側面受限壓延的工藝條件對高分子取向的影響

吳育榮

摘要： 高分子取向的影響因素復雜多樣，在不同的高分子取向下，材料性能會呈現出較為明顯的差異。做好對于高分子取向影響因素的分析，有助于把控高分子物料的加工條件，促進制品性能的提升。探究側面受限壓延工藝，分析其工藝條件對于高分子取向的影響。首先，在簡要概述高分子取向的含義后，厘清其與材料性能間的關系。其次，通過與傳統壓延工藝的對比，論述側面受限壓延工藝的諸多優勢；在此基礎上，從應力和溫度兩個維度，具體剖析該工藝的加工條件對于高分子取向的影響。最后，對該工藝在高分子物料加工中應注意的事項加以歸納分析，以期側面受限壓延工藝取得良好的應用效果。

關鍵詞： 側面受限壓延工藝 工藝條件 高分子取向 材料性能

中圖分類號： TE931 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0106-03

與傳統材料相比，高分子材料密度較低、質量輕的同時，還具有較高的強度和韌性，在生產實踐中易于加工成型，加之外觀精致和節能環保，被廣泛應用在各領域中。現有研究證實，高分子取向的影響因素眾多，在不同的工藝條件下，高分子取向會呈現出較大差異，進而導致制品性能的不同。在當前的高分子材料加工中，壓延屬于常用的加工成型工藝，也是高分子取向分析中不容忽視的內容。希望通過此次研究，能夠對側面受限壓延工藝加以深入分析，進而厘清其工藝條件對于高分子取向的影響，為高分子加工工藝的優化提供更有力的理論依據，促進高分子制品性能的不斷提升。

1 高分子取向與材料性能的關系

在受外力影響的情況下，高分子長鏈會依據擇優性，沿著特定方向流動和變形，進而平行排列成為有序結構，該過程即為取向。當處于伸展狀態時，由于長度數值明顯高于寬度，高分子在結構上表現出明顯的不對稱性，因此很容易受到牽引、壓延和擠出等各種外力的影響，進而出現取向現象。根據結構單元的不同加以分類，較為常見的有鏈段取向與分子取向，此外，在結晶高分子中還有晶粒取向。從熱力學角度分析，在取向過程結束后達到的有序結構并不穩定，處于非平衡狀態。去除外力后，受高分子熱運動影響，長鏈又會變為無序結構，這就是與取向相對應的解取向［1-2］。

在取向過程結束后，高分子中絕大多數的分子鏈段指向相同，根據取向的不同，高分子材料會表現出不同的宏觀性能。例如：從力學角度講，在取向方向上，高分子材料在強度、剛度等方面會展現出良好的性能，在與取向垂直的方向上，材料的強度與剛度相對偏低；從光學角度講，在取向方向上，高分子材料易發生雙折射現象；從熱力學角度講，材料在取向方向的熱膨脹系數會與其他方向存在較大的差異［3］。因此在高分子材料生產中，通常可以利用高分子取向的特點，實現產品性能的優化，生產出更加優質的高分子制品。

2 側面受限壓延工藝分析

2.1 傳統壓延工藝

在高分子材料加工中，壓延屬于十分重要的環節，是使高分子材料成型的主要工藝手段。在傳統的壓延工藝中，通常需要準備許多相向旋轉著的平行輥筒，利用其間隙的擠壓和延展，依照規定的厚度和寬度，將與黏流溫度相近的物料制作成薄片制品。在各種成型工藝中，壓延工藝憑借其工作效率快、產品質量高、具有自動性和連續性等優勢，在高分子成型加工中使用較頻繁。不過，傳統壓延工藝也有局限性：一是對物料厚度要求較高，通常只適用于薄膜、薄片等材料的加工，在物料厚度達到5 mm 以上的情況下難以發揮作用；二是在物料成型過程中，容易因擠壓不當而使其出現橫向外擴的情況，在輥筒間隙薄厚不均的情況下，物料可能會呈現邊緣過薄的情況；三是在長期加工過程中，輥筒軸容易彎曲變形，進而會因物料邊部滾壓不實而降低加工質量，嚴重時還會使制品出現邊裂缺陷［4］。

