CN101588911B - 具有毛细孔道的挤出材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有多条贯穿于其中的毛细孔道的可挤压加工的材料、以及用于制造这类材料的设备和方法。所述毛细管可被气体、液体或其他相态的物质填充。所述材料可以是具有高空隙度的各向异性的泡沫材料。所述方法和设备包括：当挤出物(2)脱离模具(14)时对挤出物进行淬火冷却(11)。

Description

具有毛细孔道的挤出材料
技术领域
本发明涉及具有多条贯穿于其中的毛细孔道的可挤压加工的材料，以及用于制造这类材料的设备和方法。所述毛细孔道可被气体、液体或其他相态的物质填充。所述材料可以是具有高空隙度的各向异性的泡沫材料。
背景技术
传统的聚合物泡沫材料通常是被挤出加工的，例如Tuladhar，T R和Mackley，M R在2004年出版的《化学工程学(Chemical Engineering Science)》期刊第59卷第24期第5997-6014页的题目为“涉及由聚苯乙烯戊烷载熔体进行发泡和气泡生长的试验观察和模拟(Experimental observations andmodelling relating to foaming and bubble growth from pentane loadedpolystyrene melts)”的文中所述。这种获得的产品包括随机的、各向同性的空隙度，这种空隙度本身难以控制和预计。
具有多条贯穿于其中的各向异性的、平行的毛细孔道的热塑膜或条带(ribbon)被称为微毛细管膜(“MCF”)。在专利文献WO 2005/056272中对MCF及其制造进行了描述。根据光学分析，并且基于模具的几何形状和加气(air entrainment)装置，MCF通常具有约5-6％的空隙度。
人们期望使MCF具有更高空隙度，以提供具有平行孔道的各向异性的类泡沫结构。这类材料提供了有利的机械性能和多种新的应用的可能性。先前利用上游气体喷射(upstream gas injection)来制造高空隙度MCF的尝试由于毛细管的起泡而失败(Hallmark B，“微毛细管膜的发展(The Developmentof Microcapillary Films)”，英国剑桥大学2005年博士论文，第三章)。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种制造具有多条贯穿于其中的毛细孔道的挤出产品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供挤压设备，所述挤压设备包括：挤压机，其具有入口；模具，其包括具有预定外形的模口；多个流体喷射器，每个喷射器具有一本体，该本体包括用于流体流动的内部管道，每个喷射器在出口端还包括离开所述内部管道的出口，每个喷射器的出口端大体上以预定的式样布置于所述模具的模口中，每个喷射器的管道与流体源呈流体连接；
b)通过所述入口将可挤压材料供给到挤压机内；
c)迫使可挤压材料朝向模具移动并且穿过所述模具中的模口，以制出具有所述预定外形的挤出物；
d)使用所述喷射器以使流体能够从所述流体源经过所述管道而被引入所述挤出产品中以形成毛细管，使得所述挤出物包括以所述预定的式样顺着该挤出物布置的、充注有流体的毛细管；并且其特征在于
e)在挤出物脱离模具时对挤出物进行淬火冷却。
我们发现，通过快速地淬火冷却挤出产品，能够制造具有高空隙度的、稳定的MCF。空隙度最高至约30％的产品能够利用在环境压力下引入空气或其他流体来制造，而且我们发现通过经由喷射器喷射加压流体可以容易地制造空隙度超过约30％的挤出产品。该加工过程克服了当使用加压流体的源时毛细管产生气泡的缺陷。我们发现，利用该加工过程，能够使各向异性的热塑性泡沫材料可控制地形成最高至60％的空隙度，并且我们相信能够制造具有最高至80％或90％的更高空隙度的挤出产品。
应该理解的是，要从实践角度来解释“当挤出物脱离模具时对挤出物进行淬火冷却”，因为在实践中，模具出口与挤出物被充分冷却的位置之间会始终存在一定的距离以抵抗机械变形。术语“模具出口”表示挤出物的外部边界不再被模具约束的第一个位置。优选在离模具出口小于约3mm的位置、并且优选小于2mm的位置、更优选为约1mm或更小的位置对挤出物进行冷却。因此，优选为使熔体牵引长度(melt drawing length，从模具出口到淬火位置之间的距离)实际上尽可能地接近于零。在一个实施例中，通过一个或多个流体射流，特别是高速气体射流来提供淬火冷却，所述流体射流可喷射到靠近模具出口的挤出物上。在其他实施例中，可以通过低温浸渍进行淬火冷却。
