微擠出成型制品多數具有尺寸微小( 外徑小于2mm，壁厚小于0.2mm)、幾何精度高等特點，在截面形狀相對簡單的單腔醫用介入導管擠出成型過程中引入微量注氣系統，采用擠出模具成型段長度數學模型和微細電火花成型加工技術，可設計制造單腔微擠出模具。在擠出過程中，為排除導管復雜截面對微管尺寸的影響，一般以聚丙烯( PP) 和聚氨酯( TPU) 為材料，以截面相對簡單的單腔導管直徑和壁厚為指標。那么單腔導管擠出成型過程中主要工藝參數對不同材料導管截面尺寸變化的影響規律是怎樣的呢?
1 單腔醫用介入導管擠出模具設計和制造
單腔醫用介入導管截面形狀如圖1所示， 由一個圓型腔和均勻的壁厚組成。導管材料為T30S聚丙烯(PP) 和德國拜耳5377A聚氨酯( TPU)。PP適合擠出的溫度范圍185 ℃ -275 ℃，TPU適合擠出的溫度范圍170 ℃ -10 ℃。
圖 1 單腔導管截面
通過R osand- R H7雙料筒毛細管流變儀和直徑為0.5mm、長徑比為16 ∶ 1的圓形口模進行流變實驗，剪切速率取500-4000s-1， 可分別獲取 PP 和TPU 的剪切粘度與剪切速率的關系曲線如圖2。在同樣的剪切速率下，PP的剪切粘度要小于TPU的剪切粘度，PP的擠出體積流率要大于TPU的擠出體積流率。
圖 2 PP 和 TPU 的剪切粘度與剪切速率曲線
由單腔醫用介入導管的截面形狀，設計其口模截面如圖3。
圖 3 單腔導管口模截面
成型段長度是擠出模具最重要的結構參數，其長度直接決定著擠出導管的質量和產量。如果成型段長度不足，將會導致制品嚴重地擠出脹大，擠出的導管截面形狀將無法控制; 如果成型段長度太長，模具內的壓力損失將會變大，將使擠出體積流率減小，進而使制品產量也會相應地減小。根據成型段長度計算公式如(1)可計算擠出模具成型段長度：
其中L，W，H 分別是口模成型段的長度，口模截面流道的平均周長和寬度; ΔP 是口模成型段處的壓力降; Q 是體積流率; n 是非牛頓指數; K”是流體稠度。
擠出模具的口模和芯棒設計分別如圖4和圖5所示：
圖 4 單腔口模
圖 5 單腔芯棒
單腔醫用介入導管擠出模具制造的難點在于芯棒微細結構的加工。針對芯 棒成型段直徑尺寸( 0. 7mm) 微細、易變形、易斷裂等難于加工的問題，采用微細電火花成型加工技術，實現了成型段的精密加工; 針對芯棒內部大深徑比的注氣孔難于加工的問題，采用微細電火花階梯孔漸進式加工方法，實現了芯棒注氣孔的加工。裝配后的擠出模具如圖6所示。
圖 6 單腔導管擠出模具
2 擠出成型
材料為上面所提及的擠出級聚丙烯( PP) 和聚氨酯( TPU)，擠出試驗設備是美國戴維斯公司制造的HPE-100H的單螺桿擠出機( 螺桿直徑為25 mm，長徑比為24 ∶ 1)，如圖7。
圖 7 單螺桿擠出機
導管尺寸由蘇州歐卡精密光學儀器有限公司制造的工具顯微鏡( 型號VTM-3020F) 進行測量。根據PP和TPU的特性，擠出機機筒從入料口到出料口被分成三段加熱區間，擠出模具的溫度被設定為200℃。PP和TPU放入70℃烘干箱內分別持續加熱1小時和3小時烘干。
在擠出模具里，聚合物被擠出成型。導管通過牽引機牽引，經過冷卻水箱冷卻，并在常溫下吹干、切割，最后獲取導管。在每個試驗工藝下，切割五段導管，并測量尺寸，取其平均值，以此獲取擠出工藝參數對導管尺寸的影響規律。
影響導管尺寸的工藝參數主要包括模具溫度，牽引速度和螺桿轉速。在試驗時，導管型腔注氣速度為6mL/min。(螺桿速度即擠出速度。)
3 結果與分析
在進行模具溫度對PP 和TPU導管直徑和壁厚影響的擠出時，螺桿轉速為4 r/min，牽引速度為6m/min。模具溫度與導管尺寸的關系曲線如圖8所示。由圖可知，模具溫度對導管尺寸的影響很小，同時PP導管尺寸大于TPU 導管尺寸。由圖2可知，PP的剪切粘度小于TPU的剪切粘度，所以PP的擠出體積流率要大于TPU的擠出體積流率，擠出的PP導管尺寸大于TPU導管尺寸。
圖 8 模具溫度與導管尺寸的關系曲線
圖9是牽引速度與導管尺寸的關系曲線。在恒定的擠出速度下，伴隨著牽引速度的增加，導管尺寸呈非線性減小。恒定的螺桿轉速意味著擠出速度不變，擠出的體積流率保持不變。當牽引速度逐漸增加時，導管尺寸逐漸減小。
圖 9 牽引速度與導管尺寸的關系曲線
導管尺寸減小的變化率越來越小。在擠出過程中，剛離開口模的聚合物大分子脫離口模的約束，快速恢復到自然卷曲狀態，進而出現擠出脹大現象。同時在較低的牽引速度下，恢復后卷曲狀大分子逐漸被拉直，因而導管尺寸減小的變化率非常大。
隨著牽引速度的繼續增加，大分子逐漸被拉伸到了極限，進而出現了分子間的相對滑移，導管徑向收縮減慢，導致導管尺寸減小的變化率逐漸變小。
圖 10 PP 導管
此外，由圖9還可以看出，PP導管尺寸比TPU導管尺寸更大。在相同的螺桿轉速下，與PP相比TPU的剪切粘度更高如圖2所示。因此從模具中擠出的PP體積流率要大于TPU，進而PP導管尺寸要大于TPU 導管尺寸。
在進行螺桿轉速對PP和TPU導管直徑和壁厚的影響試驗時，模具溫度為200 ℃，牽引速度為6m/min。伴隨著螺桿轉速的增加，導管尺寸呈非線性地變大。主要原因在于模具入口前的壓力呈非線性變化。
圖 11 TPU 導管
由于PP的剪切粘度小于TPU，PP導管的擠出體積流率大于TPU導管的擠出體積流率，所以PP導管尺寸大于TPU導管尺寸。擠出的單腔導管如圖10和圖11所示，滿足設計要求并且有很好的擠出一致性。
通過對PP和TPU導管擠出工藝的試驗研究，模具溫度對導管尺寸影響較小; 牽引速度和螺桿轉速對導管尺寸的影響呈非線性變化; PP的剪切粘度小于TPU的剪切粘度，PP的擠出體積流率大于TPU的擠出體積流率，因而在同等擠出工藝條件下，PP導管尺寸大于TPU導管尺寸。
