CN104690933B - 一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产方法及设备。该热塑性缠绕增强塑料复合管的生产设备，包括从左到右依次设置的内管挤出模块、增强层缠绕模块、外管挤出模块和切割模块，其中内管挤出模块用于挤出塑料内管，增强层缠绕模块用于将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕复合在内管上形成增强层，外管挤出模块用于挤出外管并复合到增强层表面。采用本发明所述的设备和方法生产出的产品强度高，可以大大降低同等压力条件下塑料管材的壁厚，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于机械加工和材料技术领域，涉及一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置及制备方法。
背景技术
现有技术中的塑料管因其强度低，使得管材只能应用于低压管道领域，同时需要较大的壁厚，成本较高，这一劣势在大口径管道上体现的更加明显。因此，增强塑料管（简称RTP管）应运而生，现有的增强塑料复合管主要是钢丝缠绕增强塑料复合管。
现有的钢丝缠绕增强塑料复合管生产设备，主要包括内管挤出成型装置、左旋钢丝缠绕机、加热装置、右旋钢丝缠绕机、粘结剂挤出机、外管挤出成型装置。钢丝缠绕增强塑料复合管及其生产工艺设备存在一个致命的缺点就是：钢丝层与塑料内外管粘结强度差，在长期使用中因热胀冷缩及交变载荷作用下会造成分层，大大降低产品性能和使用效果，甚至报废。
连续纤维增强的热塑性复合材料具备非常高的强度及与内外管相同的基质两大优势，使其用做增强塑料复合管的增强材料具有得天独厚的优势，因此开发一款适合该产品的生产设备及工艺非常紧迫。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术中的缺陷而提供一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置及制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，该设备包括从左到右依次设置的内管挤出模块、增强层缠绕模块、外管挤出模块和切割模块，其中内管挤出模块用于挤出塑料内管，增强层缠绕模块用于将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕复合在内管上形成增强层，外管挤出模块用于挤出外管并复合到增强层表面。
所述的内管挤出模块包括从左到右依次排列的内管挤出机、真空定径槽、喷淋冷却槽、履带牵引机。
所述的增强层缠绕模块包括的加热装置和连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置为2组或2组以上；其中加热装置和连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置间隔排列。
所述的增强层缠绕模块包括从左到右依次排列的第一加热装置、第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置、第二加热装置和第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置。
所述的外管挤出模块包括从左到右依次排列的加热装置、外管挤出机、真空定径槽、喷淋冷却槽、履带牵引机。
所述的切割模块包括复合切割机。
所述加热装置的加热方式选自热风箱、红外线加热器、高频感应加热器或者电阻丝加热器中的一种或者一种以上，优选红外线加热器。
所述的加热装置内壁设置有测温仪。
所述的连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置包括底座、伺服电机和旋转机架，所述的旋转机架中心部位设有供内管通过的通孔，通孔通过轴承与底座转动连接，旋转机架上安装有放卷盘、导向辊和张力调节装置，放卷盘上导出的带状连续纤维增强热塑性复合材料依次通过导向辊和张力调节装置导至内管的表面，伺服电机带动旋转机架旋转使带状连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管上。
优选的，所述的旋转机架上设有1～6个放卷盘和与之配套的导向辊及张力调节装置，从而在一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置上实现同时多个放卷盘同时放卷缠绕，提升缠绕效率。
所述的伺服电机可以控制旋转机架左旋转或者右旋转。
所述连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置上可以分别同时设置1～6个放卷盘。
一种利用上述设备生产热塑性缠绕增强塑料复合管的生产方法，包括以下步骤：
（1）经挤出机挤出内管，通过履带牵引机牵引，内管通过真空定径槽定径和喷淋水冷却槽冷却定型；
（2）冷却定型后的内管经过加热装置加热，经过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管表面，再经过加热装置加热，经过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到管材表面，经过上述加热和缠绕在内管外面制得增强层；
（3）步骤（2）中制得的带有增强层的管材经过加热装置加热，然后通过外管挤出机模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过真空定径槽定径和喷淋水冷却槽冷却定型，最后牵引、切割，得到热塑性缠绕增强塑料复合管。
步骤（1）中所述的内管的外径为80～400mm；
步骤（2）中所述的连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置上卷盘放置的数量为1～6个；缠绕过程中的缠绕角度为55°～75°；增强层的厚度为0.5～5mm。
步骤（2）中所述的连续纤维增强热塑性复合材料的宽度d=（π×D×cosα）/n；其中D表示内管外径，n表示缠绕满一层需要的缠绕装置上设置放卷盘数量。
优选的，步骤（2）中制备增强层过程中，连续纤维增强热塑性复合材料的缠绕以交叉缠绕为主，环向缠绕为辅。
所述加热装置对内管的加热温度控制在内管表面温度大于100℃，但不能使得内管加热温度过高导致内管坍塌变形。
所述缠绕装置之间的加热装置对缠绕至内管上的连续纤维增强热塑性复合材料的加热温度控制在连续纤维增强热塑性复合材料完全熔融，但是不能使得加热温度过高导致内管坍塌变形。
