一种聚酰亚胺薄膜单向拉伸机模型

聚酰亚胺(PI)是一种新型有机高分子材料，具有优良的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能[1]，广泛应用在航空航天、纳米技术、液晶、激光等领域，被称为21世纪最有希望的工程塑料之一[2]. 现阶段聚酰亚胺薄膜拉伸技术不成熟，在实际生产中薄膜拉伸常出现缩幅、破膜、厚薄不均现象，而且拉伸速度低、拉伸不稳定、薄膜厚薄不均匀等问题，需进一步提高聚酰亚胺薄膜拉伸成型工艺的水平.

薄膜厂大多采用拉幅机生产聚酰亚胺薄膜，其问题在于生产工艺繁琐、加工技术要求高，设备结构复杂、自动化控制难度大、连续生产的稳定性差[3]. 在生产过程中薄膜因受力不均容易发生破膜、脱夹等问题，越靠近夹具的薄膜部分越厚，薄膜的中间部分较薄且易破损，造成薄膜的厚薄不均匀[4]. 为解决这些问题，杜邦公司提出了逐次拉伸法，先将生产过程中的聚酰亚胺薄膜在运行方向，即纵向拉伸后，再利用拉幅机进行横向拉伸的方法[5]. 其缺点是薄膜在纵向拉伸过程中，因受力不均匀会发生横向方向的缩幅现象，而且容易发生破膜现象，因此不实用. 华岩研究了薄膜同步双向拉伸设备，采用运动控制单元数值模拟的方法，利用同步拉伸机对薄膜的纵向和横向同时进行拉伸，生产出厚薄均匀的薄膜[6]. 但该方法要求操控精度很高，需要纵向和横向的拉伸倍率相同才能实现同步拉伸，大大增加了操作难度，不便于实际生产. 耿纪伟设计了人字轮式捆绑式双向拉伸装置，通过建立数学模型和探究拉伸成型机理，模拟了薄膜的拉伸成型过程，提出拉伸成型工艺的新方法[7]，但该设备结构复杂，生产效率低，不利于实际生产.

针对以上问题，本文拟利用三维软件Solidworks设计一种结构简单、容易操作的小型单向拉伸机模型，并采用单向拉伸方法[8]，让薄膜在纵向拉伸过程中，横向方向受到两侧夹具的约束，而且夹具可跟随薄膜的运动方向一起运动，保证薄膜在纵向和横向受力均匀，使拉伸过程平稳，再利用ANSYS Workbench软件，与传统拉幅机的拉伸过程进行对比分析，模拟薄膜拉伸出现的缩幅现象和厚薄不均等情况，用于验证设计的小型拉伸机的拉伸性能.

1 单向拉伸机设计

1.1 聚酰亚胺薄膜的成型工艺

聚酰亚胺薄膜单向拉伸成型的工艺流程[9]：

湾区是指由一个海湾或者相连的若干个海湾、港湾、毗邻岛屿共同组成的区域，是一个地理学的概念。它与沿海地区的区别在于，湾区由海岸线凹进陆地形成，是沿海多个城市共享的水域，是滨海城市特有的空间形态。而也正因为湾区与大陆相连，经济腹地广阔，具有广阔发展前景。在国际上，那些沿海众多港口城市组成的这样一种独特的区域经济发展模式，便是湾区经济。

  

图1 聚酰亚胺薄膜单向拉伸成型流程

1.2 小型单向拉伸机设计

根据中华人民共和国出入境检验检疫行业标准SN/T2329-2009对上述防晒剂进行鸡胚绒毛尿囊膜试验，结果见表2。

拉伸机主要由固定装置、夹持机构、轨道机构、加热装置和驱动装置组成. 固定装置由上下固定板和上下夹紧板组成，用于加紧固定薄膜的一端，提高拉伸过程的稳定性和可靠性. 夹持机构包括夹具、调幅机构和夹具开闭器. 在拉伸过程中，夹具由皮带带动，以一定的速度运动，皮带拉伸平稳不会发生滑动，能提供足够的拉力，保持准确的传动比；两侧皮带上装有调幅机构，可以合理调节夹具的间距，使薄膜不会因拉伸宽度变化而脱离夹具，也不会被夹太紧发生破膜现象；夹具的开闭器分别在拉伸机入口处和出口处，入口处的闭合器把循环运行张开的夹具闭合，并将薄膜边部夹紧进入拉伸机，出口处的开夹器会及时将夹具打开，把拉伸完成的薄膜送出去. 轨道机构包括导轨、皮带张紧装置、轨道轴承. 皮带在导轨上沿拉伸方向运行，导轨的表面经过特殊处理，尽可能光滑，减少运行时的摩擦；皮带张紧装置可以调节皮带的张紧力，根据薄膜的拉伸变化自动调整皮带间距，保证夹具能夹住薄膜两边并顺利拉伸；轨道轴承可以固定轨道的位置，注入少量的润滑油，减少拉伸时摩擦力，保证拉伸平稳的进行. 加热装置由下方的通风管道提供热量，操控简单，便于调节温度. 驱动装置由电动机、丝杠传动机构、定位轴承组成. 拉伸机由电动机提供动力，经过丝杠机构传递拉力，由定位轴承确定拉伸方向，对薄膜进行单向拉伸.

