摘要：本文對擠出吹塑成型過程的三個階段：型坯成型、型坯吹脹以及制品冷卻與固化階段的實驗方法和裝置的研究現狀進行了詳細論述。

　　1.概述

　　擠出吹塑是塑料中空制件生產的主要成型方法之一，適于PE、PP、 PVC、熱塑性工程塑料、熱塑性彈性體等聚合物及各種共混物，主要用于成型包裝容器，儲存罐與大桶，還可成型用于汽車工業等工業制件。擠出吹塑成型跟其他的塑料中空成型一樣，其主要優點是生產的產品成本低，工藝簡單，效益高，但其突出缺點是制品壁厚尺寸及均勻性不易控制[1]。

　　擠出吹塑成型是將擠出成型的半熔融狀態的塑料管坯(型坯),趁熱置于各種形狀的模具中,并即時在管坯中通入壓縮空氣將其吹脹,使其緊貼于模腔壁上成型,經冷卻脫模后得到中空制件的熱成型過程。它的整個成型過程可以分為:型坯形成、型坯吹脹以及冷卻和固化三階段。

　　國內外的研究者從60年代一直到現在都力圖用不同的方法來研究擠出吹塑成型的各個階段以及全過程，但總的來說大致可分為兩大類：實驗研究和數值分析技術。數值分析法是建立在連續性方程，運動方程和能量方程三大基本方程上，須做大量假設來簡化方程，用有限差分或有限元法求解。而且本構方程中的某些流變參數數據也不易得到。對于形狀復雜的在制品，需要耗大量的計算機時間。實驗研究則是最簡單直接的方法。

　　下面對擠出吹塑各個階段的實驗研究狀況進行綜述分析。

　　2.型坯成型階段研究狀況

　　型坯形成是指通過擠出成型得到半熔融狀態的塑料管坯(型坯)。隨著中空吹塑制件的幾何形狀越來越復雜,設計良好的預成型型坯對以最小的材料消耗獲得所需求的壁厚分布且結構穩定的制件有著重要的意義,也就是在型坯成型階段通過采用調節型坯的壁厚分布形狀,以使吹塑制品的壁厚分布趨于均勻。由于型坯形成時的擠出膨脹、下垂、回彈等因素使得型胚成型階段型胚尺寸在長度方向不一致而變得非常復雜。由于擠出的聚合物型坯溫度高而無法直接測量，對擠出吹塑中型坯成型階段的實驗研究主要是設計實驗方法來測量型胚直徑分布和壁厚分布。最早用實驗方法研究而獲得型坯尺寸的是Sheptakr等人。他們設計了一種被稱為“夾坯型”的特殊模具來分析型坯。這種裝置只能得到型坯的質量膨脹Sw，但不能直接得到型坯的直徑和壁厚膨脹。Kalyon等[2]在上述裝置上增加了一套攝像裝置，可用于拍攝模具夾坯前型坯的圖像，從而可獲得型坯的直徑分布。這種方法能得到較精確的型坯直徑分布，但較費時，且不能用于在線測量，因此限制了它的實際應用。

　　另一種測量型坯膨脹的方法是塑料熔體直接擠出到與熔體相同溫度和密度的油中，這樣可以在無垂伸和固化的條件下測量型坯的膨脹；同時由于油箱側壁是透明玻璃，可在一定的時間間隔內對型坯進行拍照；又由于塑料熔體的透明性，根據照片就可確定型坯內外的直徑分布。由于型坯膨脹，型坯的形狀尺寸沿著型坯長度方向是不一致的。為了標識數據測量的位置，每隔固定時間用噴墨裝置把碳黑粒子噴射到型坯表面上做記號。但這種方法沒有考慮垂伸的影響，難以在實際生產中應用。

　　隨著圖像分析技術的發展，越來越多的研究者都偏向使用圖像分析技術來確定型坯尺寸。型坯的直徑分布可通過圖像直接測量，但型坯的厚度分布則不能，它只能間接計算得到。許多的研究者試著用不同的測量手段和算法來計算型坯壁厚分布。P.L.Swan等[3]設計了一套使用兩臺攝像機的裝置來測量型坯膨脹尺寸(如圖4所示)。讓型坯擠入到溫度與型坯一樣的容器中，位于下面的攝像機(9)對準型坯的末端，而位于上端的攝像機(5)發出信號通過計算機控制攝像機(9)的位置以保證其在型坯擠出過程中總是對準型坯的末端。通過圖像可以得到型坯的直徑和壁厚尺寸。但實驗裝備復雜且只考慮等溫的情況，實際應用不廣。#p#分頁標題#e#

