黃雪梅，柳和生，2*，黃興元，余 忠，江詩雨

（1.南昌大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院，南昌 330031；2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院南昌 330013；3.上饒師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒 334001）

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，各類型材的需求也越來越多，塑料異型件的生產(chǎn)比金屬異形件的加工制造更為容易，所以塑料異形件的應(yīng)用越來越廣泛。但是因?yàn)樗芰蠌?qiáng)度及其微觀結(jié)構(gòu)的原因，對(duì)很多塑料制品的應(yīng)用也還是有一定的限制，因此有必要對(duì)塑料制品的微觀結(jié)構(gòu)及其性能做進(jìn)一步的研究。目前已經(jīng)有部分學(xué)者和專家展開了對(duì)聚合物微觀結(jié)構(gòu)與性能的研究［1-4］，目前已有研究發(fā)現(xiàn)聚合物的一些性能取決于其制造過程中的結(jié)晶和纖維取向［5-8］，而它的纖維和取向又和一定的加工工藝有關(guān)聯(lián)，即與聚合物加工過程中所受到的溫度、壓力、剪切應(yīng)力等有著密切的聯(lián)系［9-12］，其制件的結(jié)晶或纖維取向?qū)Τ尚秃笾萍牧W(xué)性能［13-16］、應(yīng)力-應(yīng)變［17］、拉伸行為［18-19］等都有著很大的影響。為此很多學(xué)者展開了對(duì)聚合物注塑或擠出結(jié)晶與取向的研究［20-21］。在眾多的擠出過程中，尤以各類異型材的擠出成型情況更加復(fù)雜。在擠出過程中，規(guī)則制件出現(xiàn)的擠出脹大，擠出破裂及變形在異型材中的出現(xiàn)的就更加普遍和不好控制。2000 年英國的Liang［22］等首次報(bào)道氣輔擠出成型技術(shù)可以很好的消除離模膨脹，隨后人們將該技術(shù)更多地應(yīng)用于擠出成型中［23-25］。隨后人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于L 型異型材［26-28］、方形擠出［29-30］等，由于氣輔擠出成型的作用，使得熔體擠出脹大、熔體破裂和變形都有了極大的改善。

所以本課題組擬采用PP、PP/10%玻璃纖維、PP/20%玻璃纖維3種材料來對(duì)U 型件進(jìn)行擠出模擬和實(shí)驗(yàn)。在擠出過程中引入了氣輔擠出成型裝置，探討U型件擠出成型過程及其試樣中纖維分布的情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP，T30S，中國石油化工股份有限公司茂名分公司；

PP/10%玻璃纖維、PP/20%玻璃纖維，韓國樂天公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

本文采用了本課題組自組裝的氣輔擠出成型擠出成型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的連接示意圖，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：

圖1 氣輔擠出成型系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gas-assisted extrusion（GAE）forming system

單螺桿擠出機(jī)，SJ30×25，武漢怡揚(yáng)塑料有限公司；

空壓機(jī)，0G08F，上海佳力士機(jī)械有限公司；

氣體溫度加熱和控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.3 樣品制備

實(shí)驗(yàn)中采用SJ30×25 擠出機(jī)分別擠出PP、PP/10 %玻璃纖維和PP/20 %玻璃纖維，機(jī)筒上Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)及口模處的溫度分布逐漸增高，如表1所示，采用不同材料時(shí)設(shè)置的溫度不一致，需要根據(jù)材料物性來進(jìn)行調(diào)整。氣輔擠出成型系統(tǒng)中空壓機(jī)采用壓縮氣體作為氣源，氣體壓力可以根據(jù)零件的截面形狀及材料的物性參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整。擠出過程我們分別采用了傳統(tǒng)擠出成型與氣輔擠出成型，選用PP、PP/10 %玻璃纖維或PP/20%玻璃纖維分別來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)材料及溫度參數(shù)Tab.1 Experimental materials and temperature parameters

2 數(shù)值研究方法

2.1 幾何模型和有限元模型

傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，以口模和口模內(nèi)的熔體為研究對(duì)象，其主視圖和側(cè)視圖及其網(wǎng)格劃分如圖2所示，熔體及口模共7 020個(gè)立體單元。氣輔擠出成型時(shí)，以口模、口模內(nèi)的熔體和氣體為研究對(duì)象，其主視圖和側(cè)視圖及其網(wǎng)格劃分如圖3所示，氣體、熔體及口模共10 270個(gè)立體單元。

