CN1083958C - 塑材压力管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种塑料材质的多层压力管(20)。多层压力管是由挤出机(10)挤出成型，挤出机在挤出材料的连续层(21，22，23，24)中交叉排列增强纤维。所挤出的材料是含纤维增强物的聚烯烃。

Description

塑材压力管
本发明涉及一种塑料材质的多层压力管。
管子例如用于传送液体和气体以及作为各种不同的部件用在机器和设备，传输工具，建筑业等等中。在许多应用中使用塑料管要比金属管有更大的优越性。相比金属管，塑料管的典型优点是其重量轻，耐腐蚀，制造过程中的可塑性以及电和热的绝缘性能。
通常塑料管是挤出制造的。增强塑料管最常用的制造方法有脉冲挤出，缠绕，滚轧或压制成型。
非增强塑料管例如由PVC，聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯和交联聚乙烯制造。增强塑料管通常由玻璃纤维和如聚酯，乙烯酯或环氧等热固性塑料材料制备。
大家知道用热塑性管可以得到重量轻，耐腐蚀的结构。而涉及热塑性管典型的问题是机械强度低，并且承载时易于蠕变。
此外它们的耐冲击性能在低温下较差，管子要耐压必须制成厚壁。
另一方面，已知使用增强塑料管可以得到耐压和刚性结构。但是，增强塑料管易于受冲击破坏，随后它们失去部分的机械强度性能，并且对环境影响因素变得敏感，例如腐蚀。而且在某些条件下增强塑料管的耐磨性低。
已尝试通过在热塑管周围形成一增强热固性层制造复合管材，以提高上面所提到的较弱的性能。用如此制造的管材，可以得到较好的内部耐磨性，耐化学性，以及较好的耐压性和刚性。但是热固性塑料所典型的脆性致使管材易于冲击破裂。在这种情况下，热固性塑料外层管材可能会破裂，随后结构就易受腐蚀并且机械强度下降。此外，热固性管和热塑性管之间的界面没有得到足够强的结合，于是当管子受到足够大的应力作用时在界上会发生脱层(即，层之间分开)。这种现象会导致管子机械强度和化学强度都下降。
另外，已尝试通过热固性塑料管和热塑性塑料管相互以不同顺序混合使用，以弥补上述塑料管的弱点，或者热塑性管与其它热塑性管或热固性管混合使用以致于它们的界面相互之间能牢牢地结合。但是，这些结构并没有从管子上消除界面引起的非连续点，而这些非连续点导致了由上述冲击破坏、不同类型材料的热膨胀系数或伸长引起的结构弱化。
为了消除管子不同层之间连接处的非连续点，出版物US-3900,048公开了一种制造增强塑料管的方法，其中在热塑性核心管周围借助溶剂连接玻璃纤维增强的热塑性非交联聚合物。根据该出版物中公开的方法，借助溶剂层之间清晰的界面可以消失。
出版物US-3900,048的成功是假设热塑性管和玻璃纤维增强聚合物层中的聚合物基体是可溶性的。但是在管材中通常也使用不可溶的或十分难溶的材料。在许多情况，聚合物溶解是费时的，因此这样的方法经常是不适合实际应用。并且，在管子中可能会留有不希望的所使用溶剂的残余物。
芬兰专利申请933877公开了一种热塑性复合管材，它具有一个热塑性核心管和围绕在它周围的由一种热塑性材料和连续增强纤维制成的复合材料。热塑性核心管和由一种热塑性材料和连续增强纤维制成的围绕的复合材料相互之间无接缝地熔合在一起。
复合材料的热塑性基体聚合物和(当需要时)热塑性核心管在连接处被加热到热塑性材料的熔融点以产生无接缝的连接。
制备热塑性复合管是通过缠绕可绕曲的复合材料(由一种热塑性材料和连续增强纤维制成)在热塑性核心管周围，缠绕角度为0～180°或不同层选择不同的角度，优选复合材料能够缠绕成平坦的一层的角度。