在本发明的一个实施例中，流体源为可控制的压缩气体源，特别是在压力下将气体流供应给流体喷射器的加压气体源。流体喷射器包括中空的本体(例如喷针)，流体可穿过该本体。在传统的MCF挤出条件下，喷射器为自然地在大气压下引入空气的被动式装置(passive device)。使用加压气体的作用在于使毛细管充气。
通常，淬火的膜穿过一对压辊，并随后被卷收。我们发现，在该加工过程中压区的压力可能高到足以损坏在传统的MCF加工过程中形成的毛细管。
挤出产品的可能的应用包括：毛细电泳(例如用于DNA分析)、热交换、流体传输、微反应器、生物医疗应用、液态封装、光学应用、食品、以及多孔基体应用。在专利文献WO 2005/056272和序号为10/582,465的美国专利文献中描述了这些应用，在此作为参考而结合上述专利文献的全部内容及公开内容。这种各向异性泡沫产品的应用的其他非限制性示例包括用作食物、药品或气体管道(例如饮用吸管)，体内应用(in-body application)或用作具有“防电火花(spark-safe)”操作的气动或液压致动器。其他可能的应用包括遥感应用，例如用于检测化学品、药品或污染物的管道，以及用于在设备或车辆的不同位置测量压力的压力管道。当在这些应用中使用时，产品可以具有多条孔道，或者该产品可以用于产生多个单孔道产品。
能够生产各向异性泡沫条带的一个重要结果在于，能够通过将一叠各向异性泡沫条带的热熔在一起形成各向异性的泡沫整料(monolith)。在可选的实施例中，可使用二维阵列的喷射器来通过直接挤出而制成泡沫整料。这种材料被期望具有能够适应合适的特殊应用的、独特的机械特性。
优选地，模具的模口大体上为矩形，从而使挤出产品的外部形状大体上为矩形。矩形模口的尺寸优选为使得挤出产品为片、膜或条带。优选地，该矩形模口的长边的长度至少比短边长5倍。优选地，该长度比大于10，因为这样可以使膜更易折曲。应该理解的是，所述模口可以具有其他任何适合的形状，包括环形、正方形或圆形。已注意到，对于非圆形模具，例如矩形模具会存在着在膜的边缘处或靠近膜的边缘处改变毛细管形状的边缘效应。这种边缘效应可以通过使用环形模具来消除，所述环形模具实际上为不具有边缘的、连续的膜。环形模具可允许制造具有尺寸和形状高度一致的毛细管的管状挤出产品(例如圆柱形管)。
通过在挤出物脱离模具时对挤出物进行淬火冷却，可使挤出产品的截面形状定型为与模具模口的内部形状大体上相同的形状。例如，挤出产品可以包括圆形、椭圆、正方形、矩形、三角形或其他多边形截面形状的管，在所述管的壁中具有平行的孔或孔道。
为简明起见，以下参照优选实施例来说明所述设备，在该实施例中模具具有大体上为矩形的模口，喷针出口的阵列在所述模口中沿着大体上平行于模口的矩形的长边并且大体上位于模口的短边的中心的直线布置。这样，能够制造出具有贯穿于其中的孔或毛细孔道的挤出膜。应理解的是，可采用不同的阵列和模口的形状。
附图说明
以下参照附图仅以示例的方式对本发明进行进一步说明，在附图中：
图1为根据本发明的一个方案的挤压设备的示意图；
图2为图1的模具的第一实施例的示意性截面图；
图3为图1的模具的仰视示意图；
图4为示出了图1的第二实施例的模具的一部分及其喷射器阵列的示意图；
图5为膜的宽度和膜的厚度随着牵离速度(haul-offspeed)变化的图表；
图6和图7示出了在多种实验条件下制造的挤出材料；
图8为不具有空气射流冷却(air-jet cooling)的图1的设备的一部分的平面图；以及
图9示出了根据本发明的实施例的实验装置的一部分。
具体实施方式
图1示出了用于制造具有贯穿于其中的毛细孔道的挤出产品2的挤压设备1。该挤压设备包括由马达6驱动的螺杆挤压机(screw extruder)4。可挤压材料8经由料斗(hopper)10被供应给螺杆挤压机4。随着可挤压材料经过螺杆挤压机4，材料被熔融以形成熔体24(图4)。螺杆挤压机4将熔体供应给齿轮泵12，该齿轮泵12使熔体保持大体上恒定地朝向模具14流动。齿轮泵12通过法兰16连接于螺杆挤压机4，所述法兰16包括网式过滤器(screen filter)以从熔体流中去除杂质。利用位于齿轮泵的入口与马达6之间的压力反馈链接(pressure feedback link)18来控制马达6。