2.2 側面受限壓延工藝

側面受限壓延工藝的出現，實現了對于傳統壓延工藝的優化和改進。在裝置構成上，側面受限壓延主要包含上、下兩個輥筒，且兩輥筒寬度相同。在將物料加入其中后，能夠與兩輥筒直接接觸，進而在輥筒施壓下實現加熱。由于輥筒的強度與剛度較高，因此在物料擠壓過程中能夠保持適當的彎曲程度，而不會超出適用范圍。與傳統工藝存在明顯差異的是，側面受限壓延工藝需要在下輥筒兩側，分別設置一個高度在100～150 mm 范圍內的側壁，使其能夠與下輥筒形成一體。側壁的主要功能在于避免物料橫向外擴，使其更加均勻地分布在輥筒間隙中，因此出現制品變形的情況較少。與此同時，側壁還能夠對輥筒軸形成一定的保護作用，防止其發生彎曲變形，大幅降低了邊裂缺陷的發生風險。此外，對于厚度達到5～10 mm 的物料，側面受限壓延工藝也能相對穩定地發揮作用，使壓延工藝的應用范圍得以大幅拓寬［5］。

3 工藝條件對高分子取向的影響

3.1 應力對高分子取向的影響

在側面受限壓延工藝中，上、下輥筒在速度保持一致的情況下相向旋轉，在將高彈態物料投入兩輥筒間隙處后，兩輥筒共同構成“壓機”，沿著豎直方向對物料施加荷載。與此同時，下輥側壁沿水平方向，給物料施加防止其外擴的力，使其在橫向受力為零，保持相對穩定的狀態。物料還需受到壓延工藝所產生的力而發生延展或流動。此時對物料進行受力分析可以得知，其受力主要包括徑向的Q1、Q2和切向的T1、T2，Q1和T1為上輥輪提供的力，Q2和T2為下輥輪提供的力。在此基礎上，對物料受力加以進一步分解［6］（如圖1 所示）。

基于流體連續性原理來看，由于物料流動速度有所增加，其在出口處的速度會高于進口時，而輥筒線速度則與之相反，在出口處速度偏低，因此可以找出一條中性線。物料在經過該線后，所受的切向力完全改變，同時該線也將物料的拉入和拉出一分為二。在入口處，部分切向力需要將物料拉入輥縫，部分徑向力試圖將其推出輥縫。此外，物料在延展方向還會受到顯而易見的擠壓力，當切向力高于徑向力時，物料受拉力較大會進入輥縫。尤其是當拉伸應力較大時，除了部分拉力需要克服物料的屈服應力外，還會剩余出大量拉力。這些拉伸應力將會強制物料流動，其中的高分子鏈段在解纏后，自發地排直和滑移，由原本的高彈態轉變為塑性狀態，而且該形變過程往往是不可逆的。

由此可知，受應力條件影響，高分子會沿著側面壓延受限工藝的延展方向取向，這與拉拔工藝中塑性拉伸取向比較相像。不過，在拉拔工藝實踐中，時常會因空化、斷絲等因素而引發制品缺陷，但在側面受限壓延工藝中，可通過向物料施加擠壓力而規避缺陷，因此從制品質量角度看，側面受限壓延工藝要明顯優于拉拔工藝。

3.2 物料溫度對高分子取向的影響

在對高分子材料的壓延加工中，為使高分子物料保持在高彈態，需要對物料溫度加以一定控制，通常要高于玻璃態轉化溫度，同時要低于黏流溫度。若物料溫度偏低而達到玻璃態，會導致其硬度偏高，此時對其進行壓延，即便施加較大的外力，也無法使物料發生明顯的形變，通常僅表現為分子鏈的伸長，難以達到加工成型的效果。隨著外力的消失，物料會快速恢復到原狀態。若物料溫度過高且轉化為黏流態，將會表現出較強的流動性，在此情況下，物料的屈服應力表現十分不明顯，即便對其施加較小的外力，也會對分子結構產生很大的影響。雖然能夠快速完成分子取向，但會讓分子鏈段出現較大程度的解纏和滑移，但與之相應的是，高分子也十分容易解取向，嚴重降低了取向的有效性。只有當物料溫度適宜，保持在玻璃態和黏流態之間時，高分子才能夠表現出相對穩定且適宜的活動能力，進而在受到拉伸應力后，實現鏈段的形變和位移，以較快的速度達到較高的取向度。

