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醫(yī)用介入導(dǎo)管具有尺寸微細(xì)、精度較高的特征，微擠出成型過(guò)程影響因素較多，成型較為復(fù)雜。隨著微加工技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)微擠出模具微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工成為現(xiàn)實(shí)，也促進(jìn)了微擠出成型技術(shù)的發(fā)展。本文研究了模具溫度、牽引速度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)聚丙烯和聚氨酯兩種粘度不同的材料導(dǎo)管擠出成型的影響規(guī)律。微擠出成型制品多數(shù)具有尺寸微小( 外徑小于2mm，壁厚小于0.2mm)、幾何精度高等特點(diǎn)，在截面形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的單腔醫(yī)用介入導(dǎo)管擠出成型過(guò)程中引入微量注氣系統(tǒng)，采用擠出模具成型段長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型和微細(xì)電火花成型加工技術(shù)，可設(shè)計(jì)制造單腔微擠出模具。在擠出過(guò)程中，為排除導(dǎo)管復(fù)雜截面對(duì)微管尺寸的影響，一般以聚丙烯( PP) 和聚氨酯( TPU) 為材料，以截面相對(duì)簡(jiǎn)單的單腔導(dǎo)管直徑和壁厚為指標(biāo)。那么單腔導(dǎo)管擠出成型過(guò)程中主要工藝參數(shù)對(duì)不同材料導(dǎo)管截面尺寸變化的影響規(guī)律是怎樣的呢?
1 單腔醫(yī)用介入導(dǎo)管擠出模具設(shè)計(jì)和制造
單腔醫(yī)用介入導(dǎo)管截面形狀如圖1所示， 由一個(gè)圓型腔和均勻的壁厚組成。導(dǎo)管材料為T30S聚丙烯(PP) 和德國(guó)拜耳5377A聚氨酯( TPU)。PP適合擠出的溫度范圍185 ℃ -275 ℃，TPU適合擠出的溫度范圍170 ℃ -10 ℃。
圖 1 單腔導(dǎo)管截面
通過(guò)R osand- R H7雙料筒毛細(xì)管流變儀和直徑為0.5mm、長(zhǎng)徑比為16 ∶ 1的圓形口模進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)，剪切速率取500-4000s-1， 可分別獲取 PP 和TPU 的剪切粘度與剪切速率的關(guān)系曲線如圖2。在同樣的剪切速率下，PP的剪切粘度要小于TPU的剪切粘度，PP的擠出體積流率要大于TPU的擠出體積流率。
圖 2 PP 和 TPU 的剪切粘度與剪切速率曲線
由單腔醫(yī)用介入導(dǎo)管的截面形狀，設(shè)計(jì)其口模截面如圖3。
圖 3 單腔導(dǎo)管口模截面
成型段長(zhǎng)度是擠出模具最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其長(zhǎng)度直接決定著擠出導(dǎo)管的質(zhì)量和產(chǎn)量。如果成型段長(zhǎng)度不足，將會(huì)導(dǎo)致制品嚴(yán)重地?cái)D出脹大，擠出的導(dǎo)管截面形狀將無(wú)法控制; 如果成型段長(zhǎng)度太長(zhǎng)，模具內(nèi)的壓力損失將會(huì)變大，將使擠出體積流率減小，進(jìn)而使制品產(chǎn)量也會(huì)相應(yīng)地減小。根據(jù)成型段長(zhǎng)度計(jì)算公式如(1)可計(jì)算擠出模具成型段長(zhǎng)度：
其中L，W，H 分別是口模成型段的長(zhǎng)度，口模截面流道的平均周長(zhǎng)和寬度; ΔP 是口模成型段處的壓力降; Q 是體積流率; n 是非牛頓指數(shù); K”是流體稠度。
擠出模具的口模和芯棒設(shè)計(jì)分別如圖4和圖5所示：
圖 4 單腔口模
圖 5 單腔芯棒
單腔醫(yī)用介入導(dǎo)管擠出模具制造的難點(diǎn)在于芯棒微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。針對(duì)芯 棒成型段直徑尺寸( 0. 7mm) 微細(xì)、易變形、易斷裂等難于加工的問(wèn)題，采用微細(xì)電火花成型加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成型段的精密加工; 針對(duì)芯棒內(nèi)部大深徑比的注氣孔難于加工的問(wèn)題，采用微細(xì)電火花階梯孔漸進(jìn)式加工方法，實(shí)現(xiàn)了芯棒注氣孔的加工。裝配后的擠出模具如圖6所示。
圖 6 單腔導(dǎo)管擠出模具
2 擠出成型