圖2 傳統(tǒng)擠出成型時(shí)熔體和口模網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of melt and die of conventional extrusion

2.2 基本假設(shè)和基本方程

固體域：假設(shè)口模為剛性體，擠出成型過程中沒有發(fā)生形變，設(shè)定固體密度為7.8×103kg/m3，傳熱系數(shù)為44.3 W/（m2·K）。

流體域：氣體域S1和熔體域S2，氣體為牛頓流體，熔體為黏性流體。

本建模為固-氣-液三相，數(shù)值計(jì)算較為復(fù)雜，為了計(jì)算快速收斂，假定氣體和熔體都是不可壓縮的，整個(gè)流動(dòng)過程是層流流動(dòng)，而忽略了慣性力和質(zhì)量力的影響。將氣體看作牛頓流體，將熔體看作黏性流體。

根據(jù)流變學(xué)理論，在計(jì)算中運(yùn)用其連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和能很好地反映聚合物黏彈性特性的且應(yīng)用比較廣泛的微分黏彈本構(gòu)模型Phan-Thien-Tanner（PTT）本構(gòu)模型［31］，方程如式（1）所示：

式中λ——松弛時(shí)間，s

ε——與熔體拉伸有關(guān)的材料參數(shù)，MPa

ηr——黏度比，ηr=

η2——熔體的牛頓黏度，Pa·s

η1——熔體的非牛頓黏度，Pa·s

η0——熔體的零剪切黏度，Pa·s

ξ——與熔體剪切黏度有關(guān)的材料參數(shù)，MPa

τ1——偏應(yīng)力張量，Pa

tr(τ1)——τ1的跡

D——形變速率張量，m/s

考慮到聚合物的黏度受溫度影響較大，溫度依賴黏度模型選用Arrhenius Law，方程如式（2）所示：

式中η0——熔體在T0時(shí)的黏度，Pa·s

Ea——熔體的活化能，kJ/mol

R——?dú)怏w常數(shù)，8.32 J/（mol·K）

T0——參考溫度，℃

T——熔體溫度，℃

2.3 邊界條件設(shè)置

（1）傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，口模內(nèi)熔體及口模兩部分的網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置如圖2所示。

動(dòng)力學(xué)邊界條件：熔體入口流率為6×10-7m3。熔體與口模壁之間采用無滑移（no-slip）邊界條件，即：Vn=Vs=0。對(duì)稱面滿足fs=0和vn=0。出口位置施加了法向牽引力fn=0.01 kN。

熱力學(xué)邊界條件：模擬時(shí)設(shè)置的熔體入口溫度為220 ℃。口模外壁溫度為220 ℃。熔體與口模相接界面設(shè)置為interface，在整個(gè)成型過程中，熔體和口模是直接接觸的，在交接面處其熱通量是連續(xù)的。

出口：由于熔體和氣體的出口溫度未知，故流體溫度設(shè)置為溫度出口（outflow）條件。

（2）氣輔擠出成型時(shí)，口模內(nèi)的氣體、熔體及口模，其網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置如圖3所示。

圖3 氣輔擠出成型時(shí)熔體、氣體層及口模網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of melt，gas layer and die of gas-assisted extrusion

動(dòng)力學(xué)邊界條件：壁面設(shè)置為滑移邊界條件（slip condition），采用Navier滑移方程：fs=slip（vwall-vs）|vsvwall|eslip-1，slip 為滑移系數(shù)。氣輔擠出成型擠出情況下，其滿足完全滑移邊界條件，故取slip=0，vwall為壁面切向速度，也取0；eslip為材料參數(shù)，取1。

熱力學(xué)邊界條件：模擬時(shí)設(shè)置熔體入口處溫度為220 ℃，模具外壁溫度為220 ℃。熔體入口端口模壁、熔體出口端口模壁，均為絕熱（insulated）。熔體與口模的相接觸的為交界面interface，溫度與熱通量均是連續(xù)的。

其他動(dòng)力學(xué)邊界條件和熱力學(xué)邊界條件中的入口、出口、相交面等設(shè)置與傳統(tǒng)擠出成型的設(shè)置一致。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 熔體出口速度分析