在傳統的壓延工藝中，物料溫度控制難度較高，雖然大多能夠保持在玻璃態轉變溫度以上，但與黏流溫度過于接近，溫差往往在10 ℃以內，很容易轉化為黏流態而降低加工效果。改進后的側面受限于壓延工藝，降低了對物料溫度的限制，可適用的物料溫度的范圍大幅拓展，即便是低于50 ℃或高于150 ℃的物料，也能夠獲得較為理想的壓延效果。

4 側面受限壓延工藝在實際應用中的注意事項

為保障側面受限壓延工藝的有效應用，在其具體實踐中，還應注意一些事項。

（1）隨著工作時間的增加，兩輥筒間的輥縫會逐漸縮小，受此影響，物料在行進過程中會逐漸變薄，所受到輥筒產生的擠壓力會隨之增大。在輥輪入口處，物料所受壓力會在短時間內大幅增加，在物料溫度相對較高的情況下，會表現出較強的流動性，甚至可能出現回流的情況，進而使入口處發生鼓包現象。

（2）根據對物料的受力分析能夠發現，在入口段和出口段的不同位置，物料受的切應力方向明顯不同。由此表明其在壓延過程中，需要承受不對稱的循環應力，受此影響，物料容易出現表面扭曲的情況。通過側面劃線實驗，能夠較為直觀且清晰地發現這一問題。尤其是在物料壓縮比較高時，扭曲現象更加明顯。因此，在側面受限壓延實踐中，應做好對物料表面形變情況的觀察，并做好對物料壓縮比的控制，避免扭曲過大而降低制品品質［7］。

（3）在物料進入輥縫時，不僅受到外力擠壓，同時還要受到輥輪表現產生的摩擦力。在壓延過程中，一定比例的摩擦力會轉化為熱能，進而對物料加工產生影響。

5 結語

高分子取向與材料性能關聯密切，在不同的高分子取向下，材料會在力學、光學、熱力學等方面，表現出不同的性能水平。然而在傳統的高分子材料壓延加工中，時常會出現物料橫向外擴、制品邊裂形變等情況，而且對于物料厚度的要求較高，進而影響到高分子制品的品質。但在引入側面受限壓延工藝后，其應力條件和溫度條件會對高分子取向產生較大的幫助，使取向過程更加高效且穩定。這種工藝降低了物料厚度和溫度的限制，在高分子物料加工中的適用范圍更廣，制品的成型效果也明顯更好。不過，在當前的側面受限壓延工藝中，也可能會對高分子制品其他性能產生一定的不利影響，需要在實踐應用中做好防范及應對措施，并繼續加強對該工藝的改進和優化。

參考文獻

[1] 范揚揚，呂久安. 響應形變液晶高分子的取向方法和功能開發[J]. 液晶與顯示，2023，38（1）：60-76.

[2] 徐洲科，趙宇峰，代濤. 壓延工藝及裝備對光伏玻璃透過率的影響[J]. 玻璃，2022，49（12）：30-33.

[3] 蘇從含.淺談超薄超白壓延玻璃成形工藝[J].玻璃，2022，49（12）：53-56.

[4] 梁力，季潔，楊雪芹，等. 高固含量改性雙基推進劑模擬料連續剪切壓延工藝與性能研究[J]. 火炸藥學報，2021，44（3）：328-335.

[5] 蘇婕妤. 肉干擠壓品質變化動力學及其取向機理研究[D]. 貴州：貴州大學，2022.

[6] 楊俊升，朱子亮，曹啟龍. 預取向半晶態高分子片晶結構形成微觀機理及其應力-應變響應特性的分子動力學模擬[J]. 物理學報，2020，69（3）：280-287.

[7] 金天成. 取向聚合物薄膜分子構象與動力學研究[D]. 杭州：浙江理工大學，2020.