制备热塑性复合管可以通过在芬兰专利申请933877中描述的所谓预先连接方法在所选的热塑性核心管上涂加由一种热塑性材料和连续增强相制成的的复合材料，其方式为将合适宽度(宽度根据核心管的直径和所选择的缠绕角度来选择)的带状复合材料从卷轴上引至旋转核心管的边缘。在引至核心管表面之前，将复合材料加热到软化温度或熔融温度可以得到复合材料带和热塑性核心管的无接缝熔合。并且也可以加热在熔接点的核心管表面以致于管子最外层表面处于出现软化和/或熔融的温度。熔融态热塑性塑料相之间的熔接可以通过在熔融相相遇的地方缠绕在核心管子周围的复合材料带张力来确保，张力产生压力有利于熔接。当复合材料和核心管的熔融相会点从熔融温度冷却而同时上述的复合材料带依然绷紧时，熔接就发生了。紧接着在空白强热塑性管边缘上的第一复合材料层，以相应的方式进行多层复合材料层的熔接。也可以在熔接点用压滚等压制成型管子以确保熔接。
大家都知道塑料排水管，如PVC管，已经使用挤出机制造。这样的排水管的强度是由挤出材料中所使用的添加剂和添加剂的量来决定的。但是，当使用传统的轴向单螺杆挤出机时，增强纤维只能以管子轴向取向方向进行放置。由此管子的弯曲强度仍旧很低。
在芬兰专利申请933877中公开的所谓缠绕技术中，增强纤维如玻璃纤维是短纤维，一般处于毫米数量级。而且这种多步骤制备方法成本高，由此它不是制备压力管的最佳方法。
压力管分成不同压力等级。使用现今的制造技术，压力管的压力等级(PN)一般是6，8和10。制备传统压力管的塑料原材料的熔融粘度MFR2(熔体流动速率)通常是很低的，一般小于1。
本发明的目的是提供当前已知技术的改进。具体目的是提供一种塑料压力管，它的压力等级大大地高于现有相应的管子。
本发明的目的是借助于塑料材料的多层压力管来实现，管子的特征在于，多层压力管是用挤出机挤出成型，挤出机交叉排列材料连续层的增强纤维。所挤出的材料是含有长纤维增强物的聚烯烃。
本发明的思想是使用聚烯烃作为挤出材料，例如聚丙烯，它含有一定量的长纤维增强物，一般为5～95％重量，优选25～75％。在长纤维增强中，纤维长度至少是纤维直径的30倍。压力管中的增强纤维长度在0.5～50毫米数量级，优选1～20毫米，最优选2～15毫米。所使用的增强纤维也可能是在挤出过程中断裂的连续性纤维。而且，挤出机将在所挤出材料的连续层中交叉排列增强纤维。本发明管产品的层数为2层或更多。在本发明管产品生产中使用的材料熔融粘度MFR2大于1，优选如10～18。
在本发明中，“聚烯烃”是指一种聚烯烃占大部份(至少50％重量)的聚合物。其余因此也可能是一些其它热塑性聚合物。
在本发明产品制造过程中，优选使用所谓的锥形挤出机，它例如在不同层中以不同的方向排列长玻璃纤维，结果本发明产品的结构会更强。这种产品在管子内部能更好地承受压力，在这种情况下可以得到例如压力等级PN16，18，20和22，甚至更高。
本发明选择方案有许多重要的优越性。本发明产品的强度显著地好于用现有技术方法制造的相应产品的强度。本发明能够使用挤出机技术。所使用的挤出材料可以包括聚烯烃，而不是PVC材料，由此避免有害于环境的因素而且产品的加工性能好得多。
根据本发明，可以制造多层管，其中各层之间是无接缝连接以致于各层相互之间不能分离。相反，当例如使用现有的带缠绕技术时，不同层相互之间可能分离，而且本发明能够得到所希望的表面性质而不降低强度。因此本发明产品的表面可以是平滑的，粗糙的，耐化学试剂等等。
在本发明的压力管中，不同层可能是不同的可挤出材料。但是优选所有层使用同种类型的聚烯烃，因此层之间的结合问题可以得到最佳地解决。在本发明的多层压力管中可以使用聚丙烯作为内层或所有层，这样管子具有高的耐腐蚀性和高的耐热性。
本发明将参考在附图中所描绘的本发明的原理进行详细描述，虽然目的并不是将本发明仅限制于此。
