CN109203406B - 一种高压直流阀塔分支水管护套的制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压直流阀塔分支水管护套的制备装置及其制备方法，装置包括依次连接的挤出机、冷却定型机构、牵引机、旋转切割机，挤出机的前端设置有挤管机头，挤管机头包括机头体及设置于机头体内的旋转口模装置，旋转口模装置包括支撑体、挤管口模、轴承，支撑体沿轴向开有阶梯通孔，其内安放有一轴承，挤管口模由轴承支撑，口模的前端安装有传动轮，传动轮与一驱动机构连接，传动轮转动时，挤管口模与机头体形成动配合。通过调节挤管口模的旋转速度，形成沿管壁厚度方向不同的速度分布和应力分布，能够诱导大分子熔体产生沿护套环向方向的取向结构。经旋转切割制备的护套由于消除了熔接痕，其力学性能更好，更耐环境应力开裂。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料的制备技术领域，具体涉及一种高性能高分子护套的制备装置及方法。
背景技术
高压直流阀塔分支水管是高压直流阀塔中的重要设备，由于安装空间和运行环境的限制，需要有外防护层，即通常所谓的“护套”。常用的护套是由聚烯烃材料或EVA等材料制成，聚烯烃护套主要是由聚乙烯树脂及抗氧剂、着色剂、分散剂、阻燃剂等助剂，经熔融挤出制备而成。EVA护套也由抗氧剂、着色剂、分散剂、阻燃剂等混炼制备而成。由于高压直流阀塔的特殊性，高压直流阀塔分支水管常年在较高温度环境下运行，运行时有振动，且周边存在强电压形成的强电场，对护套材料的性能有严格要求，要求护套有优良的耐高低温、耐应力开裂、绝缘、阻燃等性能。
采用聚烯烃和EVA共混改性材料作为高压直流阀塔分支水管护套材料使用，由于诸多因素影响，存在性能不稳定的问题，如物理机械性能较差、耐环境应力开裂(ESCR)性能较差、长期使用易老化、护套表面摩擦系数大等问题，从而影响分支水管长期使用的安全性。经测试经过较长时间使用后的聚烯烃和EVA分支水管护套的机械性能和抗氧化性能都大幅度的下降，其阻燃性能也由于阻燃剂的迁移析出严重下降，阻燃剂的析出也会对环境造成污染，这都对高压直流阀塔的安全性能造成严重影响。
在制备护套时有2种方法，一种方法是通过挤出机采用扁平口模直接挤出带状材料，经旋转缠绕进行使用；第二种方法是通过挤出机圆形口模挤成塑料管再进行旋转切割而成。采用第一种方法所制备的护套材料在使用时包裹性不好，不能对分支水管进行充分保护；第二种方法，采用常规塑料管的挤出方法，然后切割而成，虽然塑料管旋转切割后对分支水管的缠绕紧密性得到解决，但是采用该方法制备的护套，大分子取向是沿塑料管的挤出方向取向，塑料管在挤出时由于口模支架的存在无法完全消除熔接痕，这样所制备的护套，每一小段上都存在熔接痕存在所导致的缺陷，在熔接痕处护套力学性能最低，容易发生应力开裂，此外，经常规挤出塑料管切割而成的护套，由于管材的取向是沿管的挤出方向取向，因此，在温度稍高的情况下或长时间使用产生蠕变情况下，护套会沿管材的挤出方向产生解取向(收缩)，这样会导致护套的环切位置产生较大间距，从而使得护套保护分支水管不充分。
Groos(B.Groos，UK.Pat.，946371，1964)利用直接与挤出机螺杆相连的芯棒和口模的旋转，首先实现了聚合物分子链环向取向，提高聚合物管材的环向强度。Shepherd等(G.W.Shepherd，H.G.Clark andG.W.Pearsall，Polymer Engineering and Science，1976，16：827)利用口模处芯棒的旋转，实现了HIPS和HDPE管的挤出。实验结果表明熔体的螺旋流动使得管道内部缺陷减少且聚合物分子链取向。Worth(R.A.Worth，Polymer Engineeringand Science，1980，20：551)通过旋转挤出改善了挤出管道的熔接痕，提高了管道的力学性能。