  

(1)固定装置；(2)聚酰亚胺薄膜；(3)夹持机构；(4)导轨；(5)随行夹具；(6)工作台；(7)丝杠机构；(8)定位轴承图2 小型拉伸机爆炸图

1.3 薄膜拉伸过程

利用ANSYS Workbench软件对比分析小型拉伸机与传统拉幅机的拉伸过程，模拟薄膜拉伸出现的缩幅现象和厚薄不均等情况. 包括选择材料的性能，建立几何模型，划分网格，设置边界条件和分析[12].

1.4 注意问题和事项

(1)薄膜要选择厚薄均匀的原料，内部分子链分布均匀.

(2)夹具提供的夹力要适中，夹力不能太小，防止薄膜脱夹，也不能过大，防止发生破膜现象，夹具磨损或积垢需及时替换[10].

传统拉幅机对聚酰亚胺薄膜拉伸后，等效应力变化如图7(a)所示，可以看出薄膜的中间应力变化较大，容易发生拉伸破坏；两侧及固定端中间部分应力变化较小，不容易发生拉伸破坏，整体应力分布不均匀，容易发生破膜现象. 小型拉伸机拉伸聚酰亚胺薄膜的等效应力基本都是最大值，如图7(b)所示，薄膜整体的应力分布较均匀.

浴室的灯亮着，小涵居然在洗澡。出院以来，小涵外出的次数明显少了许多，即便有推不掉的饭局，也是下桌就往她父母家去，接了儿子冬瓜就往家里走。安顿好孩子，要不陪着孩子睡，要不就上一会网看一下娱乐新闻。每次许振平回家时，家里灯火皆无，母子俩早已进入梦乡。

(3)拉伸机入口处需要及时清洗，不能积炭太多，防止对薄膜造成污染.

本文利用Solidworks软件设计的一种小型单向拉伸机(如图2)是基于传统拉幅机的工作原理，增加了横向方向的随行夹具设计，使聚酰亚胺薄膜在纵向拉伸过程中，横向方向受到两侧夹具的约束，而且夹具可跟随薄膜的运动方向一起运动，这样保证薄膜在纵向和横向受力均匀，使拉伸的过程更平稳，生产出性能优良的聚酰亚胺薄膜.

通过ANSYS Workbench 软件对比分析小型拉伸机与传统拉幅机的拉伸成型过程，模拟聚酰亚胺薄膜拉伸后形变、应力、应变的分布情况. 在ANSYS Workbench的Solution 菜单中添加总形变、等效应力、等效应变等选项[18].

(4)入口膜面的高度和导轨要一致，及时调整入口的高度，使拉伸平稳运行[11].

2 薄膜拉伸过程的模拟与对比

聚酰亚胺材料导入拉伸机后，一端由固定装置固定夹紧，另一端及两侧被夹具夹紧，让薄膜在预热区内充分地预热后，在皮带的带动下，夹具加紧薄膜以一定速度进行拉伸，实现拉伸成型，最后薄膜经过冷却、切分，完成整个制膜过程.

2.1 基本假设

本次模拟主要对比分析小型拉伸机与传统拉幅机的拉伸聚酰亚胺薄膜的成型过程，具体数据以实际生产为准. 模拟前进行基本假设[13]：

1)聚酰亚胺薄膜在拉伸过程中，主要考虑拉力作用的影响，不考虑温度的影响；

2)在拉伸过程中，不考虑摩擦阻力的影响；

3)忽略惯性、重力、空气压力和薄膜表明张力等因素的影响；

4)设定较小的拉伸速度，使拉伸过程匀速进行；

5)薄膜内部分子分布均匀，不考虑初始内力的影响.

表1 材料属性

  

物理量参数拉伸强度110MPa弹性模量2.4GPa泊松比0.37剪切模量0.86GPa

2.2 设置材料属性

聚酰亚胺是以酰亚胺环为结构特征的高分子材料，其薄膜特性优良[14]，在20℃时，聚酰亚胺薄膜的抗张强度在100MPa以上，弹性模量为2～4GPa，弯曲强度≥170MPa，拉伸强度≥100MPa，伸长率>120%[15].

进入ANSYS Workbench软件设置材料的属性(见表1).