從圖4 可以看出，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，熔體在口模內(nèi)流動(dòng)的速度很不均勻，受口模壁摩擦力大小的影響較大。氣輔擠出成型擠出時(shí)，熔體和口模壁間有一層氣墊層，熔體不和口模壁直接接觸，受口模壁摩擦力的影響較小，口模內(nèi)熔體的流動(dòng)速度比較均勻?？谀囟炔煌瑫r(shí)，口模型腔里的基本規(guī)律類似，擠出速度場(chǎng)會(huì)稍有差別。由圖可知，當(dāng)氣輔擠出成型時(shí)，熔體擠出速度大小比較均勻，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)在同一截面上熔體流動(dòng)速度不均勻。

圖4 傳統(tǒng)擠出成型和氣輔擠出成型時(shí)熔體速度圖Fig.4 Melt velocity of conventional and gas-assisted extrusion

為了考慮出口處重力的影響，針對(duì)傳統(tǒng)擠出和氣輔擠出成型擠出2種情況，均建立了U型槽靠近內(nèi)底面的直線L1（0，-3.55，25）（8.5，-3.55，25），如圖5 所示。將2 種情況分別模擬，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)擠出時(shí)，L1線上熔體速度指向Y軸負(fù)向，而氣輔擠出成型擠出時(shí)，L1 線上熔體速度指向Y軸正向，如圖6 所示，故能抵消重力的部分作用，進(jìn)而能部分抵消由重力引起的下垂現(xiàn)象。

圖5 熔體上坐標(biāo)原點(diǎn)，直線L1、L2的位置及各點(diǎn)坐標(biāo)Fig.5 The origin of the coordinates on the melt，the positions of lines L1，L2 and the points

圖6 傳統(tǒng)擠出與氣體輔助擠出時(shí)出口處L1線上的速度曲線圖Fig.6 Velocity curve on L 1 line at the exit of conventional extrusion and gas-assisted extrusion

3.2 熔體出口溫度分析

當(dāng)口模外壁溫度和熔體溫度均設(shè)置為220 ℃時(shí)，此時(shí)溫度場(chǎng)均勻，均為220 ℃。針對(duì)當(dāng)口模溫度有變化時(shí)進(jìn)行模擬，當(dāng)口模溫度為210 ℃、熔體溫度為220 ℃時(shí)，熔體高溫區(qū)域集中在U 型槽槽底內(nèi)底面、內(nèi)拐角處；而當(dāng)口模溫度為230 ℃、熔體溫度為220 ℃時(shí)，熔體高溫區(qū)域集中在U 型槽外拐角處及外側(cè)面靠底面處一段距離，如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)擠出時(shí)不同口模溫度下口模和熔體的溫度分布Fig.7 Temperature of die and melt for conventional extrusion at different die temperature

氣輔擠出成型擠出，分別設(shè)置口模-氣體-熔體溫度為220 ℃-200 ℃-220 ℃、210 ℃-220 ℃-220 ℃、210 ℃-230 ℃-220 ℃進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)氣體輔助擠出成型時(shí)，熔體高溫區(qū)域集中在U 型槽截面的中心線位置附近，其高溫區(qū)域大小及均勻性與口模、氣體及熔體三者的溫度設(shè)置有關(guān)，如圖8所示。

圖8 氣輔擠出成型時(shí)口模、氣體和熔體不同溫度下口模、氣墊層和熔體的溫度分布Fig.8 Temperature of die，air cushion layer and melt for gas-assisted extrusion at different temperature

為了更具體分析溫度變化，構(gòu)建了出口處的直線水平中心線L2（0，-5.5，25）（34.46，-5.5，25）。然后分別針對(duì)傳統(tǒng)擠出及氣輔擠出成型進(jìn)行模擬，傳統(tǒng)擠出時(shí)熔體設(shè)置為220 ℃，口模溫度設(shè)置為200、210、220、230 ℃，模擬分析結(jié)果如圖9（a）所示。

氣輔擠出成型時(shí)分成3 組數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，3 組數(shù)據(jù)分別如下：

（1）口模和熔體溫度均設(shè)置為220 ℃，氣體溫度分別設(shè)置為230、210、200、120、36 ℃，模擬分析結(jié)果如圖9（b）所示；

圖9 傳統(tǒng)擠出與氣輔擠出時(shí)L2線上的溫度曲線Fig.9 Temperature profile on L2 line for conventional extrusion and gas-assisted extrusion