图1是本发明产品制造过程中使用的优选设备的实施方案中的断面示意图。
图2是本发明四层结构产品的断面示意图。
在图1中，挤出机通常为参考数码10所显示的。挤出机10是一台所谓的锥形挤出机，它例如在出版物US-5,387,386中有描述。挤出机10有定子11和12，以及转子13。所挤出的材料注入口为14所显示的。参考数码15显示了加料通道。材料在进料后被熔融，并且被压缩产生最后的挤出压力。挤出通道为参考数码16所显示的。
当材料流入进料通道15，材料的压力以以下的方式发生变化。在紧邻进料注入口的进料区，压力升至例如3～7MPa。在进料区后的熔融区中，压力升至例如6～14MPa。最后在熔融区后的压缩区，在挤出通道16前面的一点上，压力升至例如10～60MPa。
图1的挤出机可以用于制造双层产品。
当使用在芬兰专利83184中描述的挤出装置(它有3个定子和2个转子)时，可以制造4层结构的产品。增加定子和转子的数目，因此可以制造所希望层数的多层结构产品。
因为所谓的锥形挤出机为大家所熟悉，已经在如出版物US-5,387,386和FI-83184中有描述，所以锥形挤出机的结构在这儿就不再详细描述。
在图2中所描绘的根据本发明制造的压力管通常为参考数码20所显示的。在这个实施方案中，压力管20包括层21(它构成压力管的外层表面)，层22和层23分别构成压力管的核心1和核心2。层24构成压力管的内表面。
附表1显示了测试结果，样品1和2为本发明的4层结构产品。样品3为参考样品，样品4为本发明的2层结构产品。
表1显示了具有2层结构的样品4得到最好的强度，这是因为在2层结构产品中，挤出机将保持增强纤维的长纤维性能，而在4层结构产品中长纤维被挤出机打断。而且在表1中可以看出甚至无法测试样品3。这参考样品是由购得的短纤维混合物制造的，样品十分脆以致于甚至无法连接到测试仪器上。
表2显示了本发明2层结构产品的样品5～10得到极好的强度性能。样品11是一种参考样品，它清楚地显示了没有长纤维增强，产品的强度性质是十分低的。样品12也是参考样品，它显示了当使用单螺杆挤出机时，2层结构产品的强度性质是相对较低，尽管所使用的挤出材料是本发明的材料。
以上描述的仅仅是本发明的原理。很明显对于本领域技术人员来说，在附附权利要求书中声明的发明思想内可以进行许多改进。
表1断裂时间(小时)
     +20℃     +80℃
    材料     18MPa     20MPa     22MPa     8.5MPa     8.75MPa
    样品1     667-＞     430-＞
    样品2     282+     222+     69*     210+     13.0*
    样品3
    样品4     282+     218+     786-＞
+为停止-＞为连续*为脆性断裂°为韧性断裂样品1：外表面 聚丙烯    75％重量   增强纤维  25％重量
   核心1  聚丙烯    50％重量   增强纤维  50％重量
   核心2  聚丙烯    50％重量   增强纤维  50％重量
   内表面 聚丙烯    75％重量   增强纤维  25％重量样品2：外表面 聚丙烯    100％重量  增强纤维  0％重量
   核心1  聚丙烯    50％重量   增强纤维  50％重量
   核心2  聚丙烯    50％重量   增强纤维  50％重量
   内表面 聚丙烯    100％重量  增强纤维  0％重量样品3：外表面 聚丙烯    100％重量  增强纤维  0％重量
   核心1  聚丙烯    100％重量  增强纤维  0％重量
   核心2  聚丙烯    100％重量  增强纤维  0％重量
