挤出吹塑成型实验研究进展

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赖家美 柳和生 黄汉雄

摘要： 本文对挤出吹塑成型过程的三个阶段：型坯成型、型坯吹胀以及制品冷却与固化阶段的实验方法和装置的研究现状进行了详细论述。 0 q, ~: o: T. z# W* F* }* U% R 关键词：挤出吹塑； 实验方法； 研究进展 1 T  X% ~1 L- X8 \9 f& e' A" k' c1.概述 挤出吹塑是塑料中空制件生产的主要成型方法之一，适于PE、PP、 PVC、热塑性工程塑料、热塑性弹性体等聚合物及各种共混物，主要用于成型包装容器，储存罐与大桶，还可成型用于汽车工业等工业制件。挤出吹塑成型跟其他的塑料中空成型一样，其主要优点是生产的产品成本低，工艺简单，效益高，但其突出缺点是制品壁厚尺寸及均匀性不易控制[1]。 ! j8 [1 F$ k& }1 K  e 3 W/ ]. ]( d- o5 Z  h# |挤出吹塑成型是将挤出成型的半熔融状态的塑料管坯(型坯),趁热置于各种形状的模具中,并即时在管坯中通入压缩空气将其吹胀,使其紧贴于模腔壁上成型,经冷却脱模后得到中空制件的热成型过程。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。 国内外的研究者从60年代一直到现在都力图用不同的方法来研究挤出吹塑成型的各个阶段以及全过程，但总的来说大致可分为两大类：实验研究和数值分析技术。数值分析法是建立在连续性方程，运动方程和能量方程三大基本方程上，须做大量假设来简化方程，用有限差分或有限元法求解。而且本构方程中的某些流变参数数据也不易得到。对于形状复杂的在制品，需要耗大量的计算机时间。实验研究则是最简单直接的方法。 * t5 K" s7 {; ]$ l 下面对挤出吹塑各个阶段的实验研究状况进行综述分析。 ) f* f- B& h" _3 O  g 2.型坯成型阶段研究状况 型坯形成是指通过挤出成型得到半熔融状态的塑料管坯(型坯)。随着中空吹塑制件的几何形状越来越复杂,设计良好的预成型型坯对以最小的材料消耗获得所需求的壁厚分布且结构稳定的制件有着重要的意义,也就是在型坯成型阶段通过采用调节型坯的壁厚分布形状,以使吹塑制品的壁厚分布趋于均匀。由于型坯形成时的挤出膨胀、下垂、回弹等因素使得型胚成型阶段型胚尺寸在长度方向不一致而变得非常复杂。 由于挤出的聚合物型坯温度高而无法直接测量，对挤出吹塑中型坯成型阶段的实验研究主要是设计实验方法来测量型胚直径分布和壁厚分布。最早用实验方法研究而获得型坯尺寸的是Sheptakr等人。他们设计了一种被称为“夹坯型”的特殊模具来分析型坯。这种装置只能得到型坯的质量膨胀Sw，但不能直接得到型坯的直径和壁厚膨胀。Kalyon等[2]在上述装置上增加了一套摄像装置，可用于拍摄模具夹坯前型坯的图像，从而可获得型坯的直径分布。这种方法能得到较精确的型坯直径分布，但较费时，且不能用于在线测量，因此限制了它的实际应用。 + K' P& n) c/ R, F8 ]9 C  y- E 另一种测量型坯膨胀的方法是塑料熔体直接挤出到与熔体相同温度和密度的油中，这样可以在无垂伸和固化的条件下测量型坯的膨胀；同时由于油箱侧壁是透明玻璃，可在一定的时间间隔内对型坯进行拍照；又由于塑料熔体的透明性，根据照片就可确定型坯内外的直径分布。由于型坯膨胀，型坯的形状尺寸沿着型坯长度方向是不一致的。为了标识数据测量的位置，每隔固定时间用喷墨装置把碳黑粒子喷射到型坯表面上做记号。但这种方法没有考虑垂伸的影响，难以在实际生产中应用。 0 h& q  s) H# l* Q ; M* I5 F( N- q) ?随着图像分析技术的发展，越来越多的研究者都偏向使用图像分析技术来确定型坯尺寸。型坯的直径分布可通过图像直接测量，但型坯的厚度分布则不能，它只能间接计算得到。许多的研究者试着用不同的测量手段和算法来计算型坯壁厚分布。P.L.Swan 等[3]设计了一套使用两台摄像机的装置来测量型坯膨胀尺寸（如图4所示）。让型坯挤入到温度与型坯一样的容器中，位于下面的摄像机（9）对准型坯的末端，而位于上端的摄像机（5）发出信号通过计算机控制摄像机（9）的位置以保证其在型坯挤出过程中总是对准型坯的末端。