CN111070622A - 挤出方式制备短纤维增强塑料粒子、管材的方法及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热塑性塑料电熔管件领域，旨在提供一种挤出方式制备短纤维增强塑料粒子、管材的方法及其用途。该方法包括：将热塑性塑料颗粒与短纤维集束搅拌均匀得到混配料，或者将热塑性塑料粉末与分散短纤维搅拌均匀得到混配料；将混配料加入挤出机的料斗中，利用挤出机的螺杆剪切作用使短纤维均匀分布在塑料基体中，挤出得到线条状的复合物；通过造粒机造粒，得到短纤维增强塑料粒子。本发明采用挤出方式制备短纤维增强塑料电熔管件，能够促进电熔管件中的纤维沿着管件的轴向取向，提升短纤维增强塑料电熔管件的轴向强度；能够克服由于注塑熔体流动性差产生的管件缺陷，并且消除了注塑管件中的注塑熔接痕，提升了电熔管件的产品质量。

Description

挤出方式制备短纤维增强塑料粒子、管材的方法及其用途

技术领域

本发明涉及热塑性塑料电熔管件领域，特别涉及采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件。

背景技术

与传统的金属管道相比，聚乙烯和聚丙烯等塑料及其复合材料管道具有抗腐蚀、介质流动阻力小、安装快捷和运输方便等优点，且同等体积生产能耗仅是钢铁的1/3～1/4。随着我国能源结构的调整和城市化进程的加速，塑料及其复合材料管道在国家重大工程中有着广泛的运用，在燃气领域，我国新铺设的中低压城市燃气管90％以上采用聚乙烯管材；在油田领域，玻纤、聚酯纤维、钢丝等增强塑料复合管道逐渐开始用于油气田注水管、油田站内给水管和油田集输管道；在核电站冷却水输送领域，我国新建的AP1000核电站(浙江三门核电、山东海阳核电)外围冷却水输送均采用高密度聚乙烯管道，2017年大亚湾核电站已经成功将其核安全相关的反冲洗系统管道更换为聚乙烯管道。我国已成为塑料及其复合材料管道产量和需求量最大的国家，应用前景十分广阔。

在塑料及其复合管道的连接技术中，电熔管件焊接技术因其施工全过程自动化程度高，人为因素少，焊接质量可靠，是目前常用的连接方法。电熔管件焊接的工作原理是，使用电熔焊机将电熔管件通电后，利用电熔管件内电阻丝通电时产生的热量及膨胀力将管材的外壁与电熔管件熔融连接在一起。随着增强复合管道的发展，目前通过纤维增强层和钢丝网骨架增强，部分大口径塑性复合管材的承压能力已经突破6.4MPa，电熔管件的强度已经成为限制高压复合管发展的主要瓶颈。据美国燃气协会(AGA)统计，约65％非金属燃气管道失效来自接头与管件。非金属管道系统中，由于电熔接头改变了管材自身的一体性，使电熔管件成为管道系统的薄弱环节。

目前，为了提高电熔管件的结构强度，可以在电熔管件内置钢板增强层或者在电熔管件外壁缠绕纤维增强层。内置钢板增强层的电熔管件由于金属钢板是极性材料，而聚乙烯和聚丙烯等塑料基体大多是非极性材料，导致增强材料和基体材料的粘接效果差，导致时常无法协同承载，降低了钢板的增强效果。电熔管件外壁的纤维增强层基本沿着管件的环向缠绕，该方法能够提升管件的环向强度，但是对管件的轴向强度提升不明显。考虑到实际应用中电熔管件主要承受轴向力，该方法的应用价值不大。

为了提升电熔管件的结构强度，有研究成果表明在塑料基体中填充短纤维能够提升材料的力学性能。俄罗斯国立科技大学的Chukov等人采用短切碳纤维填充聚乙烯材料，研究发现短纤维填充后材料的屈服强度提升了约75％；东北林业大学的王伟宏等人采用短切碳纤维增强聚乙烯材料，在3wt％纤维含量下，材料的屈服强度提升了34.5％，断裂韧性提升了54.7％。可见，采用短纤维增强塑料制造电熔管件是提升管件结构强度的可行办法。同时，短纤维在塑料基体中的取向对材料的增强效果有明显影响，智利Pontificia大学的Diego采用短切玻璃纤维填充聚乙烯材料，其研究发现当拉伸试样中纤维沿着试样轴向取向时，材料屈服强度为58MPa；当纤维接近垂直于试样轴向时，材料屈服强度为25MPa。可见短纤维的力学增强效果具有明显的方向性，沿着纤维方向的增强效果明显高于垂直于纤维方向的增强效果。