Bevis(P.S.Allan，M.J.Bevis，Plastics，Rubber and Composites，1991，16：133)进一步改进了旋转挤出装置，通过四个活塞的推拉运动使熔体沿芯棒环向流动，更加有效地实现了聚合物分子链的取向，得到了较好的结果。王琪等(CN 101337425B，2008)也发明了一种旋转挤出塑料管材的方法。上述方法可有效消除常规挤出管材的缺陷，且大分子链段沿管材环向取向，环向强度得到极大提高。但是仍然存在一些问题，此种方式未曾应用到带状的水管护套上，带状的水管护套存在应力大，环向强度不高的问题。并且，通常护套在使用时直接用剪刀剪断进行使用，在剪断的地方存在锐角，分支水管工作时的震动使得护套锐角经常与工作的分支水管进行碰撞，这样容易划伤分支水管，甚至导致分支水管内的水流出造成高压直流阀塔短路等严重后果。
发明专利内容
本发明的目的在于提供一种高压直流阀塔分支水管护套的制备装置及其制备方法，可以消除护套在生产过程中产生的环向应力，护套两端裁剪成圆弧状，不会划伤水管，从而减少因分支水管破损而造成阀塔短路的事故。
为实现以上目的，本发明提出了以下的技术方案：
本发明高压直流阀塔分支水管护套的制备装置是利用聚合物在加工过程中对应力敏感的特点，在管材加工过程中同时施加和调节旋转力场、控制和固定大分子的取向结构，并按照与之匹配的旋转速度进行旋转切割，最终制备具有环向强度高、耐长期蠕变的高压直流阀塔分支水管护套此原理进行设计的。
该装置包括依次连接的挤出机、旋转挤管机头、冷却定型机构、牵引机、旋转切割机，旋转挤管机头是由机头体与旋转口模装置构成，旋转口模装置包括支撑体、挤管口模、轴承，支撑体沿轴向开有阶梯通孔，其内安放有一轴承，挤管口模由其支撑，挤管口模伸出于支撑体的前端，所述挤管口模的前端设置有传动轮，传动轮连接一驱动机构，驱动机构带动传动轮转动，从而带动挤管口模转动，使挤管口模与机头体形成动配合。
加工时，聚合物材料经挤出机熔融挤出后，通过口模的旋转速度，可形成沿管壁厚度方向不同的速度分布和应力分布，从而可调控管壁内大分子的取向结构，并通过冷却装置把取向结构进行定构进而实现护套的大分子环向取向，并经环向切割所制备的高压直流阀塔分支水管护套没有熔接痕，并环向取向，从而大幅提高护套的环向及抗开裂性能。该装置不仅可生产制备高压直流阀塔的分支水管护套，还可制备各种用途的护套，如用于电线、电缆以及需要使用护套保护的材料。
护套从挤出机挤出后，经过冷却定型机构的冷却、牵引机牵引护套进入旋转切割机中，旋转切割机包括一底座，所述底座的两侧壁之间架设有导向管，从所述挤出机伸出的挤出管穿设于所述导向管，并延伸至末端侧壁的外部，所述挤出管可在所述导向管内转动，所述末端侧壁外部设置有切割刀，所述切割刀的旋转中心轴与所述导向管的中心轴在同一水平线上，所述底座上还安装有一电机，所述电机驱动所述切割刀工作，将圆形挤出管切割成护套，最后将护套两端裁剪成圆弧状，可避免两端尖锐部分对分支水管造成划伤。
针对高压直流阀塔的特殊性，普通的聚烯烃材料和EVA材料所制备的护套有诸多缺陷，本发明采用氟塑料或氟橡胶以及硅橡胶的单一组分或者其混合组分来进行制备，氟塑料或氟橡胶以及硅橡胶均具有良好的耐腐蚀性能、机械性能、电绝缘性能、耐辐射性和极好的耐老化性能。
为了更好的挤出制备应用于高压直流阀塔分支水管的护套，可单独使用氟塑料、氟橡胶以及硅橡胶进行旋转挤出并与之匹配的旋转切割速度来制备护套，为了调节所制备的护套的硬度，可采用氟塑料和氟橡胶共挤制备护套，也可采用氟塑料与硅橡胶共挤制备护套，也可氟塑料与氟橡胶与硅橡胶共挤制备护套。
同时，提供一种利用上述装置制备高压直流阀塔分支水管护套的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配制原料，采用氟塑料/氟橡胶/硅橡胶或者其两两混合组分或三者的混合组分作为原料；
步骤二：设定挤出机的工作温度、挤管挤出速度、口模旋转速度及切割刀片的旋转速度；