熔体24通过挤压机料筒20进入模具14，所述挤压机料筒通过法兰22连接至齿轮泵。带式加热器26用于控制挤压设备1中不同阶段的温度。带式加热器26可以设置在挤压机内、法兰16或22上、齿轮泵12上、挤压机料筒20上以及模具14上。在后附的附图中更详细地示出模具14的示例性实施例的细节。
熔体经过模具14并且形成为期望的形状和截面。在熔体脱离模具时形成为挤出物28(图4)。
图2示出了图1的模具14的一个实施例的示意性截面图。模具包括入口部32、聚敛部34、以及具有预定的内部形状的模口(orifice)36。熔体进入模具14的入口部32，通过聚敛部34逐渐成形，直至该熔体脱离模口36。
模具14还包括喷射器，在此示例中所述喷射器包括设置于该模具中的多个喷针(needle)38(此图中仅示出了其中一个喷针)。每个喷针38具有本体部40，该本体部40中具有管道42，管道42借助穿过模具14的壁的第二管道43与流体源44呈流体连接，熔体必须围绕模具14的壁流动以传送到模口36。喷针38还包括位于其一个端部48的出口46。喷针38设置为使出口46位于模口36中。在该实施例中，流体源44为压缩气体的气源。然而也可以使用其他流体源。流体源例如包括不同的压缩气体、液体、溶胶或悬浮液，或者流体源44可以与大气连通从而使其能够引入外界空气。
图3示出了模具14的仰视示意图。模口36的外形为矩形，短边50与短轴51大体上平行，并且长边52与长轴53大体上平行。模具14设计成将容纳在圆形管中的来流(incoming flow)改变为使得所述来流可以经过模具14的模口36。模具14必须要实现这种几何形状的改变，这通常通过使用聚敛的模具14来实现。
模具14还设计成使得在流过喷针38的阵列的流动大体上均匀。围绕喷针38的均匀的熔体流方便了良好成形的挤出物28的产生。然而，如果存在不均匀的流动，熔体将优先沿着阻力最小的路径导流。这样会致使挤出物28变形，而这还可能导致不一致的下拉变形。
在该示例中，模具包括十个喷针38，所述喷针38的开口46在模口中沿着长轴53大体上均匀地分布、并且沿着短轴51大体上分布在模口中央。在该示例中，模具的模口的短边的尺寸为1.5mm，长边的尺寸为18mm，且喷针的外径为0.5mm，内孔径为0.3mm。
在该示例中，来自流体源44的压缩空气经由带有手控隔离阀5的供给管道3供给到第二管道43。第二管道43具有质流控制(mass flow control)阀，该质流控制阀能够用于调节流过喷针38的气体的量。压力传感器P用于测量流向喷针38的气体的压力。
供给管道3通过手控针阀7流体连接于空气射流管线(airjet line)15。空气射流管线15设置成，当挤出物28脱离模口36时，将高速气体射流经由空气射流喷嘴11导向挤出物28，由此使挤出物28快速地淬火而形成挤出产品2。温度传感器T和压力传感器P可用于测量空气射流管线15的温度和压力。
在图4示出的实施例中，第二管道43通过设置在模具14内的强制通风装置(plenum)45连接于喷射器38。每个喷射器38的端部设置为大体上与模口齐平，以使经过喷射器38的挤出物28与被空气射流淬火冷却的挤出物28之间的距离最小化。在下文将描述的实验工作中使用这种(带有19个喷射器的)模具装置。
通过一对压辊30支持经淬火的挤出产品2的幅，所述压辊可以被加压以得到牢固的握持。这使得压辊30能够保持良好的牵引张力。因为压辊30并不对易于变形的挤出物28进行操作，所以压辊30可以使用远高于传统的MCF过程的压力。压辊30可以是冷的，但这并不是必要的，因为在靠近模具出口处已经进行了快速的空气淬火。在穿过压辊30之后，挤出产品(在该示例中经由一个或多个导引辊29)被卷绕在卷轴(spool)31上，任选地，所述导引辊29的任一个可以被加热。
图8示出了本发明的过程与现有技术的MCF过程之间的一个关键区别，图8中出的塑料挤出物28不进行空气射流冷却、而在冷的压辊30上进行淬火。膜的宽度减小，并且空隙度相对较低，通常约为5-6％。如果试图借助通过喷射器38喷射的加压气体来提高空隙度，则挤出物发生起泡。通常，熔体牵引长度L1(从模具出口到挤出物的淬火之间的距离)可达到约15cm。在本发明的方法中，挤出物在实际离开出口之后即被快速地淬火冷却。熔体牵引长度L2优选为小于3mm，特别地为小于2mm或更小。特别优选地，熔体牵引长度小于约1mm。应理解的是，示出的距离L1和L2仅作为比较示例，并且图8并非必须按比例绘制。