　　R.W.Diraddo和A.Garcia-Rejon[4]提出只建立在圖像分析基礎上非接觸式測量型坯壁厚分布的方法。該實驗只使用一臺攝像機對型坯擠出過程進行拍照，測量出型坯長度隨時間的變化關系、型坯的直徑分布、擠出流率、型坯沿長度方向的溫度梯度，再根據型坯壁厚分布與這些參數的關系計算出型坯壁厚分布。R.W.Diraddo等用此方法分別研究了不同分子量大小的HDPE樹脂，流率、熔體溫度、口模間隙對型坯壁厚分布的影響。這種方法理論復雜，實驗數據處理較繁瑣。

　　W.I.Patterson和M.R.Kamal[5]開發了型坯壁厚尺寸分布在線閉環控制系統。在該系統中，型坯的長度和直徑可通過相機及與其相連的圖像分析儀直接得到，型坯壁厚分布則通過幾何關系計算獲得，但其中所用的經驗參數比較難得到。若要實現對型坯壁厚尺寸分布的在線閉環控制，則需要一種能直接在線測量型坯壁厚分布的方法。

　　假定熔體流量為一常數的前提下，型坯壁厚可由一簡單方法計算得到，且可用于在線測量。最早使用該方法的是德國Kaise，后由Svein Eggen和Arne Sommerffeldt[6]改進，測量裝置簡圖如圖5所示。由攝像機和向型坯表面噴墨的裝置及圖形分析儀組成。型坯的直徑分布可直接由所拍攝的圖片得到，再測量相鄰墨點間的距離，根據流量為一常數的假設，型坯的壁厚分布可由計算得到。

　　其中R是型坯半徑，q是流率，ρ是熔體密度，z是相鄰墨點間的距離。這種方法理論簡單，實驗裝置簡易，測量精度較高，但實驗數據較多，處理較繁瑣。

　　有些研究者利用光學方法來研究型坯成型。P.L.Swan、M.R.Kamal和A.Garcia-Rejon[7]研制開發了一套光學傳感器測量裝置，如圖6所示，它可在閉模前在線測量型胚的厚度尺寸分布。該裝置是基于光學中光線反射的原理設計的。一束激光一定的角度射向型坯表面，激光束經型坯內外表面反射形成兩束激光，攝像鏡頭檢測出這一間隔并將送入計算機分析系統，根據幾何關系，計算機就能算出型坯壁厚分布。但在光線反射的同時還存在光線的折射問題,而光線的折射在這種測量方法中是不容忽視的,要把折射考慮進去并且要確定型坯的折射率無疑給這種測量方法增加了很大的復雜性和難度。

　　3.型坯吹脹階段研究狀況

　　型坯吹脹是指將塑料管坯趁熱置于模具中,并即時在管坯中通入壓縮空氣將其吹脹，緊貼于模腔壁上成型，這個階段的成型直接影響制品的外形，壁厚均勻性以及制品的性能，是整個成型過程的關鍵環節。

　　在這一階段，型坯吹脹的實驗研究主要包括兩個方面：一方面是型坯吹脹動力學研究，另一方面是型坯吹脹完畢后，型坯壁厚尺寸的測量。最早建立實驗裝置對型坯吹脹動力學研究的是Musa R.Kamal、Victor Tan和Dilhan Kalyon[8]。他們自行設計透明吹塑模具，并用兩臺攝像機來拍攝型坯在模具內的脹大行為，其裝置簡圖如圖8所示，所拍的圖片送入圖形分析儀分析，從而確定型坯的直徑分布隨時間的變化關系。

　　Ryan和Dutta[9]利用攝像技術在無模具條件下監測了型坯的自由膨脹行為，并得到了型坯脹大尺寸。其后大部分研究者都是用此類似的方法來研究型坯的吹脹行為的。

　　Wagner和Kalyon[10]在Kamal[8]基礎上再設計內部裝有固體壓力傳感器，如圖8所示。它可測量型坯吹脹時的壓力，同時，另一壓力傳感器裝在模具型腔的飛邊上，這樣，兩傳感器就可測量吹塑過程中吹塑階段型坯內外的真實壓力差。他們用此裝置研究了三種PA-6在吹脹壓力下對吹脹行為的影響。

