氣體沿著阻力較小的方向流動，導(dǎo)致有氣體進入到熔體內(nèi)部，使熔體擠出呈不連續(xù)的噴射狀，并且熔體粘附于口模內(nèi)壁，不能形成穩(wěn)定的氣墊膜層。

R.F.Liang等通過實驗證明，控制氣體壓力能夠在口模內(nèi)壁形成穩(wěn)定的氣墊膜層，氣墊膜層對擠出口模壓力降、擠出物脹大產(chǎn)生較大的影響。有氣墊膜層時，口模壓力降比沒有氣墊膜層時的口模壓力降低得多。采用縫隙口模進行氣輔擠出，氣體壓力對形成穩(wěn)定的氣墊膜層很關(guān)鍵。此后，黃興元等對氣墊膜層的穩(wěn)定性進行了詳細的實驗研究，實驗原料為高密度聚乙烯(PE-HD)，以壓縮空氣作為氣源。實驗時螺桿上分三段控制的加熱圈溫度分別設(shè)置為150，160，170℃，機頭溫度為180℃，機頭和口模之間的彎管加熱溫度設(shè)置為180℃，氣輔擠出口模外的加熱圈的溫度也設(shè)定為180℃，實驗中螺桿溫度和口模溫度保持不變。用高溫熔體壓力傳感器測量的熔體壓力和氣體加熱系統(tǒng)前的氣體壓力來研究口模內(nèi)環(huán)形縫隙處的熔體壓力和氣體壓力。

在擠出過程中，將氣體壓力先調(diào)到0.3MPa，待達到穩(wěn)定的氣輔擠出后，逐步升高氣體壓力到0.7 MPa，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體壓力和熔體壓力接近一致時，氣體/熔體兩相流的界面穩(wěn)定，在熔體與模壁之間產(chǎn)生穩(wěn)定的氣墊膜層，當(dāng)氣體壓力高于熔體壓力后，擠出物表面逐漸出現(xiàn)突起現(xiàn)象，隨著氣體壓力的增加，突起現(xiàn)象越來越嚴重。當(dāng)氣體壓力從0.3MPa逐漸降到0.1MPa時，擠出過程仍能穩(wěn)定，擠出物表面光滑，未見擠出脹大現(xiàn)象產(chǎn)生；而當(dāng)氣體壓力減為零時，此時擠出過程還保持穩(wěn)定，但出現(xiàn)了明顯的擠出脹大現(xiàn)象。當(dāng)氣體壓力降為零后再開始升高時，擠出過程不穩(wěn)定。實驗說明，當(dāng)氣體壓力和熔體壓力接近一致時，才能建立穩(wěn)定的氣墊膜層。Liang Jizhao研究證實，氣體壓力太高，對擠出制品的表面質(zhì)量會產(chǎn)生不良影響；氣體壓力過低，不能使熔體和壁面分離，所以控制氣體壓力的大小是一個重要的環(huán)節(jié)，一般情況下，選擇氣體壓力稍高于熔體壓力。R.F.Liang等的研究表明，在熔體擠出時通入氣體，在擠出熔體和口模壁面間確實可以形成穩(wěn)定的氣墊膜層，穩(wěn)定的氣墊膜層產(chǎn)生的條件是：首先將氣輔口模內(nèi)氣體的壓力調(diào)至略大于熔體的壓力，然后再調(diào)至熔體的壓力。B.Hallmark等主要探索研究了穩(wěn)定擠出條件，當(dāng)口模中氣體壓力與熔體壓力接近時，可獲得穩(wěn)定擠出，氣體壓力大于熔體壓力會導(dǎo)致不穩(wěn)定擠出。

氣體壓力對在口模內(nèi)建立氣墊膜層進行氣輔擠出具有非常大的影響，而實驗測量的氣體壓力是氣體加熱裝置前的壓力，并且氣墊膜層內(nèi)的壓力從有氣輔段的環(huán)形縫隙處到口模出口逐漸減小，所以可能對實驗結(jié)論有影響，以后應(yīng)研發(fā)更先進的裝置，直接測量口模內(nèi)每一處氣體壓力。

擠出成型加工具有生產(chǎn)過程連續(xù)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是聚合物成型的重要方法之一。在傳統(tǒng)的擠出成型過程中，由于聚合物熔體具有黏彈特性等物理性質(zhì)，當(dāng)擠出速度較低時，擠出過程較為平穩(wěn)，擠出物的表面光滑，但隨著擠出速度的增加，當(dāng)超過某一極限值時，擠出物的表面會出現(xiàn)鯊魚皮現(xiàn)象或擠出物發(fā)生翹曲變形及擠出脹大等質(zhì)量缺陷。這是由于傳統(tǒng)擠出過程中，熔體與壁面形成的非滑移黏著剪切流動而導(dǎo)致的流動不穩(wěn)定。

自20世紀30年代M.Mooney提出壁面滑移概念以來，人們對擠出過程中的壁面滑移現(xiàn)象進行了各種實驗研究和理論分析，其中，氣輔擠出就是將高壓氣體引入到口模內(nèi)，在口模內(nèi)壁與擠出熔體之間形成氣體潤滑層即產(chǎn)生壁面滑移現(xiàn)象。