该过程能够实现可控制地制造高空隙度的挤出产品，包括新型的各向异性泡沫材料。
实验结果
图1的设备用于制备具有高空隙度的MCF。高空隙度过程保留所有用于制造现有技术的MCF(例如在专利文献WO 2005/056272中所述的MCF)的装置，但是增加了两类额外的装置。首先，在紧邻模具出口处增加了两个呈相对的空气射流形式的高速空气淬火装置，其次，将可调节的供气装置连接到喷射器的阵列，从而能够将可控制度较高的气体供应引入模具内的聚合物中。从气压约为6.5barg压缩空气总管(main)供给用于这两种操作的空气。监测将要用于空气淬火的气体的压力和温度，并同样地监测进入喷射器的气体的体积流量和压力。图9示出了实验用的模具14、空气射流管线15和空气射流喷嘴11。
使用由陶氏化学公司(Dow Chemical Company Inc)制造的线形低密度聚乙烯(LLDPE NG5056G)品级的产品进行实验。在开始实验工作之前，将挤压机加热到175℃并且将挤出生成线(其余的辅助管道***、泵和模具)加热到165℃。一旦达到上述温度，将挤压机设定为以大约2×10-7m3/s的体积流率(volumetric flow-rate)运行。这一流率对应于约7mm/s的模具出口速度。
在实验期间，始终利用高速气流在聚合物脱离挤出模的一刻使聚合物淬火。两个气体淬火喷嘴11分别设置在模具出口的上方和下方10mm处，且排列在模具出口的中心线上。这些淬火射流装置在图9中可见。在射流刚刚将要喷出喷气装置(jet)之前测量气体的压力和温度；所述测量能够结合气体供应的滞止状态(stagnation condition)的认知而用以计算淬火管出口附近的气体速度。在实验进程期间，喷离淬火喷气装置的气体速度为50m/s的速度级。通常，滞止温度及压力分别约为25℃和6.3barg。典型的流动条件为22℃和0.4barg左右。
进行七组实验来确定特定的过程参数对产品空隙度的影响；这些参数是模具温度、牵离速度以及流向喷射器的气体流量。表1列出了每组实验的细节信息。
根据产品的稳定性，对于每组实验，在被调查的过程参数的不同增量下取6至8个左右的产品样品。
利用刀片将每个样品切段，露出毛细管结构，并且使用具有高倍率放大镜头的CCD相机进行观察。将每个截面的图像捕捉到个人电脑上并随后进行分析以提供存在于膜内的空隙度的评估。
表1
  实验   说明
A   模具温度165℃，牵离速度恒为0.5m/min，考察喷射器气体流量增大对于产品的稳定性及形态的影响。气体流率的范围在0cm3/min与600cm3/min之间。
B   模具温度165℃，自然加气(包括气体淬火的传统的MCF过程条件)。考察牵离速度增大对于产品的稳定性及形态的影响。牵离速度在0.5m/min与0.9m/min之间。
  C   重复实验B
D   模具温度185℃，自然加气(包括气体淬火的传统的MCF过程条件)。考察牵离速度增大对于产品的稳定性及形态的影响。牵离速度在0.8m/min与1.8m/min之间。
E   模具温度185℃，喷射器气体流量设定为220cm3/min。考察牵离速度增大对于产品的稳定性及形态的影响。牵离速度在0.8m/min与1.8m/min之间。
F   模具温度185℃，喷射器气体流量设定为370cm3/min。考察牵离速度增大对于产品的稳定性及形态的影响。牵离速度在0.8m/min与1.8m/min之间。
G   模具温度215℃，自然加气(包括气体淬火的传统的MCF过程条件)。考察牵离速度增大对于产品的稳定性及形态的影响。牵离速度在1.8m/min与15.2m/min之间。
结果及讨论
实验A
流向喷射器11的气体流量的增大对于挤出产品2具有两方面的影响。首先，当气体流量在0cm3/min(自然加气)与约300cm3/min之间时，该过程是稳定的，并制造空隙度提高的产品。这些结果汇总在表2中。
表2-气体流量对空隙度及过程稳定性的影响
  实验   喷射器气体流量(cm3/min)   喷射器气体压力(barg)   空隙度(％)   说明
  A1   0   0   15   稳定过程
  A2   210   0   20   稳定过程
  A3   340   0.03(波动)   22(在稳定时)   半稳定
  A4   450-500   0.11至0.19   不稳定
  A5   340-360   0.08至0.14   不稳定
