气体辅助壁面滑移条件下精密微挤出成型机理研究

Micro-extrusion process has a lot of potential market demands in many fields such as artificial blood vessel, neuromodulation, haemodialysis, intravenous(IV)catheter, micro filaments for sutures, invasive surgery and so on. Clincal demand micro-extrusion must possess a highly size precision and smooth surface to enable more precise function of catheter or device.In the micro-extrusion die, the surface tension and friction force have an important effect on polymer extrusion processing. The extrudate deformation become bigger, then the size of micro-extrudate is more difficulty accurate. Shear force between polymer fluid and steel die exhibit different properties at the micro-scale. It make the size deformation，surface irregular and stress concentration are more serious than the common extrudate. The research objective is to develop and investigate a novel gas-assisted micro-extrusion process, a thin stable gas layer is established at the interface of metal die and molten polymer by injecting gas into the micro-extrusion die, which makes the molten polymer is extruded out with a full slip mode. Due to wall slip, the flow stresses and thus the amount of size deformation are significantly reduced or minimized and surface finish are greatly improved. The gas-assisted microextrusion processing is researched by biomedical polymer as the materials. Through numerical simulation and experiments, The main research activities will be 1) to demonstrate the technical feasibility of this novel gas assisted micro-extrusion process, 2) to gain a fundamental mechanism of precision extrudate under wall slip in gas assisted micro-extrusion, 3) to explore the relationship between the process parameters, channel design, gas parameter，melt rheology and the final product surface quality.

微挤出成型在人造血管、神经调节、血液透析、静脉注射、手术缝合线和微创手术等医用导管方面具有非常广阔的市场前景。临床要求医用导管提供更高的尺寸精度和光滑表面来保障其功能的精密化。而微挤出成型受表面张力和摩擦力影响，尺寸精度差、制品表面粗糙、内应力大。本项目把新型气体辅助挤出成型引入到微挤出成型中，在口模内壁与熔体之间产生一薄层气体润滑层，使熔体以完全滑移方式进行挤出。由于壁面完全滑移非粘附，有望降低尺寸变形、提高表面粗糙度、消除内应力。本项目以医用高分子在微通道中充模流动过程为研究对象，通过数值模拟和实验研究，验证气辅用于微挤出成型技术的可行性，研究气体壁面滑移下精密微挤出成型的机理，探索工艺条件、流道设计、气体参数、材料流变性能与最终微挤出物表面质量的关系。

随着近年来医用产品的微型化、精密化、轻量化趋势日渐明显，传统成型技术也对医用高分子微成型方向提出了新的要求。聚合物材料因密度小、高比刚度和比强度、优良的生物相容性等特性，从而逐渐成为微小医用产品的主要成型材料，特别是在医用器材成型方面，例如医疗微管的成型过程就是微挤出的重要应用之一。.但是产品微型化也带来了来自因尺度变化而带来的问题，在微细流道中聚合物熔体的流变行为发生许多改变，许多传统尺度成型过程中上不需要考虑的因素如壁面滑移现象、表面张力等微尺度效应在微挤出成型中的作用不容忽视。而气辅挤出作为一种滑移挤出技术，能有效解决微挤出过程中微尺度效应带来的相关问题。为此，本文针对医用级热塑性聚氨酯的气辅微挤出过程，做出如下研究：.首先，对医用级热塑性聚氨酯的稳态流变性能和动态流变性能进行了测试，得到的稳态流变数据被用于拟合得到非等温幂率方程本构方程，得到的动态流变数据被用于拟合得到PTT黏弹性本构方程，得到的方程能分别从纯黏性模型和粘弹性模型角度描述熔融态的医用级热塑性聚氨酯在挤出过程中的流变行为，为气辅微挤出的数值模拟分析过程提供了模型依据。.以直径1mm的圆形截面挤出物为研究对象，根据气辅挤出机头设计理论和经验，设计了气辅微挤出机头结构并确定了相关参数，结合表面张力模型和壁面滑移理论，建立了2D轴对称模型用数值模拟方法对气辅微挤出过程进行了模拟，对比了气辅微挤出和无气辅微挤出的成型过程，并分析了成型工艺条件（成型温度、熔体流量、气体压力、气辅流道直径）对流动过程和成型结果的影响。.最后，加工并安装了设计出的气辅微挤出机头，并进行了气辅微挤出和无气辅微挤出的对比实验，并逐项实验了成型温度、螺杆转速、辅助气体进气压力、气辅流道直径对气辅微挤出过程的影响。实验结果表明气辅滑移被引入了微挤出过程之后，能有效减少机头内的压力降，并对挤出物表面质量有一定程度的改善；成型温度、螺杆转速、辅助气体进气压力、气辅流道直径等成型工艺条件都对成型过程有较大影响；气辅微挤出的工艺条件正交实验表明，气辅微挤出适宜的工艺条件区间较为狭窄，实现稳定的气辅微挤出过程较为困难，容易产生竹节型挤出物。...