CN102858516A - 用于挤出塑料壳套的设备 - Google Patents

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Abstract

一种挤出设备(10)包括能供给热软化粘性塑料的挤出螺杆(12)和挤出头(14)。所述挤出头包括能接收所述粘性塑料的环形腔室(24)。通过所述挤出螺杆提供的所述各种塑料材料在恒定温度下具有能在给定时间段内从一值μi变化到恒定值μcst，从而μcst>μi，所述设备进一步包括安装在所述挤出螺杆(12)和所述挤出头(14)之间的缓冲腔室(16)，以在其被注入到所述挤出头(14)之前存储所述粘性塑料并经过所述给定时间且允许其到达所述粘性值μcst。

Description

用于挤出塑料壳套的设备
技术领域
本发明涉及用于挤出管状结构周围的塑料壳套的挤出设备。
背景技术
本申请的一个计划实施领域主要是石油化学工业的柔性管，其包括至少一个聚合物壳套。这些柔性管有利地是为连结类型的，如在美国石油学院的标准文件API 17J和API RP 17B所述的。
已知的设施允许圆柱形物体纵向覆盖有塑料壳套。这些设施包括螺旋挤压机和环形挤出头，被覆盖的纵向圆柱形目标穿过环形挤出头。螺旋挤压机的上游存放有颗粒形式的塑料，例如，存储在漏斗中且随后被注入到螺旋挤压机中。在温度调节的螺旋挤压机中，在塑料被逐渐沿螺旋挤压机的内部朝向挤出头平移运动的过程中，塑料被软化和/或在剪切和热量的影响下熔化。在挤压机的下游端，塑料被转换成粘性的均质相。许多热塑塑料，例如PVCs(聚氯乙烯)或聚乙烯可由此在这些设备中被转化从而它们可覆盖纵向物体。对于挤出头来说，其包括覆盖有大致圆柱形本体的心轴，所述圆柱形本体形成塑化缸体或桶体，以在所述本体的内壁和所述心轴之间形成环形腔室。环形腔室具有上游部分和在相对端部处的下游部分，在所述上游部分中本体和心轴连结在一起，所述下游部分通过加工而被扩大以构成一对圆形的唇部，所述唇部打开到挤出头的外部。存在可用于形成这些壳套或管的各种心轴，且通常更有选地使用“衣架”式的或“鱼尾”式的心轴。挤出头因此包括入口开口，其连接到螺旋挤压机用于注入所述软化的和/或熔化的塑料进入上游部分，且这类心轴包括对称分布通道，所述通道从软化聚合物注入到十字头的点分支且沿直径地与该注入点相对的母线相遇。软化塑料因此能在上游部分中流动以形成软化塑料多个流动。由此，流动沿交汇区域在所述下游部分中相遇以便预成型软化塑料的套管，所述套管具有对应于所述交汇区域的再熔化表面。
在心轴是“衣架”式的或“鱼尾”式的情况下，沿两个直径相对分布通道流动的软化材料的两个半流相遇且在每一个沿相反方向绕心轴行进了一半之后熔合在一起，在壳套的厚度中产生再熔合表面，且其形成在与注入点直径相对的母线上看得见的线。分布通道不形成密封腔室且这意味着熔化材料的一部分从分布通道逸出且沿泄漏线大致平行于心轴主轴线在心轴下游流动。由此，在“衣架”式的或“鱼尾”式的心轴中，除了对应于分布通道的两个主流动外，在心轴下游产生许多小的流动。
目前，会发生挤出缺陷，主要是厚度的不充分性。这是因为壳套回局部地呈现厚度的不同。
发明内容
因此，所产生的且是本发明所要解决的一个问题是提供一种设备，其用于挤出不具有上述问题的塑料壳套。
为此，本发明提出一种在管状结构周围挤出塑料壳套的挤出设备所述设备包括能供给热软化粘性塑料的挤出螺杆和挤出头，所述挤出头包括环形腔室，该环形腔室具有能接收所述粘性塑料的入口开口和相对的圆形出口，所述挤出头包括多个通道，所述多个通道形成在所述环形腔室中，以便一方面形成粘性塑料的多个流动而另一方面使得所述流动朝向彼此在位于所述环形腔室内部的交汇区域中汇合，所述粘性塑料的套管能流动通过所述圆形出口以形成所述塑料壳套，所述管状结构能经过所述挤出头以便接收所述塑料壳套。通过本发明，通过由所述挤出螺杆供应的所述粘性塑料在恒定温度下具有在给定时间段内从一值μi变化为恒定值μcst的年度，其中μcst>μi，所述设备进一步包括安装在所述挤出螺杆和所述挤出头之间的缓冲腔室，以在其被注入到所述挤出头之前存储所述粘性塑料并经过所述给定时间且允许其到达所述粘性值μcst，通过其中介的作用，粘性塑料的所述流动在所述交汇区域相遇以形成单个均质的相。