内管经过第一道加热器预热后，通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置在内管外缠上一层连续纤维增强热塑性复合材料，然后经过第二道加热器加热使得内管表层的连续纤维增强热塑性复合材料熔融，通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置再缠绕一层连续纤维增强热塑性复合材料，再经过第三道加热器加热熔融，最后挤出外管。根据增强层的厚度要求，可以重复设置多个缠绕和加热步骤。
与现有技术相比，本发明生产出的热塑性缠绕增强塑料复合管的优点在于：
（1）生产出的产品强度高，可以大大降低同等压力条件下塑料管材的壁厚，节约成本。
（2）解决了钢丝缠绕增强塑料复合管中内外管与钢丝层界面差的问题，生产出来的产品具有非常好的界面粘结强度。
附图说明
图1是本发明实施例中热塑性缠绕增强塑料复合管生产装置的结构示意图。
图2是图1所述装置的加热装置的结构示意图
图3是本发明实施例制备的连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置局部结构示意图
附图标注：
1内管挤出机； 21、22真空定径槽；
31、32喷淋水冷却槽； 41、42履带牵引机；
51、52、53加热装置； 61、62连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置；
7外管挤出机； 8复合管切割机；
9测温仪； 10加热管；
11内管； 12放卷盘；
13导向辊； 14张力调节装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。
一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，该设备包括从左到右依次设置的内管挤出模块、增强层缠绕模块、外管挤出模块和切割模块，其中内管挤出模块用于挤出塑料内管，增强层缠绕模块用于将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕复合在内管上形成增强层，外管挤出模块用于挤出外管并复合到增强层表面。
内管挤出模块包括从左到右依次排列的内管挤出机1、真空定径槽21、喷淋冷却槽31、履带牵引机41。
增强层缠绕模块包括的加热装置和连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置62为2组或2组以上；其中加热装置和连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置间隔排列。在一个优选的实施例中，如图1所示，增强层缠绕模块包括从左到右依次排列的第一加热装置51、第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、第二加热装置52、和第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置62。
外管挤出模块包括从左到右依次排列的加热装置53、外管挤出机7、真空定径槽22、喷淋冷却槽32、履带牵引机42。切割模块包括复合切割机8。
加热装置的加热方式选自热风箱、红外线加热器、高频感应加热器或者电阻丝加热器中的一种或者一种以上，优选红外线加热器。加热装置内壁设置有测温仪9。
连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61,62包括底座、伺服电机和旋转机架，旋转机架中心部位设有供内管通过的通孔，通孔通过轴承与底座转动连接，旋转机架上安装有放卷盘12、导向辊13和张力调节装置14，放卷盘上导出的带状连续纤维增强热塑性复合材料依次通过导向辊13和张力调节装置14导至内管的表面，伺服电机带动旋转机架旋转使带状连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管上。
旋转机架上设有1～6个放卷盘12和与之配套的导向辊13及张力调节装置14，从而在一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置上实现同时多个放卷盘同时放卷缠绕，提升缠绕效率。伺服电机可以控制旋转机架左旋转或者右旋转。
连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62上可以分别同时设置1～6个放卷盘。
实施例1
如图1、2和3所示，一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，该装置主要包括内管挤出模块、履带牵引机41、42、加热装置51、52、53、连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62、外管挤出模块、复合管切割机8。内管挤出模块包括内管挤出机1、真空定径槽21和喷淋水冷却槽31。加热装置51、52、53由加热管10和测温仪9组成，内管11从加热装置51中通过受热。连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62由放卷盘12、导向辊13和张力调节装置14组成。外管挤出模块包括外管挤出机7、真空定径槽22和喷淋水冷却槽32。连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置除61、62之外还需要添加时，往后依次类推为63、64等，加热装置也一次类推增加54、55等。
连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61,62包括底座、伺服电机和旋转机架，旋转机架中心部位设有供内管通过的通孔，通孔通过轴承与底座转动连接，旋转机架上安装有放卷盘12、以及与之配套的导向辊13和张力调节装置14，放卷盘上导出的带状连续纤维增强热塑性复合材料依次通过导向辊13和张力调节装置14导至内管的表面，伺服电机带动旋转机架旋转使带状连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管上。
实施例2
（1）利用本发明提供的装置，由内管挤出机1挤出内管的外径D为φ=100mm的PE内管，通过履带牵引机41牵引，PE内管通过真空定径槽21定径和喷淋水冷却槽31冷却定型之后，内管通过红外加热装置51加热，红外加热装置51出口处的内管表面温度为120℃，内管通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62制备增强层，缠绕工艺为：交叉缠绕2层，连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61将宽度d为133mm的连续纤维增强热塑性复合材料以下简称带材以65°的缠绕角度缠绕至内管外壁，缠绕装置61上只需设置1个放卷盘即可缠满一层，经过红外加热装置52加热后带材熔融，通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置62，沿与缠绕装置61相反方向交叉缠绕一层；
