侧面受限压延的工艺条件对高分子取向的影响

吴育荣

摘要： 高分子取向的影响因素复杂多样，在不同的高分子取向下，材料性能会呈现出较为明显的差异。做好对于高分子取向影响因素的分析，有助于把控高分子物料的加工条件，促进制品性能的提升。探究侧面受限压延工艺，分析其工艺条件对于高分子取向的影响。首先，在简要概述高分子取向的含义后，厘清其与材料性能间的关系。其次，通过与传统压延工艺的对比，论述侧面受限压延工艺的诸多优势；在此基础上，从应力和温度两个维度，具体剖析该工艺的加工条件对于高分子取向的影响。最后，对该工艺在高分子物料加工中应注意的事项加以归纳分析，以期侧面受限压延工艺取得良好的应用效果。

关键词： 侧面受限压延工艺 工艺条件 高分子取向 材料性能

中图分类号： TE931 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0106-03

与传统材料相比，高分子材料密度较低、质量轻的同时，还具有较高的强度和韧性，在生产实践中易于加工成型，加之外观精致和节能环保，被广泛应用在各领域中。现有研究证实，高分子取向的影响因素众多，在不同的工艺条件下，高分子取向会呈现出较大差异，进而导致制品性能的不同。在当前的高分子材料加工中，压延属于常用的加工成型工艺，也是高分子取向分析中不容忽视的内容。希望通过此次研究，能够对侧面受限压延工艺加以深入分析，进而厘清其工艺条件对于高分子取向的影响，为高分子加工工艺的优化提供更有力的理论依据，促进高分子制品性能的不断提升。

1 高分子取向与材料性能的关系

在受外力影响的情况下，高分子长链会依据择优性，沿着特定方向流动和变形，进而平行排列成为有序结构，该过程即为取向。当处于伸展状态时，由于长度数值明显高于宽度，高分子在结构上表现出明显的不对称性，因此很容易受到牵引、压延和挤出等各种外力的影响，进而出现取向现象。根据结构单元的不同加以分类，较为常见的有链段取向与分子取向，此外，在结晶高分子中还有晶粒取向。从热力学角度分析，在取向过程结束后达到的有序结构并不稳定，处于非平衡状态。去除外力后，受高分子热运动影响，长链又会变为无序结构，这就是与取向相对应的解取向［1-2］。

在取向过程结束后，高分子中绝大多数的分子链段指向相同，根据取向的不同，高分子材料会表现出不同的宏观性能。例如：从力学角度讲，在取向方向上，高分子材料在强度、刚度等方面会展现出良好的性能，在与取向垂直的方向上，材料的强度与刚度相对偏低；从光学角度讲，在取向方向上，高分子材料易发生双折射现象；从热力学角度讲，材料在取向方向的热膨胀系数会与其他方向存在较大的差异［3］。因此在高分子材料生产中，通常可以利用高分子取向的特点，实现产品性能的优化，生产出更加优质的高分子制品。

2 侧面受限压延工艺分析

2.1 传统压延工艺

在高分子材料加工中，压延属于十分重要的环节，是使高分子材料成型的主要工艺手段。在传统的压延工艺中，通常需要准备许多相向旋转着的平行辊筒，利用其间隙的挤压和延展，依照规定的厚度和宽度，将与黏流温度相近的物料制作成薄片制品。在各种成型工艺中，压延工艺凭借其工作效率快、产品质量高、具有自动性和连续性等优势，在高分子成型加工中使用较频繁。不过，传统压延工艺也有局限性：一是对物料厚度要求较高，通常只适用于薄膜、薄片等材料的加工，在物料厚度达到5 mm 以上的情况下难以发挥作用；二是在物料成型过程中，容易因挤压不当而使其出现横向外扩的情况，在辊筒间隙薄厚不均的情况下，物料可能会呈现边缘过薄的情况；三是在长期加工过程中，辊筒轴容易弯曲变形，进而会因物料边部滚压不实而降低加工质量，严重时还会使制品出现边裂缺陷［4］。

2.2 側面受限压延工艺

侧面受限压延工艺的出现，实现了对于传统压延工艺的优化和改进。在装置构成上，侧面受限压延主要包含上、下两个辊筒，且两辊筒宽度相同。在将物料加入其中后，能够与两辊筒直接接触，进而在辊筒施压下实现加热。由于辊筒的强度与刚度较高，因此在物料挤压过程中能够保持适当的弯曲程度，而不会超出适用范围。与传统工艺存在明显差异的是，侧面受限压延工艺需要在下辊筒两侧，分别设置一个高度在100～150 mm 范围内的侧壁，使其能够与下辊筒形成一体。侧壁的主要功能在于避免物料横向外扩，使其更加均匀地分布在辊筒间隙中，因此出现制品变形的情况较少。与此同时，侧壁还能够对辊筒轴形成一定的保护作用，防止其发生弯曲变形，大幅降低了边裂缺陷的发生风险。此外，对于厚度达到5～10 mm 的物料，侧面受限压延工艺也能相对稳定地发挥作用，使压延工艺的应用范围得以大幅拓宽［5］。

