面向介入医疗导管的聚合物微挤出模具设计制造技术与工艺研究

摘要

随着微加工技术的蓬勃发展，许多产品的轻量化、小型化、微型化、精密化趋势日渐明显。与此同时，传统聚合物挤出成型技术也正在朝着微型化方向发展，出现了聚合物微挤出成型技术，其制品如介入医疗导管、汽车油气路微管、新型塑料光纤等在医疗、汽车、通讯等领域得到了广泛的应用，尤其是高技术含量、高附加值的介入医疗导管。由于介入医疗导管具有尺寸微小、截面形状复杂、几何精度高等特点，使得微挤出模具的设计、制造和成型工艺较为复杂，因而传统的挤出成型技术已经不再完全适用。由于受挤出模具、配套生产工艺等限制，目前我国介入医疗导管及其挤出模具主要依赖进口，其价格昂贵，严重阻碍了我国介入医学的发展。因此，针对介入医疗导管这样较难成型且精度高的微管，本文以聚丙烯(PP)微管的微挤出成型为研究对象，对聚合物微挤出模具的流变学设计、制造方法和成型工艺进行了深入研究。主要研究内容如下:
　　首先，根据聚合物微管截面型腔的形状以及各型腔在制品截面上分布特点，将微管主要分为中心对称、轴对称和周边均匀分布三大类。并根据这三种类型，制品截面结构由简单到复杂依次分别取最具有代表性的微管进行研究，即中心对称单腔微管、轴对称双腔异型微管和周边均匀分布五腔异径微管。聚合物微挤出模具成型段长度对挤出制品的质量和生产效率起着决定性作用，通过理论推导，建立了微挤出模具成型段长度与流道结构尺寸、聚合物熔体流变学特性之间的关系，确定了微挤出模具成型段长度。针对多腔微挤出模具非对称流道较难实现熔体流动平衡的问题，在挤出流动分析的基础上，结合聚合物熔体流变学理论和优化设计方法，提出了一种基于流动平衡的多腔直角微挤出模具非对称流道结构优化设计方法。该方法以微挤出模具非对称流道内熔体流动平衡性为优化目标，确定模具非对称流道结构关系，以模具转向角为设计变量，建立优化目标函数，对模具流道结构进行优化设计。通过对双腔微管和五腔微管的挤出模具非对称流道进行优化设计，逐步完善了多腔直角微挤出模具非对称流道结构优化设计方法。
　　其次，针对微挤出模具芯棒微细复杂成型段横截面结构和内部微细注气孔，尤其是多腔直角微挤出模具芯棒微细复杂成型段横截面结构，提出了一种具有细长成型段横截面复杂结构和微细注气孔的微挤出模具芯棒的加工工艺。该工艺针对微挤出模具芯棒成型段细长、易变形、易断裂及其横截面结构微细复杂等难于加工的问题，利用微挤出模具芯棒微细复杂成型段各个截面形状在芯棒轴向相同的共同特点，采用成型电极端面一次性蚀除成型加工技术，实现芯棒成型段的精密加工;同时，针对芯棒内部大深径比微细注气孔难于加工的问题，采用微细电火花阶梯孔渐进式加工方法，实现芯棒内部大深径比微细注气孔的精密加工。通过对单腔、双腔和五腔微挤出模具芯棒成型段的加工，验证和完善了该加工工艺的可行性和通用性。在聚合物微挤出模具装配过程中，装配误差容易导致口模与芯棒成型段处的装配间隙不均匀或挤出成型困难，因而重点研究了芯棒、口模、微调机构和注气管道的装配工艺，装配后的挤出模具能够实现芯棒与口模间隙微调，而不会触及芯棒成型段使其弯曲或断裂，同时，还可实现注气管道高温密封。
　　最后，针对直径微细、截面复杂、壁厚较薄的微管较容易受挤出工艺影响而难于成型的问题，通过对三类微管，如聚合物中心对称单腔微管、轴对称双腔异型微管和周边均匀分布五腔异径微管的挤出成型实验研究和分析，获得了挤出工艺参数对微管截面的尺寸和形状精度的影响主次顺序和较佳的工艺参数组合，揭示了挤出成型工艺参数对聚合物微管截面的尺寸和形状精度的影响规律。结果表明了型腔注气量对微管截面的尺寸和形状精度尤为重要，注气量大小直接决定了微管截面尺寸及其形状轮廓变化。根据挤出成型工艺规律，在管型腔注气量6 ml/min，螺杆转速4 r/min，模具温度202℃，牵引速度28 m/min的挤出工艺条件下，挤出了最小直径为0.5±0.02 mm的单腔微管;在月牙腔和圆腔的注气量均为6 ml/min，螺杆转速12 r/min，模具温度218℃，水箱真空度20％，牵引速度12 m/min的较佳挤出工艺参数下，挤出了满足使用要求且最小直径为1.2±0.02 mm的双腔微管，其外轮廓椭圆度、月牙腔椭圆度和圆腔椭圆度分别为:0.8％，1.4％和3.0％;在主型腔和次型腔的注气量均为6 ml/min，螺杆转速16 r/min，模具温度202℃，水箱真空度0，牵引速度10 m/min的较佳挤出工艺下，挤出满足使用要求且最小直径为1.6±0.02 mm的五腔微管，其外轮廓椭圆度、主型腔椭圆度和次型腔椭圆度分别是2.9％，2.1％和3.9％。同时，挤出实验也证明了多腔直角微挤出模具非对称流道结构优化设计方法的正确性和实用性。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 聚合物微挤出模具设计方面的研究