（2）氣體和熔體溫度均設(shè)置為220 ℃，口模溫度分別設(shè)置為200、210、230、240 ℃，模擬分析結(jié)果如圖10（a）所示；

（3）口模和氣體溫度均設(shè)置為210 ℃，口模溫度分別設(shè)置為190、200、220、230 ℃，模擬分析結(jié)果如圖10（b）所示；

圖10 不同口模及熔體溫度下，氣體輔助擠出時(shí)L2線上的溫度曲線Fig.10 Temperature curves on L2 line for gas-assisted extrusion at different temperature of die and melt

幾組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)擠出時(shí)熔體在口模內(nèi)的最高溫度隨著口模溫度的變化而變化；氣輔擠出成型時(shí)熔體在口模內(nèi)的最高溫度隨著氣墊層溫度和熔體溫度的變化而變化，而受口模溫度的影響較小。

3.3 熔體出口剪切速率分析

傳統(tǒng)擠出時(shí)，在熔體溫度和口模溫度均為220 ℃時(shí)，其剪切速率如圖11（a）所示。氣輔擠出成型時(shí)，在熔體溫度、口模溫度均為220 ℃，氣體溫度為210 ℃時(shí)，其剪切速率如圖11（b）所示。傳統(tǒng)擠出時(shí)U 型槽內(nèi)拐角的剪切速率最大，中心線及外拐角處的剪切速率為零；氣體輔助成型時(shí)整體剪切速率均明顯降低，其最大剪切應(yīng)力在內(nèi)、外拐角及側(cè)壁上端部位。

圖11 擠出成型時(shí)出口處的熔體剪切速率圖Fig.11 Shear rate diagram of outlet melt during extrusion

仍選擇直線L1（0，-3.55，25）（8.5，-3.55，25），針對(duì)傳統(tǒng)擠出和氣輔擠出成型擠出2種情況分別模擬，傳統(tǒng)擠出時(shí)熔體為220 ℃，口模選用200、210、230、240 ℃4 種情況計(jì)算；氣輔擠出成型時(shí)，熔體和氣體均為220 ℃，口模也選用200、210、230、240 ℃4 種情況計(jì)算。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)2種情況下直線L1上剪切速率值均不受口模溫度變化的影響，但在X軸上相同位置處，氣體輔助擠出時(shí)的剪切速率明顯低于傳統(tǒng)擠出成型的剪切速率，如圖12所示。

圖12 傳統(tǒng)擠出與氣輔擠出時(shí)L1線上的剪切速率Fig.12 Shear rate diagram on L1 for conventional extrusion and gas-assisted extrusion

4 結(jié)果與討論

4.1 PP擠出U型材實(shí)驗(yàn)

U 型件截面如圖13所示，內(nèi)外有多個(gè)拐角，截面寬度為25 mm、高度為15 mm、壁厚為4 mm，截面積為188 mm2，其形狀比較復(fù)雜，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，其成型比較困難，沒有施加牽引時(shí)，采用PP在口模溫度為220 ℃時(shí)擠出效果如圖14所示。將機(jī)筒上Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)及口模處的溫度分別升高至225、230、235、240 ℃時(shí)，同時(shí)施加線速度約為9 mm/s 的牽引速度，熔體流動(dòng)順暢，由于重力作用，在離開口模后有嚴(yán)重的下垂現(xiàn)象，同時(shí)又比較明顯的拉伸跡線如圖15所示。

圖13 擠出件截面Fig.13 Extrusion section

圖14 傳統(tǒng)擠出Fig.14 Conventional extrusion

圖15 熔體溫度較高時(shí)擠出Fig.15 Extrusion at high temperature

采用氣輔擠出成型，剛通入氣體，輔助氣體壓力較大時(shí)，氣體阻斷了部分熔體，使得熔體擠出過程不太連續(xù)，擠出樣件如圖16（a）所示。

在輔助氣體壓力較大時(shí)，隨著輔助氣體溫度逐漸增高，當(dāng)氣體溫度升高到與熔體溫度較接近或一致時(shí)，在口模內(nèi)，氣體黏附在熔體表面，在口模出口處，在U型擠出件內(nèi)壁凹角側(cè)壁處不定時(shí)的會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小氣泡，氣泡隨著離開口模的距離逐漸變大，如圖16（b）所示，最后破裂，然后在熔體側(cè)壁破裂氣泡的位置留下拉裂的痕跡。