材料為上面所提及的擠出級(jí)聚丙烯( PP) 和聚氨酯( TPU)，擠出試驗(yàn)設(shè)備是美國(guó)戴維斯公司制造的HPE-100H的單螺桿擠出機(jī)( 螺桿直徑為25 mm，長(zhǎng)徑比為24 ∶ 1)，如圖7。
圖 7 單螺桿擠出機(jī)
導(dǎo)管尺寸由蘇州歐卡精密光學(xué)儀器有限公司制造的工具顯微鏡( 型號(hào)VTM-3020F) 進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)PP和TPU的特性，擠出機(jī)機(jī)筒從入料口到出料口被分成三段加熱區(qū)間，擠出模具的溫度被設(shè)定為200℃。PP和TPU放入70℃烘干箱內(nèi)分別持續(xù)加熱1小時(shí)和3小時(shí)烘干。
在擠出模具里，聚合物被擠出成型。導(dǎo)管通過(guò)牽引機(jī)牽引，經(jīng)過(guò)冷卻水箱冷卻，并在常溫下吹干、切割，最后獲取導(dǎo)管。在每個(gè)試驗(yàn)工藝下，切割五段導(dǎo)管，并測(cè)量尺寸，取其平均值，以此獲取擠出工藝參數(shù)對(duì)導(dǎo)管尺寸的影響規(guī)律。
影響導(dǎo)管尺寸的工藝參數(shù)主要包括模具溫度，牽引速度和螺桿轉(zhuǎn)速。在試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)管型腔注氣速度為6mL/min。(螺桿速度即擠出速度。)
3 結(jié)果與分析
在進(jìn)行模具溫度對(duì)PP 和TPU導(dǎo)管直徑和壁厚影響的擠出時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)速為4 r/min，牽引速度為6m/min。模具溫度與導(dǎo)管尺寸的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可知，模具溫度對(duì)導(dǎo)管尺寸的影響很小，同時(shí)PP導(dǎo)管尺寸大于TPU 導(dǎo)管尺寸。由圖2可知，PP的剪切粘度小于TPU的剪切粘度，所以PP的擠出體積流率要大于TPU的擠出體積流率，擠出的PP導(dǎo)管尺寸大于TPU導(dǎo)管尺寸。
圖 8 模具溫度與導(dǎo)管尺寸的關(guān)系曲線
圖9是牽引速度與導(dǎo)管尺寸的關(guān)系曲線。在恒定的擠出速度下，伴隨著牽引速度的增加，導(dǎo)管尺寸呈非線性減小。恒定的螺桿轉(zhuǎn)速意味著擠出速度不變，擠出的體積流率保持不變。當(dāng)牽引速度逐漸增加時(shí)，導(dǎo)管尺寸逐漸減小。
圖 9 牽引速度與導(dǎo)管尺寸的關(guān)系曲線
導(dǎo)管尺寸減小的變化率越來(lái)越小。在擠出過(guò)程中，剛離開口模的聚合物大分子脫離口模的約束，快速恢復(fù)到自然卷曲狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象。同時(shí)在較低的牽引速度下，恢復(fù)后卷曲狀大分子逐漸被拉直，因而導(dǎo)管尺寸減小的變化率非常大。
隨著牽引速度的繼續(xù)增加，大分子逐漸被拉伸到了極限，進(jìn)而出現(xiàn)了分子間的相對(duì)滑移，導(dǎo)管徑向收縮減慢，導(dǎo)致導(dǎo)管尺寸減小的變化率逐漸變小。
圖 10 PP 導(dǎo)管
此外，由圖9還可以看出，PP導(dǎo)管尺寸比TPU導(dǎo)管尺寸更大。在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下，與PP相比TPU的剪切粘度更高如圖2所示。因此從模具中擠出的PP體積流率要大于TPU，進(jìn)而PP導(dǎo)管尺寸要大于TPU 導(dǎo)管尺寸。
在進(jìn)行螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)PP和TPU導(dǎo)管直徑和壁厚的影響試驗(yàn)時(shí)，模具溫度為200 ℃，牽引速度為6m/min。伴隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，導(dǎo)管尺寸呈非線性地變大。主要原因在于模具入口前的壓力呈非線性變化。
圖 11 TPU 導(dǎo)管
由于PP的剪切粘度小于TPU，PP導(dǎo)管的擠出體積流率大于TPU導(dǎo)管的擠出體積流率，所以PP導(dǎo)管尺寸大于TPU導(dǎo)管尺寸。擠出的單腔導(dǎo)管如圖10和圖11所示，滿足設(shè)計(jì)要求并且有很好的擠出一致性。
通過(guò)對(duì)PP和TPU導(dǎo)管擠出工藝的試驗(yàn)研究，模具溫度對(duì)導(dǎo)管尺寸影響較小; 牽引速度和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)導(dǎo)管尺寸的影響呈非線性變化; PP的剪切粘度小于TPU的剪切粘度，PP的擠出體積流率大于TPU的擠出體積流率，因而在同等擠出工藝條件下，PP導(dǎo)管尺寸大于TPU導(dǎo)管尺寸。