2.3 模型建立及网格划分

由于聚酰亚胺薄膜的几何模型比较简单，可以直接在ANSYS Workbench自带的Geometry模块中建立几何模型，将薄膜制成长方体：长100 mm，宽50 mm，厚0.025 mm，有效长度80 mm(如图3). 再选择ANSYS Workbench中mesh菜单，对聚酰亚胺薄膜的几何模型进行网格自动划分[16](如图4).

 

2.4 设置边界条件

为了保证聚酰亚胺薄膜的单向拉伸，约束薄膜在Z方向和Y方向的自由度，保证薄膜只沿X方向运动[17]. (1)传统拉幅机对聚酰亚胺薄膜拉伸时，薄膜一端固定，另一端受拉力作用进行拉伸. 用ANSYS Workbench进行模拟，施加相关拉力和约束，如图5(a)所示. (2)小型拉伸机拉伸聚酰亚胺薄膜时，薄膜两侧添加随行夹具进行夹持约束，使薄膜均匀的拉伸. 在模拟中，薄膜一端固定约束，另一端受拉力的作用，同时两侧施加无摩擦约束，相当于薄膜两侧被夹具夹紧后沿运行方向一起拉伸，如图5(b)所示.

  

图5 模型施加约束和载荷示意图

2.5 对比分析

这个SAHS是现代医学的疾病名称，中医古书对此病没有精确记载。依据国家中医药管理局的诊疗规范，本病归属于中医“鼾症”范畴，始见于《黄帝内经》，称为“息有音”。《伤寒论》：“风温为病……鼻息必鼾，语言难出”生动形容了打鼾症状，最早对该病证进行了文字记载。隋代巢元方把鼾症归属于独立存在的病证，并在《诸病源候论》中记录：“鼾眠者，眠里咽喉间有声也……其有肥人眠作声者，但肥人气血沉厚，迫隘喉咽，涩而不利亦作声。”同时指出了鼾症发生的病因病机是因为气血失和，气机不畅导致。清代陈修园所写《长沙方歌括》认为“鼾”主要是中气不舒所致升降紊乱，才致多眠鼻鼾。东汉许慎《说文解字》中注“鼾”者“卧息也”。

通过对供试品种生育期、主要农艺性状、产量及品质的综合分析比较发现，玉油1、4号均具有高产、生育期适中、品质优及含油量较高特征，云油杂15号具有生育期短、高产、品质优及含油量较高特征(可以作为早熟品种推广使用)，这3个品种均可以作为玉溪油菜种植的主推品种。

(1)薄膜拉伸后总形变分布

传统拉幅机对聚酰亚胺薄膜拉伸后，总形变如图6(a)所示. 薄膜会发生缩幅现象，两侧向中间收缩，中间部分拉伸形变较大，两侧拉伸形变较小，使薄膜的形变不均匀，造成薄膜内部分子链分布不均匀，容易出现破膜现象和脱夹等问题. 小型拉伸机拉伸聚酰亚胺薄膜形变情况如图6(b)所示，发生均匀的拉伸形变，中间和两侧拉伸形变相同，不会发生破膜、脱夹现象，拉伸出均匀的薄膜.

  

图6 聚酰亚胺薄膜拉伸过程的总形变云图

(2)薄膜拉伸后等效应力分布

可以将列车运营日计划编配看成一个指派问题，其中：担任车次任务的车组集合为{Ti，i=1,2,…,m}；待分配车次集合为{ Fj，j=1,2,…,n }。Cij代表车组Ti与车次Fj的匹配程度，Cij值越小代表匹配程度越高；决策变量Xij∈[0,1]，当Xij=0时，代表车组Ti未担当车次Fj，当Xij=1时，代表车组Ti担当车次Fj。

综上，我们基于名中医经验、中医理论和胃癌临床，围绕中医药特色与优势，提出从“痰”论治胃癌的科学假说，并结合临床和实验研究进行验证和探索，较全面地构建了阐释胃癌病机的“胃癌痰证”理论，创制了以金龙蛇颗粒为代表的多个胃癌治疗新制剂，有效提高了中医药参与胃癌综合治疗的效果，深化了对中医药防治胃癌的认识。

  

图7 聚酰亚胺薄膜拉伸过程的等效应力云图

(3)薄膜拉伸后等效应变分布

传统拉幅机对聚酰亚胺薄膜拉伸后，等效应变分布情况如图8(a)所示. 可以看出薄膜的中间部分等效应变变化较大，容易发生破膜现象；两侧部分等效应变变化较小，不容易发生破坏，整体应变分布不均匀.

小型拉伸机拉伸聚酰亚胺薄膜的等效应变如图8(b)所示，基本都是最大值，整体薄膜的应变分布较均匀，薄膜的厚薄较均匀.

