氣墊成型氣體壓力的影響

擠出成型加工具有生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是聚合物成型的重要方法之一。在傳統(tǒng)的擠出成型過(guò)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(shí)，擠出過(guò)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(guò)某一極限值時(shí)，擠出物的表面會(huì)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(guò)程中，熔體與壁面形成的非滑移黏著剪切流動(dòng)而導(dǎo)致的流動(dòng)不穩(wěn)定。

自20世紀(jì)30年代M.Mooney提出壁面滑移概念以來(lái)，人們對(duì)擠出過(guò)程中的壁面滑移現(xiàn)象進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)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(rùn)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(guó)的R.F.Liang等在2000年首次提出的一項(xiàng)新型聚合物擠出技術(shù)，其創(chuàng)新之處在于通過(guò)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(dòng)，又要防止熔體和口模壁面直接接觸，使擠出過(guò)程由非滑移粘著剪切流動(dòng)方式轉(zhuǎn)化成完全滑移非粘著剪切流動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)成功的氣輔擠出。因此，研究氣體輔助擠出過(guò)程中影響氣墊膜層穩(wěn)定性的因素，使這項(xiàng)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(shí)的操作等。

氣體溫度對(duì)擠出穩(wěn)定性的影響可用熔體黏度的影響來(lái)解釋，因?yàn)闅怏w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(shí)，熔體的溫度就會(huì)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(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致氣流不穩(wěn)定。氣體溫度越低，對(duì)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(shí)，熔體的黏度降低，容易形成穩(wěn)定的氣流，達(dá)到穩(wěn)定擠出，但當(dāng)氣體溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使熔體的局部發(fā)生降解，同時(shí)氣體容易進(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)，容易形成穩(wěn)定的氣墊膜層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氣輔擠出；當(dāng)氣體溫度低于熔體溫度時(shí)，有時(shí)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(rèn)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(shí)，氣體會(huì)穿透擠出物表面而使它發(fā)泡。但當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)影響熔體的流動(dòng)，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(duì)氣輔擠出中影響氣墊膜層穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，氣體壓力、溫度等多種因素對(duì)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(dòng)，在擠出過(guò)程中，由于氣體和擠出熔體相接觸，氣體溫度的變化會(huì)使熔體溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致熔體的黏度發(fā)生變化，進(jìn)而影響氣輔擠出的穩(wěn)定性。

R.Brzoskowski等通過(guò)多孔金屬管將壓縮空氣引入口模內(nèi)，形成氣墊膜層，實(shí)現(xiàn)了氣輔擠出，但實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有具體驗(yàn)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(zhǎng)度等因素的關(guān)系。此后，錢百年等通過(guò)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(rùn)滑段的短纖維剪切取向機(jī)頭，用來(lái)擠出短纖維增強(qiáng)膠管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣體潤(rùn)滑口模不僅能減小口模壓降，通過(guò)選取合適的有氣輔段長(zhǎng)度可以形成穩(wěn)定的氣墊膜層。但是，這種通過(guò)多孔金屬管引入氣體的氣輔擠出口模，最大的問(wèn)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(shí)驗(yàn)認(rèn)為，有氣輔段越長(zhǎng)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(rèn)為，有氣輔段長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，有氣輔段越長(zhǎng)，氣墊膜層的穩(wěn)定性越差，但該段越短，熔體經(jīng)過(guò)它的時(shí)間就會(huì)縮短，熔體在有氣輔段的松弛時(shí)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(zhǎng)徑比的增大而減小，當(dāng)長(zhǎng)徑比超過(guò)某一值時(shí)，擠出脹大比趨于一穩(wěn)定值，但長(zhǎng)徑比太大不利于氣墊膜層的形成。P.Jay等實(shí)驗(yàn)認(rèn)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(dá)到精密擠出的效果；在高We數(shù)下，滑移段的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(guò)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(zhǎng)滑移段口?？色@得穩(wěn)定的氣輔擠出。有氣輔段長(zhǎng)度作為氣輔擠出口模設(shè)計(jì)的一個(gè)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(méi)有其它因素影響的情況下，一般有氣輔段越長(zhǎng)，其氣墊膜層越不穩(wěn)定。

