微通道塑料薄膜的挤出工艺与装备的基础研究

采用特殊设计的安装有流体夹带器的缝隙口模，搭建研究微通道塑料薄膜（MCF）挤出加工过程的实验平台。通过系统实验，获得独特结构的内含平行中空微米级直径通道的塑料薄膜，得出工艺参数和原料特性对MCF加工稳定性、制品形态尺寸和力学性能的影响规律。在MCF加工实验基础上，基于流变学、流体动力学、界面科学等理论，建立物理发泡剂导入聚合物精密挤出微通道薄膜的理论模型，采用数值模拟手段，探索聚合物特性、物理发泡剂流量、温度、压力与梯度等参数、以及机头工作温度、熔体拉伸长度、冷却气体流量、拉伸速率比、聚合物与发泡剂流体之间的粘度比、速率比、温度差、压力比等参数对微通道界面成型稳定性和界面内径尺寸的影响规律。对比分析实验和数值模拟结果，揭示物理发泡剂流体导入聚合物熔体挤出形成连续有方向排列的微通道过程的界面形成、稳定性和尺寸变化机理。

微通道塑料薄膜（MCF）作为一种低成本、有着独特结构的新颖材料，在微型换热器、微型反应器、传感器、膜分离、生物医学以及包装等诸多重要领域有广泛应用前景。其研究工作首先由英国剑桥大学于2003年开始，并持续到现在。本项目提出了发泡剂注入塑料挤出微通道成型新方法，突破了国外传统的微通道加工工艺；设计制作了MCF挤出成型设备、辅助气动系统、薄膜拉伸装置以及软件控制系统，建立了MCF挤出加工的实验平台；研制成功目前国内唯一的一条小规模MCF生产线，并研制出国内第一个LLDPE微通道塑料薄膜制品。LLDPE挤出制得的MCF，宽度20mm左右，厚度0.6-0.7mm左右，内部28条通道内径为100-150µm。本方法实现了塑料挤出成型沿着膜的长度方向排列平行中空微小通道的新方法，适用范围广，自动化程度高，操作简单，微通道成型过程稳定，制品质量高。. 本项目开展了单孔、19孔和28孔MCF成型加工工艺实验，系统地研究了工艺参数和原料特性对微通道界面形成、结构尺寸、稳定性及其力学性能的影响，工艺参数包括压力、流量、温度、熔体拉伸长度、拉伸速率比等，重点研究了注射气体压力对微通道结构尺寸和空隙率的影响。通过实验和数值模拟分析，得到了单孔和28孔MCF的微通道尺寸与注射气体压力的关系，并建立了预测28微通道尺寸和薄膜空隙度的经验公式；揭示了不同注射气体压力作用下MCF微通道结构的变化规律。研究表明，熔体内气体压力与熔体结构刚度之间力的平衡实现了微通道的稳定挤出成型。此外，建立了微通道成型过程的相关理论模型，采用数值模拟方法，开展交叉导流式、气泡诱导式微混合以及周期电渗流主动微混合过程研究，探索机头模腔内塑料熔体与发泡介质的混合机理，深入研究微通道挤出成型连续有方向的微通道界面形成、稳定性和尺寸变化规律。本研究结合了薄膜、泡沫塑料和中空纤维多方面技术，对于开发高性能MCF制品与高空隙度异型材，提高塑料薄膜产品附加值、节约生产原料，丰富微结构塑料制品成型加工理论，都有重要的科学意义和应用价值。