由此，本发明的一个目标是展现在塑料在挤出螺杆和挤出头的圆形出口之间经过时塑料内在性能变化，且特别是，在恒定温度下表观粘度作为时间的函数增加。更具体地，已经展现了一旦已经形成在单个相中时粘性塑料的表观粘度μi则随时间在约10分钟的时间范围内变化，直到其稳定在基本上恒定的表观粘度μcst。由此，流动通过环形腔室的粘性塑料的表观粘度以不同方式变化，取决于所述多个流动采取的路径、沿流动路径变化的塑料的驻留时间。实际上，在分布通道处较长。由此，材料的这些各种流的熔化材料的粘性变化，且结果，这些各种流动不是均匀地流动，且由此形成的塑料壳套因此呈现厚度不充分形式的缺陷。这些表面缺陷的直接结果是在心轴中材料的不良分布（这是通过流过心轴的粘性塑料的粘性增加造成的，所述流动根据材料采取的流动路径而不同）。
如此，已经展现了在挤出期间粘性塑料的表观粘度，本发明的一个特征已经实施了在挤出螺杆和挤出头之间的缓冲腔室，在其被注入到挤出头之前允许粘性塑料达到其恒定的表观粘度值。以此方式，稳定的粘性塑料可被分流到多个流动，多个流动再次相遇时形成单个均质的相，而没有在各种小的材料流流过心轴时各种小的材料流之间粘性的变化。结果，由此产生的塑料壳套的机械性能在壳套的整个圆周周围是均匀的，而没有厚度的局部不充分。
有利地，所述缓冲腔室包括圆柱形对称结构的一部分，以便不增加通过使用缓冲腔室造成的显著压力下降。所发生的是，压力下降必须针对沿挤出螺杆的内部使用用于驱动粘性塑料的机械能进行补偿。优选地，通过纵向延伸的所述挤出螺杆，圆柱形对称结构的所述部分沿所述挤出螺杆连续延伸，以便对减少这些压力下降有贡献。
而且，在另一尤其有利的本发明的实施例中，所述缓冲腔室进一步包括通过U形短管连接到所述一个部分的圆柱形对称结构的另一部分，从而所述部分可基本上平行于彼此安装。由此，这种构造可以获得一种流动，对于给定容量来说其横截面与两个部分总长度相比相对较小，且其静态地确保在缓冲腔室循环流动的粘性塑料的所有部分具有充分的驻留时间。相反地，若缓冲腔室是球形的，优选的通道将在挤出螺杆的出口和所述环形腔室的入口开口之间建立且沿该优选通道流动的粘性塑料的驻留时间对于要实现的恒定表观粘度μcst来说不足够。而且，以此方式设置该部分限制了用于在挤出螺杆和挤出头之间安装缓冲腔室的必要的空间。因此，根据本发明的缓冲腔室可被容易地用于根据现有技术的挤出设备，而没有大量的结构修改。
根据一个尤其有利的本发明实施例的替换形式，所述部分包括障碍物以将所述缓冲腔室中所述热软化的粘性塑料的流动分离，且由此使得粘性塑料均匀化。以此方式，如果粘性塑料沿所述部分的右侧横截面具有不同的表观年度，则这种差异将在材料沿所述部分流动且在流动进入环形腔室之前逐渐减少至无。有利地，所述障碍物包括环，所述环装配有安装在所述环内部的导向部。以此方式，连续地彼此接触的各种环可进入被确定为将粘性塑料的流动分离至更大的或更小程度的角度位置。
根据一个具体实施例，所述导向部具有基本上垂直于所述环轴线的笔直部分且横向构件固定到所述笔直部分以形成格栅，以便将离开挤出螺杆的粘性软化塑料的流动分流以便增加其均匀化的程度。例如，所述横向构件安装为基本上垂直于所述笔直部分安装且相对于所述环的轴线成角度。
附图说明
参考所附附图，本发明的另一特点和优点本发明一些具体实施例的以下给定描述了变得明显，所述实施例通过非限制的方式给出，其中:
图1是根据第一替换形式的实施例的、本发明的挤出设备的示意图;
图2是用在图1所示挤出设备中的塑料性能的图表;和
图3是根据第二替换形式的实施例的、本发明的挤出设备的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的挤出设备10，所述挤出设备10包括上游挤出螺杆12、下游挤出头14和在二者之间的两个缓冲腔室16，其中要被覆盖的管状结构15穿过所述挤出头。这些设备的应用领域是用于石油化学工业的柔性管，所述柔性管包括交替设置的金属层和塑料层。挤出设备10由此可以在管状结构15上直接地形成聚合物、或塑料的壳套并挤出它们。这种已证实的解决方案可以生产管或壳套，其例如目的是用于形成石油化学管的保护性壳套，例如压力壳套或替换地外部壳套。