增大氣體溫度超過熔體溫度10 ℃以上后，擠出件口模出口處不再有氣泡，此時(shí)熔體流動(dòng)性極好，由于此時(shí)口模內(nèi)熔體的溫度及輔助氣體的溫度都比較高，材料在黏流態(tài)流動(dòng)性極好，剛被擠出的那一段塑件透明性極好，但是同時(shí)由于重力的因素，有很明顯的熔體下垂現(xiàn)象，增大牽引速度可部分改善這一現(xiàn)象，但是牽引速度不能過大，過大又會(huì)導(dǎo)致擠出件被拉細(xì)和變形。

最終當(dāng)氣輔擠出成型過程達(dá)到平衡后，通入的輔助氣體溫度為200 ℃、壓力為0.03 MPa，同時(shí)口模溫度為220 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速為5.25 r/min、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速為83 r/min、牽引電機(jī)直徑為130 mm、半徑為0.065 m，則：線速度V=83×0.065=5.395 m/min=8.99 mm/s≈9 mm/s，即線速度約為9 mm/s時(shí)，試樣在外觀上比較透明，熔體擠出口模后的下垂也得到了明顯改善，如圖16（c）所示。

圖16 氣輔擠出成型擠出時(shí)Fig.16 Gas-assisted extrusion

4.2 復(fù)合材料擠出U型材實(shí)驗(yàn)

采用PP/10%玻璃纖維擠出后，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，將機(jī)筒Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)及口模處溫度分別設(shè)置為215、220、225、230 ℃時(shí)，擠出螺桿轉(zhuǎn)速為5.25 r/min，同時(shí)施加線速度約為9 mm/s 的牽引速度下，擠出U 型件如圖17所示。

圖17 傳統(tǒng)擠出成型時(shí)用PP/10%玻璃纖維擠出Fig.17 PP/10%glass fiber prepared by conventional extrusion

口模內(nèi)的熔體在擠出口模時(shí)，壁面與熔體試樣的摩擦力很大，擠出速度很慢，擠出口模時(shí)有擠出脹大現(xiàn)象，在牽引力的作用下，可以緩慢的擠出，擠出截面尺寸會(huì)逐漸減小，可見牽引拉力對(duì)截面尺寸是有明顯影響的。隨后在拉伸方向逐漸冷卻，在聚合物內(nèi)部高分子鏈的互相牽拉作用而形成的殘余應(yīng)力作用下，擠出的U 型件冷卻后在開口方向上有較大的回彈現(xiàn)象，使得側(cè)壁和底面不垂直，有較大的傾斜角度。

將U 型材截面剖開，由于采用的是玻璃纖維，玻璃纖維軟化點(diǎn)為500～750 ℃，設(shè)置的擠出溫度為230 ℃左右，所以在剖開的截面上，白色的部分應(yīng)該就是沒有被融化的玻璃纖維。從圖18 可以看出，纖維在U 型槽壁上的分布，以U 型低端分布的較多，在側(cè)壁上分布比底部分布的少，并且不是很均勻。而在有橫向力的時(shí)候，U 型槽的兩底端拐角處很容易撕裂，在拐角處纖維取向更加明顯，橫向牽拉的纖維較少，以至于纖維與纖維試樣出現(xiàn)了裂紋以及裂紋增生，而導(dǎo)致受側(cè)向力時(shí)加劇了拐角處纖維層的破壞。

圖18 傳統(tǒng)擠出成型時(shí)用PP/10%玻璃纖維擠出試樣的斷面圖Fig.18 Sectional view of PP/10%glass fiber by conventional extrusion

采用氣輔擠出成型，當(dāng)氣體溫度為36 ℃左右時(shí)，擠出試樣表面迅速被冷卻變硬，U 型件試樣表面會(huì)迅速形成脆皮，如圖19（a）所示。繼續(xù)緩慢升高氣體溫度到120 ℃左右，熔體溫度為220 ℃時(shí)，待流動(dòng)平衡后，熔體流動(dòng)能比較均勻，擠出的U 型件能與較低溫度的氣體發(fā)生熱交換，能迅速冷卻定型，得到的試樣形狀也比較好，無很明顯的擠出脹大現(xiàn)象，側(cè)向開口回彈不大，試樣的側(cè)壁與底面能基本垂直，如圖19（b）所示，同時(shí)擠出試樣的截面尺寸在牽引力的作用下會(huì)偏小，但能保持比較均勻一致，如圖19（c）所示。