步骤三：启动所述高压直流阀塔分支水管护套的制备装置制备所述护套；
步骤四：将所述护套两端裁剪成圆弧形状。
所述挤管口模旋转速度为20r/s-200r/s。
所述切割机的刀片旋转速度与所述挤管口模旋转速度相同。
本发明与已有技术相比，有如下特点：
由于本发明在挤管机头中设计了口模旋转装置，通过调节挤管口模的旋转速度，形成沿管壁厚度方向不同的速度分布和应力分布，能够诱导大分子熔体产生沿护套环向方向的取向结构。经旋转切割而成的高压直流阀塔分支水管护套由于消除了熔接痕，从而使其力学性能更好，更耐环境应力开裂。护套的两端进行了圆滑处理避免了使用过程中由于振动产生的对分支水管的划伤伤害。
通过该方法，不仅可以制备单一氟塑料、氟橡胶、硅橡胶材料护套，还可制备其复配后材料的护套，并且该设备还适合制备各种高分子材料护套。通过该方法可使护套的环向性能得到提高，耐应力开裂能力得到增强，更利于保护所需保护材料。
附图说明
图1为本发明制备高压直流阀塔分支水管护套的装置的示意图。
图2为本发明旋转挤管机头装置的放大剖视结构示意图。
图3为本发明旋转切割装置的剖视结构示意图。
附图标记：
10-挤出机、20-冷却定型机构、30-牵引机、40-旋转切割机、41-底座、42-导向管、43-切割刀、44-电机、45-第二轴承、50-挤管机头、51-机头体、52-支撑体、53-挤管口模、54-第一轴承、55-传动轮、60-护套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
如图1所示，本发明高压直流阀塔分支水管护套制备装置包括依次连接的挤出机10、冷却定型机构20、牵引机30、旋转切割机40，挤出机10的前端设置有挤管机头50。如图2所示，挤管机头50包括机头体51及设置于机头体内的旋转口模装置，旋转口模装置包括支撑体52、挤管口模53、轴承54，支撑体52沿轴向开有阶梯通孔，其内安放该轴承54，挤管口模53由轴承54支撑，口模53的前端安装有传动轮55，传动轮55与一驱动机构(未图示)连接，可由驱动机构带动其旋转，使挤管口模53与机头体51形成动配合，且旋转速度可调，形成沿管壁厚度方向不同的速度分布和应力分布，能够诱导大分子熔体产生沿护套环向方向的取向结构。经旋转切割而成的高压直流阀塔分支水管护套由于消除了熔接痕，从而使其力学性能更好，更耐环境应力开裂。挤出机10可采用单螺杆或双螺杆挤出机。
护套管60由挤出机10出来后，经冷却定型机构20冷却，再经导向管导向并定位，由牵引机30牵引进入旋转切割机40。旋转切割机40包括一底座41，底座41两侧壁之间架设有导向管42，护套管经导向管42导向后进入设置于底座41一端侧壁的切割刀43内，切割刀43通过固定于侧壁上的轴承45而固定连接于侧壁上。底座上还安装有一电机44，电机44驱动切割刀43工作。切割刀43对护套管进行旋转切割，切割刀片旋转速度和位置可调，进而可调节护套管的切割宽度。
本装置中的挤出机10、冷却定型机构20、牵引机30与驱动机构均为公知的常规设备，故略去不述。
以下介绍通过该装置制备高压直流阀塔分支水管护套的方法。
实施例1
本实施例采用质量分数为100％PVDF 2500-20为原料，利用该装置制备，设定挤出机温度为175℃，护套管挤出速度为1m/min，挤管口模旋转速度为100r/s，旋转切割转速为100r/s，所制备的护套表面光滑，经测试其拉伸断裂强度为25MPa，比采用相同方法不经口模旋转所制备的护套的拉伸断裂强度提高约20％；采用旋转口模法经旋转切割所制备的护套对管进行缠绕后，升温进行测试，经观察和测试，解取向发生的同时护套对保护材料包裹的更紧密；燃烧测试，离火立即熄灭。
实施例2
本实施例采用质量分数为100％氟橡胶246原料，利用该装置制备，挤出机温度为180℃，当护套管挤出速度为1m/min，挤管口模旋转速度为200r/s，旋转切割转速为200r/s时，所制备的护套表面光滑，经测试其拉伸断裂强度为18MPa，比采用相同方法不经口模旋转所制备的护套的拉伸断裂强度提高约23％；采用旋转口模法经旋转切割所制备的护套对管进行缠绕后，升温进行测试，经观察和测试，解取向发生的同时护套对保护材料包裹的更紧密；燃烧测试，离火立即熄灭。