挤出螺杆12具有漏斗18，可漏斗开口到塑化缸体20的入口端19。漏斗18能存储粉末形式的塑料。塑化缸体20具有圆柱形对称回转结构且在所述入口端19和出口端21之间纵向延伸。进而，其配备有加热套（未示出），所述加热套可通过电流提供功率，以便供给热能到塑化缸体的内部。此外，塑化缸体配备有阿基米德螺纹类型的无端螺纹（endless screw：回环螺纹）22，以将塑料从漏斗18朝向缓冲腔室16驱动。在挤出螺杆12中，塑料（其中漏斗18处是固体形式）一点点的被软化和/或熔化且在200°C和300°C之间的温度结块，以形成单相的粘性塑料。
经转换的且在塑化缸体20内运送的塑料的量当然取决于挤出螺杆12的尺寸，但是对于给定设备其是通过阿基米德螺纹22的旋转速度确定的。因此通过加热套供应的能量的量根据该阿基米德螺纹22的旋转速度调整，以便获得相同状态的软化粘性塑料。对于30rpm的旋转速度和230°C到250°C的材料温度来说，本文所述的挤出设备可以获得例如690kg每小时的聚酰胺类型塑料的产量。
对于挤出头14来说，在其中包括环形腔室24，所述环形腔室在一端具有入口开口26且在另一端具有通过两个同中心的唇部形成的圆形出口28。该环形腔室通过内部心轴形成，被外部圆锥结构同轴地盖住。环形腔室24限定在心轴和外部圆柱形结构之间。管状结构15轴向经过挤出头14和圆形出口28。
根据将被使用的柔性石油管所在的温度和压力选择所使用的塑料。对于例如低于60°C的温度来说，所使用的材料是高密度聚乙烯，通常被称为PEHD。在60和90°C之间的服役温度时，可使用聚酰胺，例如聚酰胺11或12。在90°C以上，聚偏二氟乙烯或PVDF更合适。
聚酰胺是更好疲劳强度的理想塑料。然而，已经发现聚酰胺11的表观粘度在其经过挤出螺杆12和挤出头14时不是恒定的，且这正是本发明发挥益处的地方。参考图2，其示出了表观粘度μi的变化，其是用于在230°C温度下软化聚酰胺11的时间的函数。该粘性可通过记录230°C下、在预定长度的时间内流过校准孔口的软化聚合物的重量而测量。此外，该表观粘度μi根据聚酰胺的水含量、按照相同的趋势（profile）而改变，但具有不同幅度。图2中示出的三个曲线对应于粘性的变化，其是用于具有三种不同水含量的聚酰胺11的时间的函数。由此，首先，可以看出在第一个20分钟内表观粘度的剧烈变化，在此期间粘性平均增加1000pa·s每分钟，随后表观粘度相对停滞。进一步地，可以看到在20分钟之后，水含量283ppm的聚酰胺具有30000pa·s的粘度，而水含量158ppm的聚酰胺具有约35000pa·s的粘度。随后的观察表明控制塑料的水含量是如何重要的。
已经注意到在对软化和粘性状态下的聚酰胺11进行加工的最初几分钟内表观粘度的这种剧烈增加，和在挤出过程中塑料内在性能的这种变化对根据现有技术制造的塑料壳套中的缺陷是有贡献的，于是想到了通过首先将软化的粘性塑料聚集在缓冲腔室16中而延迟软化粘性塑料向挤出头14中的注入，以便给它时间到达其表观粘度稳定水平。由此，因为塑料在挤出头14中（更精确地，是在环形腔室24中）粘性仅有非常小的改变，所以发现由此挤出的壳套不再呈现表面缺陷和壳套厚度的任何显著不同。具体说，在塑料在入口开口26处被注入时，其绕心轴沿流动通道分开进入形成套管的多个流动。一方面，在塑料在环形腔室24内部经过时塑料的粘性是恒定的时，通过通道的流量是相对相似的，而另一方面，在它们更容易形成单独均质相时流动。
根据图1所示的第一替换形式的实施例，缓冲腔室16包括圆柱形对称回转结构的一部分30，和两个截头圆锥形端部32、34，它们中的一个32连接塑化缸体20的出口端21，而另一个端部34在环形腔室24的入口开口26处连接到挤出头14。该部分30沿塑化缸体20持续纵向延伸，该部分与所述缸体基本上是同轴的。