圖19 氣輔擠出成型擠出PP/10%玻璃纖維試樣Fig.19 PP/10%glass fiber by gas-assisted extrusion

將U 型材截面剖開，觀測(cè)試樣內(nèi)部的纖維取向情況，如圖20所示。從斷面來看，纖維取向分布還是較多的集中在U 型槽的底部，不過側(cè)壁和U 型槽拐角部位也都有了一定量的纖維分布。在受到較大剪切力時(shí)，會(huì)在U 型槽底部形成應(yīng)力集中而開裂，同時(shí)也可以從圖中看到雖然有開裂，但是也有部分纖維橫向排列，比傳統(tǒng)擠出成型時(shí)試樣更加抗剪切。

圖20 PP/10%玻璃纖維擠出試樣中的纖維取向現(xiàn)象Fig.20 Fiber orientation phenomenon in PP/10%glass fiber extruded parts

采用PP/20%玻璃纖維擠出的U 型試樣，如圖21所示。在擠出過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)采用PP/20%玻璃纖維擠出U 型件的擠出過程中，從上、下視圖中來看，玻璃纖維在試樣中分布都是比較均勻的，只是壁厚比采用PP/10 %玻璃纖維擠出U 型件的壁厚更薄，試樣表面的纖維也比較明顯，試樣表面有明顯的纖維，纖維取向并不明顯，同樣，在牽引力的作用下，截面尺寸會(huì)變小。

圖21 氣輔擠出成型擠出PP/20%試樣Fig.21 PP/20%glass fiber by gas-assisted extrusion

經(jīng)過自然冷卻后，截面開口回彈很大，側(cè)壁和底面幾乎接近平行，同時(shí)底面中心越靠近中心位置的越向上凸起，U型試樣接近波浪線，如圖22所示。剖開截面后，從截面圖可以看出纖維在U 型槽的側(cè)壁及底部分布比較均勻，受到側(cè)向力時(shí)，纖維層間結(jié)構(gòu)比較緊密，沒有明顯的分層現(xiàn)象。

圖22 PP/20%擠出試樣中的纖維取向現(xiàn)象Fig.22 Fiber orientation phenomenon in PP/20%glass fiber extruded parts

5 結(jié)論

（1）PP材料進(jìn)行U 型材擠出時(shí)，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，擠出效率比較低，容易出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象，如果調(diào)整適當(dāng)?shù)臓恳俣?，有利于提高擠出效率，但擠出的試樣在尺寸上會(huì)有一定的比例縮小很多。氣輔擠出成型時(shí)，在一定的氣體溫度壓力下，擠出過程會(huì)更加順暢，增加一定的牽引，擠出脹大現(xiàn)象可以消除，但是在U 型件開口方向可能會(huì)有一定程度的外擴(kuò)現(xiàn)象，使得側(cè)壁與底面不完全垂直；

（2）復(fù)合材料擠出U 型件時(shí)，在同等牽引情況下，采用PP/10%玻璃纖維材料，傳統(tǒng)擠出成型時(shí)，擠出過程U 型件有明顯的擠出脹大現(xiàn)象，且擠出過程緩慢，試樣冷卻后，U 型件開口變形較大，側(cè)壁和底面不垂直，有較大的偏斜。纖維分布多在U 型件的底部偏向內(nèi)表面，側(cè)壁上相對(duì)較少，在U 型件的拐角處纖維分布很少，并有分層分離現(xiàn)象，使得如果受到剪切力底面與側(cè)壁交界的拐角處更容易分離而被破壞。氣輔擠出成型時(shí)，氣體在一定的溫度和壓力下，U 型件開口變形現(xiàn)象可以有效降低，在一定的牽引力下，能提高擠出效率，U型件截面變形不大，但截面積可能在一定的程度上縮小。纖維分布比純PP 擠出時(shí)更均勻，纖維分層不太明顯；

（3）其他情況相同，氣輔擠出成型時(shí)，采用PP/20%玻璃纖維材料擠出U 型件時(shí)，U 型件壁厚變薄，U 型件側(cè)壁及底部的纖維分布比較均勻，試樣表面纖維清晰可見，纖維沒有分層分離現(xiàn)象，能承受較大的側(cè)向剪切應(yīng)力。但試樣冷卻后開口變形很大，側(cè)壁與底部不垂直，側(cè)壁傾向于與底面平行，而底面的中部會(huì)向上凸起。