（3）步骤（2）中制得的带有增强层的管材经过红外加热装置53加热熔融带材；
通过外管挤出机7模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过真空定径槽定径22和喷淋水冷却槽32冷却定型，得到热塑性缠绕增强塑料复合管。
内管壁厚5mm，增强层壁厚0.5mm，外管壁厚5mm，根据测试标准GB15560测试得到，管材的爆破水压为10MPa。
实施例3
（1）利用本发明提供的装置，由内管挤出机1挤出内管的外径D为φ=300mm的PE内管，通过履带牵引机41牵引，PE内管通过真空定径槽21定径和喷淋水冷却槽31冷却定型；
（2）冷却定型之后，内管通过红外加热装置51加热，红外加热装置51出口处的内管表面温度为120℃，内管通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62、63制备增强层，缠绕工艺为：交叉缠绕2层，环向缠绕1层，将宽度为180mm的连续纤维增强热塑性复合材料以下简称带材以55°的缠绕角度缠绕至内管外壁，缠绕装置上3个放卷盘同时缠绕铺满一层，经过红外加热装置52加热后带材熔融，通过另一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置62，沿与之前一个缠绕装置61相反方向交叉缠绕，经过红外加热装置53加热熔融带材；再经过一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置63环向缠绕一层带材；
（3）步骤（2）中制得的带有增强层的管材经过红外加热装置54加热熔融带材，通过外管挤出机7模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过真空定径槽定径22和喷淋水冷却槽32冷却定型，得到热塑性缠绕增强塑料复合管。
实施例4
（1）利用本发明提供的装置，由内管挤出机1挤出内管的外径D为φ=400mm的PE内管，通过履带牵引机41牵引，PE内管通过真空定径槽21定径和喷淋水冷却槽32冷却定型；
（2）冷却定型之后，内管通过红外加热装置51加热，红外加热装置51出口处的内管表面温度为120℃，内管通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62、63制备增强层，缠绕工艺为：交叉缠绕2层，环向缠绕1层，将宽度为120mm的连续纤维增强热塑性复合材料以下简称带材以55°的缠绕角度缠绕至内管外壁，缠绕装置上6个放卷盘同时缠绕铺满一层，经过红外加热装置52加热后带材熔融，通过另一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置62，沿与之前一个缠绕装置61相反方向交叉缠绕，经过红外加热装置53加热熔融带材，再经过一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置63环向缠绕一层带材；
（3）步骤（2）中制得的带有增强层的管材经过红外加热装置54加热熔融带材，通过外管挤出机7模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过真空定径槽定径22和喷淋水冷却槽32冷却定型，得到热塑性缠绕增强塑料复合管。
实施例5
（1）利用本发明提供的装置，由内管挤出机1挤出内管的外径D为φ=80mm的PE内管，通过履带牵引机41牵引，PE内管通过真空定径槽21定径和喷淋水冷却槽31冷却定型；
（2）冷却定型之后，内管通过红外加热装置51加热，红外加热装置51出口处的内管表面温度为120℃，内管通过连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置61、62制备增强层，缠绕工艺为：交叉缠绕2层，将宽度为65mm的连续纤维增强热塑性复合材料以下简称带材以75°的缠绕角度缠绕至内管外壁，缠绕装置上只需设置1个放卷盘即可缠满一层，经过红外加热装置52加热后带材熔融，通过另一个连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置62，沿与之前一个缠绕装置61相反方向交叉缠绕一层；
（3）步骤（2）中制得的带有增强层的管材经过红外加热装置52加热熔融带材，通过外管挤出机7模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过真空定径槽定径22和喷淋水冷却槽32冷却定型，得到热塑性缠绕增强塑料复合管。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，其特征在于：该生产装置包括从左到右依次设置的内管挤出模块、增强层缠绕模块、外管挤出模块和切割模块；
所述的内管挤出模块包括从左到右依次排列的内管挤出机(1)、第一真空定径槽(21)、第一喷淋水冷却槽(31)和第一履带牵引机(41)；所述的增强层缠绕模块包括从左到右依次排列的第一加热装置(51)、第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(61)、第二加热装置(52)、第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(62)；
所述的外管挤出模块包括从左到右依次排列的第三加热装置(53)、外管挤出机(7)、第二真空定径槽(22)、第二喷淋水冷却槽(32)和第二履带牵引机(42)；
所述的切割模块包括复合切割机(8)；
所述的第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(61)和所述的第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(62)均包括底座、伺服电机和旋转机架，所述的旋转机架中心部位设有供内管通过的通孔，通孔通过轴承与底座转动连接，旋转机架上安装有放卷盘(12)、导向辊(13)和张力调节装置(14)，放卷盘(12)上导出的带状连续纤维增强热塑性复合材料依次通过导向辊(13)和张力调节装置(14)导至内管(11)的表面，伺服电机带动旋转机架旋转使带状连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管(11)上；