通过图像可以得到型坯的直径和壁厚尺寸。但实验装备复杂且只考虑等温的情况，实际应用不广。 ) F4 a+ j7 h* n# R" `' KR.W.Diraddo和A.Garcia-Rejon[4]提出只建立在图像分析基础上非接触式测量型坯壁厚分布的方法。该实验只使用一台摄像机对型坯挤出过程进行拍照，测量出型坯长度随时间的变化关系、型坯的直径分布、挤出流率、型坯沿长度方向的温度梯度，再根据型坯壁厚分布与这些参数的关系计算出型坯壁厚分布。R.W.Diraddo等用此方法分别研究了不同分子量大小的HDPE树脂，流率、熔体温度、口模间隙对型坯壁厚分布的影响。这种方法理论复杂，实验数据处理较繁琐。 ) p' }  ~( D% P. C( V7 | W.I.Patterson和M.R.Kamal[5]开发了型坯壁厚尺寸分布在线闭环控制系统。在该系统中，型坯的长度和直径可通过相机及与其相连的图像分析仪直接得到，型坯壁厚分布则通过几何关系计算获得，但其中所用的经验参数比较难得到。若要实现对型坯壁厚尺寸分布的在线闭环控制，则需要一种能直接在线测量型坯壁厚分布的方法。 5 S9 n4 w: i9 V8 q% m$ B: d假定熔体流量为一常数的前提下，型坯壁厚可由一简单方法计算得到，且可用于在线测量。最早使用该方法的是德国Kaise，后由Svein Eggen和Arne Sommerffeldt[6]改进，测量装置简图如图5所示。由摄像机和向型坯表面喷墨的装置及图形分析仪组成。型坯的直径分布可直接由所拍摄的图片得到，再测量相邻墨点间的距离，根据流量为一常数的假设，型坯的壁厚分布可由计算得到。 : W5 Y) s) u* u其中R是型坯半径，q是流率，ρ是熔体密度，z是相邻墨点间的距离。这种方法理论简单，实验装置简易，测量精度较高，但实验数据较多，处理较繁琐。 / D3 L1 ]% D4 C$ j5 I7 U3 D3 M 有些研究者利用光学方法来研究型坯成型。P.L.Swan、M.R.Kamal和A.Garcia-Rejon[7]研制开发了一套光学传感器测量装置，如图6所示，它可在闭模前在线测量型胚的厚度尺寸分布。该装置是基于光学中光线反射的原理设计的。一束激光一定的角度射向型坯表面，激光束经型坯内外表面反射形成两束激光，摄像镜头检测出这一间隔并将送入计算机分析系统，根据几何关系，计算机就能算出型坯壁厚分布。但在光线反射的同时还存在光线的折射问题,而光线的折射在这种测量方法中是不容忽视的,要把折射考虑进去并且要确定型坯的折射率无疑给这种测量方法增加了很大的复杂性和难度。 ' V( j; Q2 P( {+ Y2 b0 C1 Y 0 {+ z" h$ c6 ]7 U, ~0 T3.型坯吹胀阶段研究状况 2 c. h' {+ i' p9 I3 P; m  n  g# p型坯吹胀是指将塑料管坯趁热置于模具中,并即时在管坯中通入压缩空气将其吹胀，紧贴于模腔壁上成型，这个阶段的成型直接影响制品的外形，壁厚均匀性以及制品的性能，是整个成型过程的关键环节。 在这一阶段，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Musa R.Kamal、Victor Tan和Dilhan Kalyon[8]。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，其装置简图如图8所示，所拍的图片送入图形分析仪分析，从而确定型坯的直径分布随时间的变化关系。 2 m! s! W0 W8 GRyan和Dutta[9]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。其后大部分研究者都是用此类似的方法来研究型坯的吹胀行为的。 . O8 }: r6 J. B 9 C! D. n' r& O' D7 cWagner和 Kalyon[10]在Kamal[8]基础上再设计内部装有固体压力传感器，如图8所示。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PA-6在吹胀压力下对吹胀行为的影响。 ' l0 O9 l" f/ T- v 最近Yong Li等[11]使用可以测得瞬时表面形状的高速光学测量系统来测量聚合物薄膜的胀大行为。其测量简图如图9所示。聚合物薄膜型坯两端固定在两平板间，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CCD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形状的信息。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。MCDL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形状之间的关系。实验证明其测量精度比图7高得多。 1 p2 Q9 B' `& q型坯壁厚尺寸测量有离线测量和在线测量，由于离线测量测简单，因此使用较多。离线测量包括有红外，超声波和千分尺测量。这些方法不仅费时，而且由于离线测量而引起的时间滞后需对加工过程产生的偏差进行修正，导致测量的不精确而出现许多不合格制品。 ( S- i8 t  y) G$ L1 J在线测量制品壁厚尺寸能把滞后时间减少到最小，因此提高加工过程工过程产生的偏差修正的精度。Diderichs 和Oeynhauser[12]使用置于模具内的超声波传感器来测量壁厚分布。其测量原理如图10所示。在超声波传感器内压电晶体产生的短超声波在物体，之后被物体壁面反射，返回传感器。被测量物体的壁厚s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。但是超声波测量的精度受聚合物性能（如密度、结晶度）与温度的影响很大。 / v; |6 F" A- n5 l6 b4.制品冷却及固化阶段研究进展 0 F* p. {1 [& C) e; _7 K0 V 0 N! N% l! f! {3 X' C9 T1 Q1 J制品冷却及固化是指型坯吹胀紧贴模壁后凭借热扩散率较高的模具和压缩空气进行冷却，冷却至一定温度后开模，再在空气中冷却的过程。一般包括外冷却（制品外表面与模腔间的导热），内冷却（制品内表面与冷却空气或其它介质间的对流传热）及开模后冷却（制品的内外表面与空气或其它介质的自然对流传热）。 0 q/ m, U3 }  l2 y) { 制品冷却及固化阶段的实验研究主要是测量制品瞬态温度、收缩率、翘曲等。 % x0 K* k. _3 r6 V! |制品的瞬态温度一般是利用高灵敏度的热电偶和数据采集器来测量。1981年，Edward[13]等人设计“半瓶成型实验”来验证其挤出吹塑冷却过程的理论预测。如图11所示。实验中外表面的瞬时温度用热电偶测得，内表面温度在制品一离开模具用辐射高温计测得。其结果与理论预测结果基本一致。1995年Diraddo等[14]用六个热电偶从模具的不同部位插入制品的不同厚度处，并通过与之连接的温度采集器采集温度，获得制品不同厚度处的瞬态温度，这与只测量内、外表面温度有了较大的改进。 % n4 e( G1 ]1 m. Q  ?9 n 而最早测得制品的收缩率是Diraddo等[14]。他们在模腔内加工出尺寸为5mmx5mm的网格，型坯吹胀后网格印在制品的表面上，这样可直接测出制品在轴向和周向收缩，然后根据质量守恒定律计算径向收缩。 3 q3 B7 m1 p6 m- K9 ?, D 制品翘曲一般用三维激光数字系统测量制品的形状[15]，进而得到制品的收缩和翘曲。 9 {. x$ [+ w7 V/ r( B1 L; D + n* P' P$ s0 S' \, k# \. p* w5.结论 ' |( g& E+ X6 }% x4 ^  ^3 z实验研究一直是指导工程应用最直接的方法，也是理论研究的基础和依据。挤出吹塑成型过程包括型坯成型、型坯吹胀以及制品冷却与固化三个阶段。各国的研究者正采用不同的实验方法和装置对挤出吹塑各个阶段进行研究，其研究发展对工艺及模具结构优化和生产效率的提高有重要意义。随着科技的发展，实验手段的改善，挤出吹塑成型过程的实验研究将会更上一层楼，为实际生产提供更好的指导，生产出在质量、性能等各方面适应社会需求的中空吹塑件。