黃益賓等對(duì)氣體輔助共擠過(guò)程的氣墊膜層形成和穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析，實(shí)驗(yàn)用兩臺(tái)擠出機(jī)為螺桿直徑分別為65 mm和50 mm的單螺桿擠出機(jī)，螺桿直徑大的稱為主機(jī)，螺桿直徑較小的稱為共擠機(jī)，螺桿加熱采用電熱圈加熱，沿螺桿長(zhǎng)度方向由三段電加熱圈加熱。螺桿溫度用熱電偶測(cè)量并反饋到溫度控制儀，溫控儀控制接觸器的通斷來(lái)控制加熱電路通斷，最終實(shí)現(xiàn)螺桿的溫度控制。實(shí)驗(yàn)所用材料分別為聚丙烯(牌號(hào)為RB2.0HC)、聚丙烯(牌號(hào)為T300)和高密度聚乙烯(牌號(hào)為HDPE6908)。研究發(fā)現(xiàn)，氣體壓力和溫度對(duì)氣墊膜層有影響時(shí)，先開(kāi)啟擠出機(jī)螺桿，待共擠出穩(wěn)定后，再開(kāi)啟氣閥，然后，調(diào)整氣體的壓力和溫度，當(dāng)進(jìn)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(shí)，在通氣初期氣輔共擠出不穩(wěn)定，但擠出一段時(shí)間后，能逐漸達(dá)到穩(wěn)定的氣輔共擠出狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，在氣輔共擠出過(guò)程中先開(kāi)啟螺桿再打開(kāi)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(jìn)行異型材氣輔擠出實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，若先啟動(dòng)擠出機(jī)螺桿進(jìn)行擠出再打開(kāi)氣體，不能實(shí)現(xiàn)氣體輔助擠出。這是由于先開(kāi)啟擠出螺桿進(jìn)行擠出時(shí)，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(shí)，粘附于口模壁面的熔體就會(huì)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(jìn)而影響擠出過(guò)程。但此時(shí)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(kāi)氣閥、后啟動(dòng)擠出機(jī)螺桿時(shí)，只要?dú)怏w壓力、氣體溫度及有氣輔段長(zhǎng)度在合適的范圍內(nèi)，就會(huì)形成穩(wěn)定的氣墊膜層。

肖建華通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氣體流量大小和穩(wěn)定氣輔擠出的關(guān)系，運(yùn)用氣體運(yùn)動(dòng)理論和氣體紊流響應(yīng)解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將氣體流量由0.4m³/h增加到0.8m³/h以上時(shí)，氣體流量計(jì)中的轉(zhuǎn)子開(kāi)始出現(xiàn)有規(guī)律的上下波動(dòng)，即氣體流量出現(xiàn)了不穩(wěn)定的波動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)擠出物表面成波紋狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在氣輔擠出過(guò)程中，增大氣體流量容易引起氣墊膜層厚度波動(dòng)或氣體產(chǎn)生紊流，使擠出物表面以波紋形式擠出，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣輔擠出；氣體流動(dòng)對(duì)熔體的作用是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，氣體產(chǎn)生紊亂流動(dòng)，是由于氣流的作用力強(qiáng)迫熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊流響應(yīng)(又稱抖振)，而熔體的抖振反過(guò)來(lái)又將改變氣流的作用力，產(chǎn)生附加的氣動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，氣墊膜層的移動(dòng)速度快，對(duì)擠出熔體有一定的拉動(dòng)作用，使熔體截面尺寸減小，所以，可通過(guò)調(diào)整氣體流量控制擠出物的截面尺寸。M.R.Mackley實(shí)驗(yàn)證明，在氣輔擠出過(guò)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(shí)，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(shí)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(duì)氣墊膜層內(nèi)氣體流速的測(cè)量十分困難，目前的實(shí)驗(yàn)中僅僅研究了氣體流量對(duì)擠出流量、擠出速度和擠出物直徑的影響，未見(jiàn)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(bào)道。

R.F.Liang等采用縫隙口模對(duì)高密度聚乙烯進(jìn)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(jìn)入下口模的氣室中，再沿環(huán)形縫隙進(jìn)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(shí)，利用縫隙口模進(jìn)行氣輔擠出時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)縫隙間隙來(lái)控制氣墊膜層的厚度，而通過(guò)調(diào)節(jié)縫隙間隙對(duì)氣墊膜層的穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有影響。

黃興元等在實(shí)驗(yàn)中分別使口模中的環(huán)形縫隙為0.1mm和0.2mm進(jìn)行氣輔實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)形縫隙對(duì)氣墊膜層的建立和穩(wěn)定性沒(méi)有明顯的影響。但是，氣輔擠出設(shè)備的密封性對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氣輔擠出有影響，密封不好，就會(huì)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(shí)驗(yàn)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(kāi)啟先后順序等影響因素的基礎(chǔ)上，考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中其它因素的影響，因此，今后的研究方向?yàn)椋?

(1)已有的實(shí)驗(yàn)研究大多是針對(duì)單面氣輔擠出，而對(duì)于內(nèi)部空心異型材在氣輔擠出過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)異型材氣輔穩(wěn)定擠出。

(2)目前，關(guān)于氣體流量對(duì)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(jī)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(yùn)行的運(yùn)載工具，又稱氣墊飛行器或氣墊船。

氣墊裝置

air-cushion vehicle

第一個(gè)試驗(yàn)成功的氣墊裝置是英國(guó)人C.科克雷爾設(shè)計(jì)的 SR.N1氣墊船。它在1959年進(jìn)行了首次運(yùn)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(gè)倒扣的盤子，空氣經(jīng)低壓高流量的離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)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(tái)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(jìn)，用水舵操縱方向，沒(méi)有兩棲能力。②周邊氣幕式：離心式風(fēng)機(jī)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(gè)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(dá)150公里/時(shí)以上，運(yùn)行比較平穩(wěn)，適宜于在海上、沼澤地、水網(wǎng)地帶運(yùn)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(yùn)輸、救生等。