实施例3
本实施例采用质量分数为100％硅橡胶Z150原料，利用该装置制备，挤出机温度为135℃，当护套管挤出速度为0.5m/min，挤管口模旋转速度为50r/s，旋转切割转速为50r/s时，所制备的护套表面光滑，经测试其拉伸断裂强度为6.3MPa，比采用相同方法不经口模旋转所制备的护套的拉伸断裂强度提高约26％；采用旋转口模法经旋转切割所制备的护套对管进行缠绕后，升温进行测试，经观察和测试，解取向发生的同时护套对保护材料包裹的更紧密；燃烧测试，离火熄灭。
实施例4
本实施例采用质量分数为50％PVDF 2500-20和质量分数为50％氟橡胶246原料为原料，利用该装置制备，挤出机温度为180℃，护套管挤出速度为0.5m/min，挤管口模旋转速度为50r/s，旋转切割转速为50r/s时，所制备的护套表面光滑，经测试其拉伸断裂强度为20MPa，比采用相同方法不经口模旋转所制备的护套的拉伸断裂强度提高约18％；采用旋转口模法经旋转切割所制备的护套对管进行缠绕后，升温进行测试，经观察和测试，解取向发生的同时护套对保护材料包裹的更紧密；燃烧测试，离火立即熄灭。
实施例5
本实施例采用质量分数为40％PVDF 2500-20和质量分数为30％氟橡胶246原料和质量分数为30％硅橡胶Z150为原料，利用该装置制备，挤出机温度为175℃，护套管挤出速度为1m/min，挤管口模旋转速度为100r/s，旋转切割转速为100r/s时，所制备的护套表面光滑，经测试其拉伸断裂强度为12MPa，比采用相同方法不经口模旋转所制备的护套的拉伸断裂强度提高约16％；采用旋转口模法经旋转切割所制备的护套对管进行缠绕后，升温进行测试，经观察和测试，解取向发生的同时护套对保护材料包裹的更紧密；燃烧测试，离火立即熄灭。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (2)
1.一种高压直流阀塔分支水管护套的制备装置，用于制备带状的水管护套，其特征在于：包括依次连接的挤出机、冷却定型机构、牵引机、旋转切割机，所述挤出机的前端设置有挤管机头，所述挤管机头包括机头体及设置于机头体内的旋转口模装置，所述旋转口模装置包括支撑体、挤管口模、轴承，所述支撑体沿轴向开有阶梯通孔，其内安放有一轴承，所述挤管口模由所述轴承支撑，所述旋转口模的前端安装有传动轮，所述传动轮与一驱动机构连接，传动轮转动时，所述挤管口模与机头体形成动配合；
其中，所述旋转切割机包括一底座，所述底座的两侧壁之间架设有导向管，从所述挤出机伸出的挤出管穿设于所述导向管，并延伸至末端侧壁的外部，所述挤出管可在所述导向管内转动，所述末端侧壁外部设置有切割刀，所述切割刀的旋转中心轴与所述导向管的中心轴在同一水平线上，所述底座上还安装有一电机，所述电机驱动所述切割刀工作；
所述挤管口模旋转速度为20r/s-200r/s；
所述切割机的刀片旋转速度与所述挤管口模旋转速度相同。
2.一种利用权利要求1所述的一种高压直流阀塔分支水管护套的制备装置而进行的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：配制原料，采用氟塑料/氟橡胶/硅橡胶或者其两两混合组分或三者的混合组分作为原料；
步骤二：设定挤出机的工作温度、挤管挤出速度、口模旋转速度及切割刀片的旋转速度；
步骤三：启动所述高压直流阀塔分支水管护套的制备装置制备所述护套；
步骤四：将所述护套两端剪裁成圆弧形状；
其中，
所述挤管口模旋转速度为20r/s-200r/s；
所述切割机的刀片旋转速度与所述挤管口模旋转速度相同。
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