  

图8 聚酰亚胺薄膜拉伸过程的等效应变云图

(4)薄膜厚度变化

传统拉幅机拉伸薄膜过程中，越靠近夹具的薄膜部分越厚，中间的薄膜部分较薄易破损，而且薄膜边缘部分厚薄变化不均匀，容易造成拉伸变形、破膜、厚薄不均等问题(如图9). 小型拉伸机拉伸薄膜时厚薄变化较均匀，薄膜整体较平整(如图10).

待伏在公安武警边防部队作战中有着非常重要的地位和作用。因为各种违法犯罪分子都清楚地认识到，凭借他们的力量永远不可能抗击公安边防部队的打击行动，唯一的方法是如何逃脱公安边防部队的打击行动。根据对违法犯罪分子客观的认识和推断，他们不可能主动对我采取任何攻击、袭击等行动。所以，待伏这种在某一地点待到违法犯罪分子到达后，突然将其捕歼的伏击方法是一种主要的战法。

  

图9 传统拉幅机拉伸薄膜厚薄变化云图

  

图10 小型拉伸机拉伸薄膜厚薄变化云图

3 结语

本文研究了聚酰亚胺薄膜拉伸成型的过程，利用自行研制的小型单向拉伸机，实现聚酰亚胺薄膜单向拉伸成型的模拟. 对比传统拉幅机拉伸薄膜的方法和技术，该小型单向拉伸机具有很多优势：结构简单，易于操作，能实现精准控制；加热方式简单，易于控制温度，热转化效率高；添加了两侧夹具对薄膜进行约束、拉伸，使薄膜的中部和边界受力均匀，不会发生缩幅、破膜、脱夹等现象；具有拉伸过程平缓、拉伸稳定等优点；适合生产幅宽较大、厚度较薄、要求较高的聚酰亚胺薄膜；易于实现高速、平稳的拉伸，具有广阔的市场应用前景和重要的科学研究价值.

1.2.1 标本收集和DNA提取 抽取先证者外周血及父母外周静脉血各2ml，以乙二胺四乙酸二钾抗凝。采用血液基因组DNA提取试剂盒(厦门致善生物科技股份有限公司)提取外周血标本基因组DNA，-20 ℃保存备用。

本文模拟分析与实验研究为聚酰亚胺薄膜拉伸成型技术的发展和推广提供了理论依据，但只进行定性的对比讨论，模拟尚有不足之处，薄膜制品的性能有待改善.

参考文献：

[1] 任小龙，黄永生，莫志华.提高聚酰亚胺薄膜性能的制造技术研究[J].塑料工业，2015，43(10)：113-118.

[2] 孟令蒲.薄膜拉伸加工物理在线研究装备[D].合肥：中国科学技术大学，2016.

[3] 潘鸣宇.BOPP薄膜同步双向拉伸系统的结构优化研究[D].长春：长春工业大学，2015.

[4] 郭亮亮.拉伸薄膜生产线技术研究[J].制造业自动化，2015，37(7)：153+156.

[5] 马鹏常，杨正华，姬相玲，等.单向拉伸聚酰亚胺薄膜[J].应用化学，2007(3)：331-334.

[6] 华 岩.薄膜双向同步拉伸设备关键问题研究[D].长春：长春工业大学，2014.

[7] 耿纪伟.捆绑式双向拉伸聚烯烃薄膜横拉成型机理及技术研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[8] 曾碧榕，陈国荣，王荣贵，等.双向拉伸多层共挤复合薄膜的生产制备和进展[J].高分子材料科学与工程，2017，33(5)：184-190.

[9] 王玉平.聚酰亚胺本构模型的建立及数值模拟[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[10] 姜正飞.碳纤维织物增强聚苯硫醚基复合材料成型工艺及性能[D].上海：东华大学，2014.

[11] 曹海建，俞科静，钱 坤.三维中空夹芯复合材料拉伸性能的有限元分析[J].宇航材料工艺，2015，45(2)：16-19.

[12] 冯树铭.双向拉伸PET薄膜生产线技术(续四)[J].聚酯工业，2011，24(4)：59-61.

[13] 唐婷婷，周伍清，戴礼兴.聚酰亚胺的改性研究进展[J].合成技术及应用，2006(3)：25-29.

[14] 高 晋.聚酰亚胺纤维的制备及结构与性能[D].上海：东华大学，2004.

[15] 吴国光.聚酰亚胺薄膜的纵向拉伸装置[J].信息记录材料，2012，13(3)：23-28.

[16] 章 凯.双向拉伸塑料薄膜横拉成型的数值模拟研究[D].南昌：南昌大学，2006.

[17] 林明华.聚酰亚胺薄膜拉伸强度的改进研究[J].厦门大学学报：自然科学版，2005(2)：234-237.

[18] 蔡 涛.热塑性聚酰亚胺薄膜材料的制备与性能研究[D].长春：长春理工大学，2011.