根据一个实施例，在粘性软化塑料的温度升高到250°C时，粘性软化塑料（聚酰胺11）的产量是690kg每小时。在这些条件下，在350秒之后材料达到恒定粘性μcst。目前，在常规的挤出设备中，在350秒之后，粘性材料已经被注入的挤出头14中。由此，设置28000cm3的缓冲腔室16，从而在从材料于250°的温度软化的时刻到其通过环形腔室24的入口开口26注入的时刻，材料的驻留时间将是350秒。以此方式，聚酰胺的表观粘度在腔室24中不再改变，且因此由此挤出的壳套不呈现任何厚度的不同。
而且，根据本发明的一个实施例（未示出），缓冲腔室16包括一系列内部装配有导向部的环，且其相继地滑入到该部分30中。由此，使用这些用作障碍物（chicanes）的导向部，粘性软化聚酰胺在缓冲腔室16内部分离为多个流动，所述多个流动随后再次相遇且有助于材料的均质化。以此方式，使得壁处材料速度降低的边界效应被消除，且其在缓冲腔室16出口处的粘性更均匀。所述导向部例如具有基本上垂直于所述环轴线的笔直部分，且在两个相对边缘之间跨过环的内部延伸，而横向构件固定到所述笔直部分且与之垂直地行进，形成格栅。进而，所述横向构件安装为与所述环的轴线成角度，以进一步增加材料的均匀性。
根据图3所示的第二替换形式的实施例，其再次显示了图1所述的所有元件，且是相同形式的，只是缓冲腔室16例外，所述缓冲腔室包括平行于彼此安装且通过U形短管40连结在一起的两个对半的部分36、38。第一半部36在塑化缸体20的出口端21与之连接，而另一半部38开口到环形腔室24的入口开口26。
这种替换形式的实施例可以（如果需要）增加缓冲腔室16的容量，但是基本上不改变挤出螺杆12和挤出头14的相对位置。而且，两个对半的部分36、38也可装配为具有上述类型的用作障碍物或阻挡部的环。

Claims (8)

1.一种用于在管状结构(15)周围挤出塑料壳套的挤出设备(10)，所述设备包括能供给热软化粘性塑料的挤出螺杆(12)和挤出头(14)，所述挤出头包括环形腔室(24)，该环形腔室具有能接收所述粘性塑料的入口开口(26)和相对的圆形出口(28)，所述挤出头包括多个通道，所述多个通道形成在所述环形腔室(24)中，以便一方面形成粘性塑料的多个流动而另一方面使得所述流动朝向彼此在位于所述环形腔室内部的交汇区域中汇合，所述粘性塑料的套管能流动通过所述圆形出口(28)以形成所述塑料壳套，所述管状结构(15)能经过所述挤出头(15)以便接收所述塑料壳套;
其特征在于，通过由所述挤出螺杆供应的所述粘性塑料在恒定温度下具有在给定时间段内从一值μi变化为恒定值μcst的年度，其中μcst>μi，所述设备进一步包括安装在所述挤出螺杆(12)和所述挤出头(14)之间的缓冲腔室(16)，以在其被注入到所述挤出头(14)之前存储所述粘性塑料并经过所述给定时间且允许其到达所述粘性值μcst，通过其中介的作用，粘性塑料的所述流动在所述交汇区域相遇以形成单个均质的相。
2.如权利要求1所述的挤出设备，其特征在于所述缓冲腔室(16)包括圆柱形对称结构的一部分(30)。
3.如权利要求2所述的挤出设备，其特征在于，通过纵向延伸的所述挤出螺杆(12)，圆柱形对称结构（30）的所述部分沿所述挤出螺杆连续延伸。
4.如权利要求2所述的挤出设备，其特征在于，所述缓冲腔室(16)进一步包括圆柱形对称结构的另一部分(36，38)，其通过U形短管(40)连接到所述一个部分，从而所述部分可被基本上平行于彼此安装。
5.如权利要求2到4中任何一项所述的挤出设备，其特征在于，所述部分(30，36，38)包括障碍物，以将所述热软化粘性塑料在中所述缓冲腔室(16)中的流动分离。
6.如权利要求5所述的挤出设备，其特征在于，所述障碍物包括环，所述环装配有安装在所述环内部的导向部。
7.如权利要求6所述的挤出设备，其特征在于，所述导向部具有基本上垂直于所述环的轴线的笔直部分和固定到所述笔直部分的横向构件，以形成格栅。
8.如权利要求7所述的挤出设备，其特征在于，所述横向构件基本上垂直于所述笔直部分安装且相对于所述环的轴线成角度。
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