异形医用双腔导管挤出离模膨胀变形机理与调控
0 前言
随着介入医学的发展,高分子材料介入医用导管不断向精密化方向发展。然而挤出成型过程中高分子熔体黏弹特性与工艺参数波动双向耦合作用,会诱发离模膨胀变形波动,使得目前制备高精度异形医用多腔导管在工程上仍是一项技术挑战。异形医用多腔导管精密控形研究倍受学者青睐。朱常委等[1]针对双腔异形医用导管的离模膨胀进行了逆向求解,研究表明离模膨胀的逆向求解可得到更为合理的机头口模结构。陈智勇等[2]对三腔微管挤出成型过程中主要的工艺参数进行了相关的数值模拟分析,研究表明注气压力和体积流量对所得产品的形状精度有较大的影响。刘磊等[3]模拟研究了注气压力、体积流量和牵引速度对所得微管的截面尺寸、挤出速度和机头压力的影响。黄楚晔等对传统和气辅微管挤出进行了相关的数值模拟分析,研究发现气辅挤出能基本消除离模膨胀[4-6]。Jin[7]实验研究了五腔微管成型过程的挤压工艺参数对微管形状精度的影响。Tian等[8]进行了双腔微管的挤出相关的数值模拟分析和实验。尽管国内相关研究丰硕,但异形医用多腔导管挤出成型的离模膨胀的机理尚未完全弄清,其控形仍处于经验试差的不科学状态。本文对双腔异形医用导管挤出成型过程的离模膨胀径向变形位移—径向二次流动—第二法向应力差的相互耦合作用机制进行了模拟研究,探索了异形医用多腔导管精密挤出成型的控形机理。
1 控制方程和本构方程
连续性方程为:
式中 σ——总应力张量,MPa
V——速度矢量,m/s
对于气辅挤出成型,采用Asymptotic law来描述口模壁面滑移程度。
式中 σ——总应力张量,MPa,其中σ=τ+pI;
p——压力,MPa
I——单位矩阵
τ——偏应力张量,MPa
Cρ——熔体定压比热容
T——熔体温度,℃
q——热通量
fs——模腔壁面剪切摩擦应力,MPa
Fslip——模腔壁面滑移系数
Vc——模型参数,Vc=1
i,j——下标,i,j=1,2,3
熔体黏弹性采用PTT[9-10]本构模型,其模型为:
式中 τ——偏应力张量,τ=S+2η2D
、——分别为S的上、下随体导数
D——应变速率张量
η——聚合物熔体的总黏度,Pa?s
ηr——黏度比
η2——溶剂的牛顿黏度,Pa?s
ξ——材料参数
λ——松弛时间,s
β——材料参数
S——黏弹性偏应力张量
采用如下Arrhenius方程真实反映熔体黏度对温度的依赖性:
式中 η0——Tα温度下熔体黏度,Pa·s
E——表现活化能,J/mol
T0——参考温度,℃
Tα——H(T)=1时的参考温度,℃
2 模拟条件
本研究采用图1(a)所示的异形医用双腔导管口模挤出实体模型。基于对称性,采用二分之一模型,构建图1(b)所示的有限元模型。其口模外径(D1)为3.08 mm,两个内腔外径D2、D3分别为1.4 、0.6 mm。口模沿熔体挤出流动方向分为口模流动区和熔体离模膨胀区,两区域长度分别取40 mm和80 mm。熔体流变性能参数见表1。
表1 熔体物性参数及PTT模型参数Tab.1 Material property and PTT model parametersη0/Pa?s 10 000 λ/s 0.1 ξ β ηr ρ/kg·m-3 920 E/J·mol-1 2 000 T0/℃-273 Tα/℃200
3 模拟结果及分析
异形医用双腔导管离模膨胀体现为熔体径向变形过程,从流变学分析,径向变形体现为径向二次流动[11]。图 2为体积流量为 1.68×10-9m3/s,松弛时间分别为0.2、0.6、1.0 s时,挤出离模膨胀最终截面与口模截面形貌对比图。图3为固定松弛时间为0.5 s,熔体进口体积流量分别为8.4×10-10、2.8×10-9、4.2×10-9m3/s时,离模膨胀最终截面与口模截面形貌对比图。蓝色为口模出口形貌,绿色为离模膨胀的截面形貌。图4和图5分别为松弛时间、熔体进口体积流量与离模膨胀比的关联曲线。模拟结果表明:异形医用双腔导管的熔体离模膨胀比与熔体松弛时间,熔体进口体积流量近似呈线性正关联关系。熔体离模膨胀比随着松弛时间的增大而增大,当松弛时间由0.2 s增至1.0 s时,其离模膨胀比则由1.16增至1.70,增幅达47%。熔体离模膨胀比随着熔体进口体积流量的增大而增大,当熔体进口体积流量从/s增加到4.2×10-9m3/s时,其离模膨胀比由1.185到增至1.86,增幅达36.5%。
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