   内表面 聚丙烯    100％重量  增强纤维  0％重量样品4：层1聚丙烯  50％重量  增强纤维    50％重量
   层2聚丙烯  50％重量  增强纤维    50％重量
   表2断裂时间(小时)
锥形挤出机聚丙烯/增强纤维％重量/％重量   20℃张应力/MPa13       16   60℃张应力/MPa10   95℃张应力/MPa5.0
  Nyte 5    50/50Nyte 6    50/50Nyte 7    50/50Nyte 8    70/30Nyte 9    70/70Nyte 10   25/75Nyte 11   100/0Nyte 12   50/50     1602+    6510*5717*10312*4624*6057+10717+13.8°135.6*     413*820*657*131*205*871.4*0.3°18.7*20.9*     224*203.5*336*114.9*136.9*431*1.6°18.5
+为停止-＞为连续*为脆性断裂°为韧性断裂

Claims (20)

1.一种塑料材质的多层压力管(20)，含有纤维增强层，其特征在于，多层压力管(20)是由锥形挤出机(10)挤出成型，挤出机在挤出材料的连续层(21，22，23，24)中交叉排列增强纤维，所挤出的材料是含有纤维增强物的聚烯烃。
2.权利要求1的多层压力管，其特征在于，聚烯烃的熔融粘度(MFR2)大于1，优选10～18。
3.权利要求1的多层压力管，其特征在于该结构(20)是根据SFS3134标准压力等级PN为16或更高的压力管。
4.权利要求2的多层压力管，其特征在于该结构(20)是根据SFS3134标准压力等级PN为16或更高的压力管。
5.权利要求1～4中任何一项的多层压力管，其特征在于聚烯烃是聚丙烯并且长纤维增强物为玻璃纤维。
6.权利要求1～4中任何一项的多层压力管，其特征在于长纤维增强物的长度至少是纤维直径的30倍。
7.权利要求5的多层压力管，其特征在于长纤维增强物的长度至少是纤维直径的30倍。
8.权利要求1～4中任何一项的多层压力管，其特征在于压力管中长纤维增强物的长度处于0.5～50毫米数量级，优选1～20毫米，并且最优选2～15毫米。
9.权利要求5的多层压力管，其特征在于压力管中长纤维增强物的长度处于0.5～50毫米数量级，优选1～20毫米，并且最优选2～15毫米。
10.权利要求6的多层压力管，其特征在于压力管中长纤维增强物的长度处于0.5～50毫米数量级，优选1～20毫米，并且最优选2～15毫米。
11.权利要求1～4中任何一项的多层压力管，其特征在于长纤维增强物的含量在5～95％重量范围，优选25％～75％重量。
12.权利要求5的多层压力管，其特征在于长纤维增强物的含量在5～95％重量范围，优选25％～75％重量。
13.权利要求6的多层压力管，其特征在于长纤维增强物的含量在5～95％重量范围，优选25％～75％重量。
14.权利要求8的多层压力管，其特征在于长纤维增强物的含量在5～95％重量范围，优选25％～75％重量。
15.权利要求1～4中任何一项的多层压力管，其特征在于结构(20)是2层结构。
16.权利要求5的多层压力管，其特征在于结构(20)是2层结构。
17.权利要求6的多层压力管，其特征在于结构(20)是2层结构。
18.权利要求8的多层压力管，其特征在于结构(20)是2层结构。
19.权利要求11的多层压力管，其特征在于结构(20)是2层结构。
20.权利要求15的多层压力管，其特征在于结构(20)是4层结构。
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