  A6   200   0.07   不稳定
  A7   500   0   稳定
  A8   580   0.04   不稳定
图6A-图6C分别示出了实验A1至实验A3的挤出产品2的截面照片。
如果流率从零开始逐渐增大，过程在流率超过340cm3/min时由稳定转为不稳定。如图6E所示，这种不稳定本身的表现形式为产品内部破裂，并且还由于气体流率的波动的缘故。图6E取自实验A4。这里，毛细管之间的壁已经弯曲，从而实质上形成带有围绕其周长及沿着其长度的纵向褶皱的中空管。膜的宽度约为18mm。此外，我们有兴趣地注意到当观察到的过程为稳定时，所测得的进入气体喷射器的气体压力为零，但是当观察到的过程为不稳定时，测量到正压力(通常)在10到150毫巴之间变化。在稳定状态与不稳定状态之间的过渡状态，可以形成各种令人感兴趣的截面；取自实验A6的图6D示出了一幅这种截面。这张照片是在不稳定和挤出产品破裂之间的过渡状态附近拍摄的。
然而，我们发现，如果强制地使流率从零流率快速地增大，则在流率为340cm3/min与500cm3/min之间时，流率(在必要时)可以被稳定地保持。因此优选为尽可能快速地(特别地在小于5秒的时间内，优选为在2秒内或更短时间内)使过程从零流速提高为预期的最高流率。因而对于具有19个毛细管的产品，优选的流率的范围为0至约26cm3/min(500/19)。
实验B和实验C
我们观察到，牵离速度增大对于产品的影响定性地为提高在产品内的空隙度。此处不给出定量的测量结果，原因是牵拉辊(haul roller)的压力对于膜而言过大，并因此使一些毛细管的尺寸显著地减小，从而使可比较的空隙度测量结果失效。
然而，在这些实验的过程中注意到了其他几个现象。首先，牵离速度增大对产品的外部尺寸不具有很大的影响。通常，由于膜是在熔融状态下在模具出口与淬火辊之间被牵拉，因此增大牵离速度会使膜的尺寸减小。然而，由于在模具出口处立即淬火，因此这种熔体牵拉不会以同样的方式发生。增大牵离速度的净效果(net effect)被认为是使在模具出口处的聚合物的拉拔力增大。
然而，我们注意到，聚合物熔体的压力(主要在挤出模的上游测量)受到牵离速度的影响，从而牵离速度的增大导致熔体压力的减小。这种影响已经在先前通过传统的MCF过程而被观察到。对于这种影响的可接受的解释(不期望受到理论束缚地)为：快速的气体淬火导致在模具出口处的聚合物中产生巨大的温度梯度，造成在该区域中的聚合物的局部的粘度与挤出生产线中的聚合物的粘度相比较高。因此，增大牵离速度具有能够将更多的材料从模具出口区域强制移除，使得在挤出模中的聚合物加速的净效果。通常，在挤出生产线中的压降大部分是围绕模具出口区域产生的，因此如果借助除了该挤出生产线中的压力之外的手段而将材料从该区域移除，则在挤出生产线中所测量的压力将会下降。
另一个观察是关于与牵离速度相关的产品质量。在低牵离速度(0.5m/min)下，在聚合物上实现了高质量的表面加工。然而，在更高的牵离速度(约0.8m/min)下，表面加工质量会变得十分粗陋和“粗糙”。图7示出了这种影响效果，其中来自低牵离速度过程的产品示出在左侧(a)，来自高牵离速度过程的产品示出在右侧(b)。模具出口温度为165℃。每幅图片中的膜的宽度约为18mm。
实验D、实验E和实验F。
这些实验研究了牵离速度和喷射器气体流量对最终产品的影响。对于这三个实验，模具出口温度升高20℃而达到185℃。这样做是为了延缓图7(b)所示的“粗糙”型产品的发生；这种做法是有效的，并且在(牵离速度约为)0.8m/min时产品的质量与图7(a)示出的产品类似，而“粗糙”仅在牵离速度约为1.1m/min时出现，并在牵离速度约为1.8m/min时出现与图7(b)类似的严重粗糙。
增大喷射器气体流量和增大牵离速度的效果为提高最终产品中的空隙度。这在表3中进行了汇总。
表3-实验D、实验E和实验F的结果汇总
实验   喷射器气体流量(cm3/min)   喷射器气体压力(barg)   牵离速度(m/min)   空隙度(％) 熔体压力(psig) 宽度(mm) 厚度(mm) 评述
  D1   0   0   0.8   20   640   17.03   0.85
D2 0 0 0.9 16 600 16.64 0.78   毛细管被辊压碎-16％并非指示性数字
  D3   0   0   1.1   28   580-600   16.40   0.69   出现粗糙