氣體輔助擠出技術(shù)是由英國的R.F.Liang等在2000年首次提出的一項新型聚合物擠出技術(shù)，其創(chuàng)新之處在于通過氣體輔助擠出控制系統(tǒng)和氣體輔助擠出口模，在擠出加工過程中使聚合物熔體和口模壁面之間形成氣墊膜層，使傳統(tǒng)的非滑移粘著剪切口模擠出方式完全轉(zhuǎn)化為氣墊完全滑移非粘著剪切口模擠出方式，從而使模內(nèi)熔體的速度場趨于均勻一致，口模出口處的剪切速率趨近于零，熔體呈柱塞狀擠出，可取得明顯的口模減粘降阻的效果。消除了傳統(tǒng)擠出成型過程中由于剪切速率不同所造成的各種質(zhì)量缺陷，擠出物截面同口模的形狀基本一致。

氣輔擠出的關(guān)鍵是在口模和擠出熔體間形成穩(wěn)定的氣墊膜層，氣墊膜層的建立既不能干涉到熔體的流動，又要防止熔體和口模壁面直接接觸，使擠出過程由非滑移粘著剪切流動方式轉(zhuǎn)化成完全滑移非粘著剪切流動方式，以實現(xiàn)成功的氣輔擠出。因此，研究氣體輔助擠出過程中影響氣墊膜層穩(wěn)定性的因素，使這項技術(shù)能夠在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用具有重要意義。而影響氣墊膜層的主要因素有氣體壓力、氣體流量、氣體溫度、口模結(jié)構(gòu)和擠出時的操作等。

R.F.Liang等采用縫隙口模對高密度聚乙烯進行了氣輔擠出研究，口模由上下兩部分組成，上口模和下口模之間有0.1mm的環(huán)形縫隙，下口模有一氣室，高壓氣體進入下口模的氣室中，再沿環(huán)形縫隙進入到口模內(nèi)，在口模內(nèi)壁和熔體之間形成氣墊膜層。當(dāng)氣體壓力、氣體溫度等在合適的范圍內(nèi)時，利用縫隙口模進行氣輔擠出時，可以通過調(diào)節(jié)縫隙間隙來控制氣墊膜層的厚度，而通過調(diào)節(jié)縫隙間隙對氣墊膜層的穩(wěn)定性幾乎沒有影響。

黃興元等在實驗中分別使口模中的環(huán)形縫隙為0.1mm和0.2mm進行氣輔實驗。實驗結(jié)果表明，環(huán)形縫隙對氣墊膜層的建立和穩(wěn)定性沒有明顯的影響。但是，氣輔擠出設(shè)備的密封性對實現(xiàn)穩(wěn)定的氣輔擠出有影響，密封不好，就會有漏氣現(xiàn)象，從而使得氣流不穩(wěn)定，不能形成穩(wěn)定的氣輔擠出。

目前的研究成果為研究人員在以后的實驗中建立穩(wěn)定的氣墊層提供了基礎(chǔ)。今后，應(yīng)在研究氣體壓力、氣體溫度、氣閥和螺桿開啟先后順序等影響因素的基礎(chǔ)上，考慮實驗過程中其它因素的影響，因此，今后的研究方向為：

(1)已有的實驗研究大多是針對單面氣輔擠出，而對于內(nèi)部空心異型材在氣輔擠出過程中要形成內(nèi)外兩面氣輔，所以，研究人員應(yīng)考慮如何使內(nèi)外壁面同時建立穩(wěn)定的氣墊膜層，并分析影響兩面氣輔擠出中氣墊膜層穩(wěn)定性的因素，以成功地實現(xiàn)異型材氣輔穩(wěn)定擠出。

(2)目前，關(guān)于氣體流量對形成穩(wěn)定氣墊膜層影響的研究，僅研究了氣體流量的大小影響擠出物的截面尺寸和穩(wěn)定的氣輔擠出，并未研究氣體流量和氣墊膜層穩(wěn)定性的直接關(guān)系，今后應(yīng)考慮研究氣體流量和氣墊膜層穩(wěn)定性的關(guān)系。

利用機體底部與地面之間的一層壓縮空氣(氣墊)支撐自身重力而運行的運載工具，又稱氣墊飛行器或氣墊船。

氣墊裝置

air-cushion vehicle

第一個試驗成功的氣墊裝置是英國人C.科克雷爾設(shè)計的 SR.N1氣墊船。它在1959年進行了首次運行。氣墊裝置分為增壓室式和周邊氣幕（周邊射流）式兩類。①增壓室式：裝置的底部好像一個倒扣的盤子，空氣經(jīng)低壓高流量的離心式風(fēng)機進入底部與地面（或水面）構(gòu)成增壓室，形成氣墊而使裝置浮升。側(cè)壁式氣墊船和各種起重氣墊平臺廣泛應(yīng)用這種型式。側(cè)壁式氣墊船一般用水下螺旋槳或噴水推進，用水舵操縱方向，沒有兩棲能力。②周邊氣幕式：離心式風(fēng)機增壓后的空氣經(jīng)底部周邊均勻布置的小噴口向下、向內(nèi)噴出,形成一個氣幕,以減少氣墊空氣的泄漏。如在周邊增加撓性圍裙，還可增加墊升高度。兩棲氣墊船多采用這種型式。氣墊裝置航速可達150公里/時以上，運行比較平穩(wěn)，適宜于在海上、沼澤地、水網(wǎng)地帶運行。在軍事上，氣墊裝置可用于兩棲登陸、巡邏、掃雷和反潛等。在民用上，可用于水上運輸、救生等。