3 工艺条件对高分子取向的影响

3.1 应力对高分子取向的影响

在侧面受限压延工艺中，上、下辊筒在速度保持一致的情况下相向旋转，在将高弹态物料投入两辊筒间隙处后，两辊筒共同构成“压机”，沿着竖直方向对物料施加荷载。与此同时，下辊侧壁沿水平方向，给物料施加防止其外扩的力，使其在横向受力为零，保持相对稳定的状态。物料还需受到压延工艺所产生的力而发生延展或流动。此时对物料进行受力分析可以得知，其受力主要包括径向的Q1、Q2和切向的T1、T2，Q1和T1为上辊轮提供的力，Q2和T2为下辊轮提供的力。在此基础上，对物料受力加以进一步分解［6］（如图1 所示）。

基于流体连续性原理来看，由于物料流动速度有所增加，其在出口处的速度会高于进口时，而辊筒线速度则与之相反，在出口处速度偏低，因此可以找出一条中性线。物料在经过该线后，所受的切向力完全改变，同时该线也将物料的拉入和拉出一分为二。在入口处，部分切向力需要将物料拉入辊缝，部分径向力试图将其推出辊缝。此外，物料在延展方向还会受到显而易见的挤压力，当切向力高于径向力时，物料受拉力较大会进入辊缝。尤其是当拉伸应力较大时，除了部分拉力需要克服物料的屈服应力外，还会剩余出大量拉力。这些拉伸应力将会强制物料流动，其中的高分子链段在解缠后，自发地排直和滑移，由原本的高弹态转变为塑性状态，而且该形变过程往往是不可逆的。

由此可知，受应力条件影响，高分子会沿着侧面压延受限工艺的延展方向取向，这与拉拔工艺中塑性拉伸取向比较相像。不过，在拉拔工艺实践中，时常会因空化、断丝等因素而引发制品缺陷，但在侧面受限压延工艺中，可通过向物料施加挤压力而规避缺陷，因此从制品质量角度看，侧面受限压延工艺要明显优于拉拔工艺。

3.2 物料温度对高分子取向的影响

在对高分子材料的压延加工中，为使高分子物料保持在高弹态，需要对物料温度加以一定控制，通常要高于玻璃态转化温度，同时要低于黏流温度。若物料温度偏低而达到玻璃态，会导致其硬度偏高，此时对其进行压延，即便施加较大的外力，也无法使物料发生明显的形变，通常仅表现为分子链的伸长，难以达到加工成型的效果。随着外力的消失，物料会快速恢复到原状态。若物料温度过高且转化为黏流态，将会表现出较强的流动性，在此情况下，物料的屈服应力表现十分不明显，即便对其施加较小的外力，也会对分子结构产生很大的影响。虽然能够快速完成分子取向，但会让分子链段出现较大程度的解缠和滑移，但与之相应的是，高分子也十分容易解取向，严重降低了取向的有效性。只有当物料温度适宜，保持在玻璃态和黏流态之间时，高分子才能够表现出相对稳定且适宜的活动能力，进而在受到拉伸应力后，实现链段的形变和位移，以较快的速度达到较高的取向度。

在传统的压延工艺中，物料温度控制难度较高，虽然大多能够保持在玻璃态转变温度以上，但与黏流温度过于接近，温差往往在10 ℃以内，很容易转化为黏流态而降低加工效果。改进后的侧面受限于压延工艺，降低了对物料温度的限制，可适用的物料温度的范围大幅拓展，即便是低于50 ℃或高于150 ℃的物料，也能够获得较为理想的压延效果。

4 侧面受限压延工艺在实际应用中的注意事项

为保障侧面受限压延工艺的有效应用，在其具体实践中，还应注意一些事项。

（1）随着工作时间的增加，两辊筒间的辊缝会逐渐缩小，受此影响，物料在行进过程中会逐渐变薄，所受到辊筒产生的挤压力会随之增大。在辊轮入口处，物料所受压力会在短时间内大幅增加，在物料温度相对较高的情况下，会表现出较强的流动性，甚至可能出现回流的情况，进而使入口处发生鼓包现象。

（2）根据对物料的受力分析能够发现，在入口段和出口段的不同位置，物料受的切应力方向明显不同。由此表明其在压延过程中，需要承受不对称的循环应力，受此影响，物料容易出现表面扭曲的情况。通过侧面划线实验，能够较为直观且清晰地发现这一问题。尤其是在物料压缩比较高时，扭曲现象更加明显。因此，在侧面受限压延实践中，应做好对物料表面形变情况的观察，并做好对物料压缩比的控制，避免扭曲过大而降低制品品质［7］。

（3）在物料进入辊缝时，不仅受到外力挤压，同时还要受到辊轮表现产生的摩擦力。在压延过程中，一定比例的摩擦力会转化为热能，进而对物料加工产生影响。

5 结语

高分子取向与材料性能关联密切，在不同的高分子取向下，材料会在力学、光学、热力学等方面，表现出不同的性能水平。然而在传统的高分子材料压延加工中，时常会出现物料横向外扩、制品边裂形变等情况，而且对于物料厚度的要求较高，进而影响到高分子制品的品质。但在引入侧面受限压延工艺后，其应力条件和温度条件会对高分子取向产生较大的帮助，使取向过程更加高效且稳定。这种工艺降低了物料厚度和温度的限制，在高分子物料加工中的适用范围更广，制品的成型效果也明显更好。不过，在当前的侧面受限压延工艺中，也可能会对高分子制品其他性能产生一定的不利影响，需要在实践应用中做好防范及应对措施，并继续加强对该工艺的改进和优化。

参考文献

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