  E1   210   0   0.8   19   620   17.09   0.88
  E2   210   0   0.9   26   590-600   17.00   0.78
  F1   370   0.01   0.8   26   600   17.00   0.93
  F2   370   0.01   0.9   28   590-600   16.75   0.75
  F3   370   0   1.1   35   580-590   16.76   0.72   出现粗糙
除了提高了空隙度之外，作为气体流量和牵离速度的函数，可以从这些数据中做出其他一些令人感兴趣的观察结果。首先，该过程保持稳定始终与保持毛细管不破裂相关联。其次，如同在实验B和实验C中所观察到的，从表中的数据可以看到牵离速度的增大使挤出压力减小。最后，同样与实验B和实验C相似，牵离速度的增大对膜的外部尺寸仅具有微小的影响。图5示出了显示膜的宽度和膜的厚度随牵离速度的变化的图表。
实验G
最后的实验对在模具温度升高为215℃时牵离速度对于空隙度和产品质量的影响进行研究。该实验在通过喷射器38进行自然加气处理的条件下进行实验。
如同从先前的结果中所预期的，可以发现牵离速度的增大使膜中形成的空隙度的量增大；表4中给出了两个示例。
表4-从实验G中所选的结果
  实验   牵离速度(m/min)   空隙度(％)   评述
  G1   1.8   14   光滑，无缺陷产品
  G5   7.6   27   光滑，无缺陷产品
然而，从该组实验中得到的最为显著的观察结果是关于过程的稳定性与拉伸共振(draw resonance)的关系。
拉伸共振是在纤维纺织(fibre-spinning)和膜铸塑过程中发现的不稳定。如果我们将拉伸比定义为出模的聚合物与淬火后处于固态的聚合物牵离的速度的(平均)速度的比值，于是我们可看到，这一数量与聚合物在其熔化状态中经历的液面下降的量有关。
如果试图尝试过度地牵拉聚合物，则会出现“拉伸共振”不稳定。其呈现为所述膜的宽度及厚度的周期性振荡的形式。振荡的周期与淬火间距(模具出口与淬火位置之间的距离)相关联，而振幅与拉伸比相关联。可以从数学上证明，对于牛顿流体，在拉伸比为20.2时会出现拉伸共振。有多种方式来轻微地延缓这种不稳定性的发生，其中粘弹性、快速的淬火和其他方法可以组合。然而，一般而言，在膜铸塑/纤维纺纱生产***上，这种拉伸共振代表着生产上限。
并未在任何点上观察到拉伸共振。在借助现有机械能够达到的最高牵离速度(15.2m/min)下，该过程是稳定的。然而我们观察到，由于淬火射流的冷却效应，脱离模具的聚合物的速度表现为与牵离速度大体上相似。此外，聚合物还表现为被强制地拉出挤出模出口，由此使挤出模中的聚合物加速、并且使挤出生产线中的压力下降。
模具温度的升高消除了先前论述的产品“粗糙”的任何可观察到的形式。此外，由于在模具中的聚合物的粘度较低，一些与膜的外部尺寸相关的牵拉影响随着牵离速度增大而逐渐减小；这种影响与传统的MCF过程中的类似的影响相比仍然显著地弱一些。
表5-在实验G中获得的产品的宽度和厚度随着牵离速度的变化
  实验   牵离速度(m/min)   挤出物宽度(mm)   挤出物厚度(mm)
  G1   1.8   13.24   0.51
  G2   3.0   11.65   0.34
  G3   4.6   11.54   0.28
  G4   6.1   10.67   0.19
  G5   7.6   10.03   0.17
  G6   9.1   10.22   0.15
  G7   10.6   9.6   0.10
由实验G5得到的膜的横截面照片也表明，使用较高的牵离速度会影响毛细管的形状范围和尺寸范围；这一点在图6F中示出。膜的宽度约为10mm。
使用聚烯烃塑性体(Dow Affinity 1880)实施的一些实验工作表明，使用LLDPE产生的过程参数的变化具有相似的效果。关键的区别在于，其表现为较易于制成更高的空隙度，但也更易于引起图6E示出的破裂不稳定。通常，借助速度约为90cm3/min的喷射器气体流量可稳定地实现高空隙度产品的成功挤出，但在喷射器气体流量超过约100cm3/min至150cm3/min时观察到不稳定性。