所述的生产装置生产热塑性缠绕增强塑料复合管的方法包括以下步骤：
(1)经内管挤出机(1)挤出内管(11)，通过第一履带牵引机(41)牵引，内管(11)通过第一真空定径槽(21)定径和第一喷淋水冷却槽(31)冷却定型；
(2)冷却定型后的内管(11)经过第一加热装置(51)加热，经过第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(61)将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管(11)表面，再经过第二加热装置(52)加热，经过第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(62)将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到管材表面，经过上述加热和缠绕在内管(11)外面制得增强层；
(3)步骤(2)中制得的带有增强层的管材经过第三加热装置(53)加热，然后通过外管挤出机(7)模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过第二真空定径槽(22)定径和第二喷淋水冷却槽(32)冷却定型，最后牵引、切割，得到热塑性缠绕增强塑料复合管；
所述第一加热装置(51)对内管(11)的加热温度控制在内管(11)表面温度大于100℃，但不使内管(11)坍塌变形；
步骤(2)中所述的连续纤维增强热塑性复合材料的宽度d＝(π×D×cosα)/n；其中D表示内管外径，n表示缠绕满一层需要的缠绕装置上设置的放卷盘数量；α为缠绕角度；
步骤(2)中制备增强层过程中，连续纤维增强热塑性复合材料的缠绕以交叉缠绕为主，环向缠绕为辅。
2.根据权利要求1所述的热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，其特征在于：所述的增强层缠绕模块包括的加热装置和连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置为2组或2组以上，其中加热装置和连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置间隔排列。
3.根据权利要求1所述的热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，其特征在于：所述的第一加热装置(51)、第二加热装置(52)和第三加热装置(53)的加热方式选自热风箱、红外线加热器、高频感应加热器或者电阻丝加热器中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，其特征在于：所述的第一加热装置(51)、第二加热装置(52)和第三加热装置(53)内壁设置有测温仪(9)。
5.根据权利要求1所述的热塑性缠绕增强塑料复合管的生产装置，其特征在于：所述的旋转机架上设有1～6个放卷盘(12)和与之配套的导向辊(13)及张力调节装置(14)。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的生产装置生产热塑性缠绕增强塑料复合管的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)经内管挤出机(1)挤出内管(11)，通过第一履带牵引机(41)牵引，内管(11)通过第一真空定径槽(21)定径和第一喷淋水冷却槽(31)冷却定型；
(2)冷却定型后的内管(11)经过第一加热装置(51)加热，经过第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(61)将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到内管(11)表面，再经过第二加热装置(52)加热，经过第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(62)将连续纤维增强热塑性复合材料缠绕到管材表面，经过上述加热和缠绕在内管(11)外面制得增强层；
(3)步骤(2)中制得的带有增强层的管材经过第三加热装置(53)加热，然后通过外管挤出机(7)模头，在增强层外包覆一层塑料外管，然后通过第二真空定径槽(22)定径和第二喷淋水冷却槽(32)冷却定型，最后牵引、切割，得到热塑性缠绕增强塑料复合管；
所述第一加热装置(51)对内管(11)的加热温度控制在内管(11)表面温度大于100℃，但不使内管(11)坍塌变形；
步骤(2)中所述的连续纤维增强热塑性复合材料的宽度d＝(π×D×cosα)/n；其中D表示内管外径，n表示缠绕满一层需要的缠绕装置上设置的放卷盘数量；α为缠绕角度；
步骤(2)中制备增强层过程中，连续纤维增强热塑性复合材料的缠绕以交叉缠绕为主，环向缠绕为辅。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的内管(11)的外径为80～400mm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的第一连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(61)和所述的第二连续纤维增强热塑性复合材料缠绕装置(62)上放卷盘放置的数量均为1～6个；缠绕过程中的缠绕角度为55°～75°；增强层的厚度为0.5～5mm。
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Denomination of invention: A production device for a thermoplastic wound reinforced plastic composite tube and a production method of the composite tube Effective date of registration: 20191202 Granted publication date: 20180116 Pledgee: Chuzhou economic and Technological Development Corporation Pledgor: Shanghai Jieshijie New Materials (Group) Co., Ltd. Registration number: Y2019980000815 |
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