　　最近Yong Li等[11]使用可以測得瞬時表面形狀的高速光學測量系統來測量聚合物薄膜的脹大行為。其測量簡圖如圖9所示。聚合物薄膜型坯兩端固定在兩平板間，通入壓縮空氣至壓力腔使聚合物薄膜型坯脹大。光學探頭內有CCD攝像機和光柵發射器。測量時，光柵發射器發射光柵投到聚合物薄膜型坯表面，光柵隨著聚合物薄膜型坯變形而變形，因此光柵圖中就包含了聚合物薄膜型坯表面形狀的信息。攝像機快速拍攝到光柵圖并送入計算機內處理就可得到聚合物薄膜型坯脹大尺寸。MCDL是多通道數據集線器，它可同時采集壓力和光柵圖信號以便得到脹大過程中壓力與聚合物薄膜型坯形狀之間的關系。實驗證明其測量精度比圖7高得多。#p#分頁標題#e#

　　型坯壁厚尺寸測量有離線測量和在線測量，由于離線測量測簡單，因此使用較多。離線測量包括有紅外，超聲波和千分尺測量。這些方法不僅費時，而且由于離線測量而引起的時間滯后需對加工過程產生的偏差進行修正，導致測量的不精確而出現許多不合格制品。

　　在線測量制品壁厚尺寸能把滯后時間減少到最小，因此提高加工過程工過程產生的偏差修正的精度。Diderichs和Oeynhauser[12]使用置于模具內的超聲波傳感器來測量壁厚分布。其測量原理如圖10所示。在超聲波傳感器內壓電晶體產生的短超聲波在物體，之后被物體壁面反射，返回傳感器。被測量物體的壁厚s就等超聲波在物體內的速度乘超聲波在物體內傳送所需時間的一半。但是超聲波測量的精度受聚合物性能(如密度、結晶度)與溫度的影響很大。

　　4.制品冷卻及固化階段研究進展

　　制品冷卻及固化是指型坯吹脹緊貼模壁后憑借熱擴散率較高的模具和壓縮空氣進行冷卻，冷卻至一定溫度后開模，再在空氣中冷卻的過程。一般包括外冷卻(制品外表面與模腔間的導熱)，內冷卻(制品內表面與冷卻空氣或其它介質間的對流傳熱)及開模后冷卻(制品的內外表面與空氣或其它介質的自然對流傳熱)。

　　制品冷卻及固化階段的實驗研究主要是測量制品瞬態溫度、收縮率、翹曲等。

　　制品的瞬態溫度一般是利用高靈敏度的熱電偶和數據采集器來測量。1981年，Edward[13]等人設計“半瓶成型實驗”來驗證其擠出吹塑冷卻過程的理論預測。如圖11所示。實驗中外表面的瞬時溫度用熱電偶測得，內表面溫度在制品一離開模具用輻射高溫計測得。其結果與理論預測結果基本一致。1995年Diraddo等[14]用六個熱電偶從模具的不同部位插入制品的不同厚度處，并通過與之連接的溫度采集器采集溫度，獲得制品不同厚度處的瞬態溫度，這與只測量內、外表面溫度有了較大的改進。

　　而最早測得制品的收縮率是Diraddo等[14]。他們在模腔內加工出尺寸為5mmx5mm的網格，型坯吹脹后網格印在制品的表面上，這樣可直接測出制品在軸向和周向收縮，然后根據質量守恒定律計算徑向收縮。

　　制品翹曲一般用三維激光數字系統測量制品的形狀[15]，進而得到制品的收縮和翹曲。

　　5.結論

　　實驗研究一直是指導工程應用最直接的方法，也是理論研究的基礎和依據。擠出吹塑成型過程包括型坯成型、型坯吹脹以及制品冷卻與固化三個階段。各國的研究者正采用不同的實驗方法和裝置對擠出吹塑各個階段進行研究，其研究發展對工藝及模具結構優化和生產效率的提高有重要意義。隨著科技的發展，實驗手段的改善，擠出吹塑成型過程的實驗研究將會更上一層樓，為實際生產提供更好的指導，生產出在質量、性能等各方面適應社會需求的中空吹塑件。