1．2．2 聚合物微挤出模具制造技术方面的研究

1．2．3 聚合物微挤出成型工艺方面的研究

1．2．4 存在的问题

1．3 本文主要研究内容

2 基于流动平衡的聚合物微挤出模具设计理论基础

2．1 引言

2．2 聚合物微挤出成型的基本原理

2．3 聚合物挤出流动的基本方程

2．4 基于流动平衡的聚合物微挤出模具非对称流道设计理论

2．5 聚合物微挤出模具成型段设计理论

2．6 本章小结

3 面向介入医疗导管的聚合物微挤出模具设计方法

3．1 引言

3．2 聚合物毛细管流变实验

3．3 聚合物单腔微挤出模具设计

3．3．1 拉伸比

3．3．2 单腔微管的几何结构

3．3．3 单腔微挤出模具流道结构设计

3．4 聚合物双腔直角微挤出模具设计

3．4．1 双腔微管的几何结构

3．4．2 双腔微挤出模具口模成型段设计

3．4．3 双腔直角微挤出模具流道结构优化设计

3．4．4 双腔直角微挤出模具优化设计

3．4．5 双腔直角微挤出模具流道内熔体流动数值模拟

3．5 聚合物五腔直角微挤出模具设计

3．5．1 五腔微管的几何结构

3．5．2 五脏微挤出模具口模成型段设计

3．5．3 五腔直角微挤出模具流道结构优化设计

3．5．4 五腔直角微挤出模具优化设计

3．5．5 五腔直角微挤出模具流道内熔体流动数值模拟

3．6 本章小结

4 聚合物微挤出模具制造关键技术

4．1 引言

4．2 聚合物微挤出模具材料

4．3 聚合物微挤出模具芯棒加工工艺

4．4 聚合物微挤出模具口模加工工艺

4．5 聚合物微挤出模具装配工艺

4．6 本章小结

5 面向介入医疗导管的聚合物微挤出成型实验研究

5．1 引言

5．2 聚合物微挤出成型的影响因素

5．3 聚合物微挤出注气系统设计

5．4 实验材料、设备与方法

5．5 聚合物单腔微管挤出成型工艺实验

5．5．1 实验评价指标和挤出工艺参数

5．5．2 实验结果与分析

5．6 聚合物双腔微管挤出成型工艺实验

5．6．1 实验评价指标和挤出工艺参数

5．6．2 实验结果与分析

5．7 聚合物五腔微管挤出成型工艺实验

5．7．1 实验评价指标和挤出工艺参数

5．7．2 实验结果与分析

5．8 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介