图6G和图6H示出了使用Dow Affinity 1880塑料在170℃的温度、以及稳定的80cm3/min的气体流率的条件下制成的挤出产品。沿着每一条膜设有毫米量级的刻度。图6G示出的产品的空隙度约为40％，并且是利用较低的牵离速度(约0.8m/min或更高)制造的，而图6H示出的产品的空隙度约为60％，并且是利用较高的牵离速度(在约1-3m/min范围内)制造的。
这些包括各向异性的泡沫材料的新的高空隙度产品的应用包括食品、药品或气体的新型管道(例如饮用吸管)，这些产品可具有多个毛细管。一个尤其实用的特性为它们能够承受在一个方向上的弯曲而不会使中空的毛细管塌陷。
影响最终产品空隙度的因素有多种。这些因素可以总结如下：
·增大牵离速度会增大最终产品的空隙度，
·增大喷射器气体流率会增大最终产品的空隙度，
·将喷射器气体流率增大至临界阈值以上会导致产品不稳定和毛细管之间的壁的破裂，
·可由气体喷射压力推断出发生产品的不稳定和(毛细管之间的壁)破裂的临界阈值。在稳定状态中，该压力为零(在设备灵敏度范围以内，或者小于10毫巴)。当气体喷射压力超过约40毫巴时观察到不稳定状态，并且此压力通常是波动的。
·包含有破裂的毛细管之间的壁的产品实际为带有沿着其长度方向延伸的内壁褶皱的管。
在使用LLDPE的实验组中，观察到的空隙度处于17％和最高约35％之间。在使用Affinity塑性体进行的实验中，观察到的空隙度最高至60％。以聚乙烯醇(PVA)(Depart PVA C10-40)的挤压等级也成功地进行了实验。
除了这些观察结果之外，还发现一些不寻常的加工特性。这些加工特性可以总结如下：
·增大牵离速度对产品宽度和厚度仅具有较小的影响，
·“高”牵离速度应用于“中等”模具温度(165℃至185℃)会导致产品粗糙。
·可在不发生拉伸共振不稳定的情况下获得适用于“高”模具温度(215℃)的“高”的牵离速度，
·增大牵离速度倾向于减少挤出管线中的聚合物压力。
通过调节工艺条件，可以形成有具有高空隙度的挤出产品。所述空隙可以由第二相态(例如空气)的、或者任何其他相态类型的物质填充。表面积与体积的比值能够被“调整”以适应特定的应用，并且能够制成坚硬的、并且能够承受张力载荷的产品，且产品将承受弯曲而不会产生会损伤单孔管的破裂。
除非上下文另有规定，否则本文中所用的“一”和“所述”表示“至少一”的含义。
应当明了的是，为清晰起见，在各个实施例的文字描述中的本发明的某些技术特征也可以结合在单个实施例中来提出。相反地，为简洁起见而在单个实施例的文字描述中提出的本发明的多个特征，还可以被单独地提出、或以任何合适的组合的形式提出。
还应认识到的是，上述部件的结构和设置能够做出多种变化、修改和/或增添，而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (23)

1.一种制造具有多条贯穿于其中的毛细孔道的挤出产品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供挤压设备，该挤压设备包括：挤压机，其具有入口；模具，其包括具有预定外形的模口；多个流体喷射器，每个所述喷射器具有一本体，该本体包括用于流体流动的内部管道，每个喷射器在出口端还包括离开所述内部管道的出口，每个喷射器的所述出口端大体上以预定的式样布置于所述模具的模口中，每个喷射器的所述管道与流体源呈流体连接；
b)通过所述入口将可挤压材料供给到所述挤压机内；
c)将所述可挤压材料朝向所述模具推压并穿过所述模具中的模口，以制出具有所述预定外形的挤出物；
d)使用所述喷射器以使流体能够从所述流体源经过所述管道而被引入所述挤出产品中以形成毛细管，从而使所述挤出物包括以所述预定的式样顺着该挤出物布置的、充注有流体的毛细管；其特征在于
e)通过将加压流体的至少一个射流在距离所述模具的模口3mm以内的位置施加至所述挤出物，在所述挤出物脱离所述模具时对所述挤出物进行淬火冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过将加压空气的多个射流施加至所述挤出物来实现所述淬火冷却。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述射流在距离所述模具的模口2mm以内的位置施加至所述挤出物。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述流体源为加压流体的源。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述加压流体为压缩空气。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中所述加压流体以每一喷射器0-26cm3/min范围内的速率喷射。
7.如权利要求4或5所述的方法，其中所述加压流体以每一喷射器11-16cm3/min范围内的速率喷射。
8.如权利要求4或5所述的方法，其中在0-150毫巴范围内的实测计示压力下提供所述加压流体。
9.如权利要求8所述的方法，其中在0-10毫巴范围内的实测计示压力下提供所述加压流体。
10.如权利要求1或2所述的方法，还包括使用压辊将所述挤出产品以0.8-15m/min范围内的牵离速度进行牵拉。
11.一种用于制造具有多条贯穿于其中的毛细孔道的挤出产品的设备，所述设备包括：挤压机，其具有入口；模具，其包括具有预定外形的模口；多个喷射器，每个喷射器具有一本体，该本体包括用于流体流动的内部管道，每个喷射器在出口端还包括离开所述内部管道的出口，每个喷射器的所述出口端大体上以预定的式样布置于所述模具的模口中，每个模口的管道与流体源呈流体连接；其中，在使用中：
a)通过所述入口将可挤压材料供给到所述挤压机内；
b)所述挤压机将所述可挤压材料围绕所述喷射器的本体朝向所述模具推压并且穿过所述模具中的模口，以制出具有所述预定外形的挤出物；
c)所述喷射器使流体能够从所述流体源经过所述管道而被引入所述挤出产品中以形成毛细管，从而使所述挤出物包括以所述预定的式样顺着该挤出物布置的毛细管；其特征在于，
d)用于在所述挤出物脱离所述模具时对所述挤出物进行淬火冷却的装置，所述装置包括至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴设置为在使用时在距离所述模具的模口3mm范围以内提供被定向为冲击所述挤出物的加压流体的射流。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述喷射器包括喷针。
13.如权利要求11或12所述的设备，其中所述流体源为加压流体的源。
14.如权利要求11或12所述的设备，其中所述流体源为压缩空气的源。
15.如权利要求11或12所述的设备，其中所述至少一个喷嘴设置为在使用时在距离所述模具的模口小于2mm的范围以内提供被定向为冲击所述挤出物的加压流体的射流。
16.一种能通过权利要求1所述的方法获得的挤出产品，该挤出产品具有长度和垂直于所述长度的横截面形状，所述产品包括多个大体上平行于所述产品的所述长度的孔，所述孔占所述产品的体积的40-60％。
17.如权利要求16所述的挤出产品，其中所述横截面形状包括两个长边和两个短边。
18.如权利要求16所述的挤出产品，其中所述横截面形状为环状。
19.如权利要求17所述的挤出产品，其中所述多个孔沿着大体上平行于所述截面的长边并且大体上位于短边的中心的直线排列。
20.如权利要求16所述的挤出产品，该挤出产品为具有两个长边和两个短边的条带。
21.如权利要求16至20中任一项所述的挤出产品，其由从包括聚乙烯醇以及聚烯烃塑性体的组群中选取的至少一种材料形成。
22.如权利要求21所述的挤出产品，其中所述聚烯烃塑性体为线形低密度聚乙烯。
23.如权利要求16所述的挤出产品，该挤出产品呈饮用吸管的形式，该饮用吸管具有长轴并具有多个孔，所述多个孔大体上平行于所述长轴排列，所述孔占所述吸管的体积的40-60％。
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Application publication date: 20091125

Assignee: Cadbury Holding Limited

Assignor: Cambridge Entpr Ltd.

Contract record no.: 2013990000082

Denomination of invention: Extruded materials having capillary channels

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License type: Exclusive License

Record date: 20130312

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