但是，采用传统的注塑工艺制造短纤维增强塑料电熔管件时，由于注塑模具的浇注口位于电熔管件的侧面，注塑时模具内熔体主要沿着电熔管件的环向流动，导致熔体中的纤维主要沿着电熔管件的环向取向，使得增强纤维主要用于提升管件的环向强度，管件环向增强效果相对较差，这与电熔管件实际应用中主要承受轴向拉伸载荷的受载情况不符。因此，在制备短纤维增强塑料电熔管件时应该促进纤维沿着管件的轴向取向，以提升管件的轴向强度。虽然这也是业内人员一直努力并希望实现的技术目标，但由于现有电熔管件注塑工艺中注塑模具的浇注口位于管件侧面的原因，始终不能在实际生产中保证电熔管件中纤维沿着管件的轴向取向。经检测，使用传统的注塑工艺或制造短纤维增强塑料电熔管件时，电熔管件中沿着管件轴向分布的纤维仅占纤维总量的34％左右，在增强轴向强度方面作用有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件。

为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：

提供一种挤出方式制备短纤维增强塑料粒子的方法，包括以下步骤：

(1)将热塑性塑料颗粒与长度3～12mm的短纤维集束搅拌均匀得到混配料，或者将热塑性塑料粉末与长度3～12mm的分散短纤维搅拌均匀得到混配料；在混配料中，短纤维集束或分散短纤维的质量占比为2～20％；

(2)将混配料加入挤出机的料斗中，利用挤出机的螺杆剪切作用使短纤维均匀分布在塑料基体中，挤出得到线条状的复合物；

(3)通过造粒机造粒，得到短纤维增强塑料粒子。

本发明中，所述热塑性塑料是聚乙烯或聚丙烯。

本发明中，所述短纤维集束是由多根分散短纤维以粘结剂粘结的方式集成为一束，每个集束中短纤维的数量为6000～24000根。

本发明中，所述短纤维是纤维状材料或线状材料；其中，纤维状材料是指短碳纤维、短玻璃纤维、短玄武岩纤维或超高分子量聚乙烯纤维，线状材料是指碳纳米管或碳纳米纤维。短纤维的具体填充含量需根据短纤维的类型及其增强效果确定。

本发明进一步提供了利用前述方法制备获得的短纤维增强塑料粒子进一步制备管材的方法，其特征在于，包括：将所述短纤维增强塑料粒子加入管材挤出机的进料口，挤出制得短纤维增强塑料管材。

本发明还进一步提供了该管材的用途，是利用其进一步制备电熔管件，具体包括：

(1)根据设计规格选择适用的管材，管材的外径不小于电熔管件的外径，内径不大于电熔管件的内径；

(2)按照电熔管件的长度，将管材切割成若干管段；

(4)按照电熔管件的内外径尺寸，对管段的内外表面进行机械加工，得到电熔管件本体结构；

(5)按照常规工艺在电熔管件内表面埋入电阻丝、安装接线柱，得到具有增强效果的短纤维增强塑料电熔管件。

最终得到的短纤维增强塑料电熔管件，包括埋设了电阻丝的电熔管件本体，在电熔管件本体上设有分别接至电阻丝两端的两根接线柱；电熔管件本体是由填充了短纤维的热塑性塑料制成；电熔管件中填充纤维主要沿着管件的轴向取向，能够提升电熔管件的轴向强度。

发明原理描述：

本发明采用挤出方式制备短纤维增强塑料电熔管件，采用短纤维增强塑料进行管材挤出得到短纤维增强塑料管材，后对管材进行切割加工得到短纤维增强塑料电熔管件。由于碳纤维、玻璃纤维等纤维材料具有高的比强度和比模量，填充在塑料基体中的短纤维能够承担塑料基体传递的外部载荷，提升材料的强度，进而提升采用该材料制备的电熔管件的结构强度。考虑到塑料电熔管件在应用中主要承受轴向拉伸载荷，采用挤出方式制备电熔管件，能够促进电熔管件中的短纤维沿着管件轴向取向，充分利用短纤维的增强效果，进一步提升短纤维增强塑料电熔管件的轴向强度。

采用传统的注塑工艺制造短纤维增强塑料电熔管件时，纤维主要沿着电熔管件的环向取向，图2为采用注塑方式制备的短纤维增强塑料电熔管件表面的纤维取向分布情况，图3为采用注塑方式制备的短纤维增强塑料电熔管件轴向中间截面上的纤维取向分布情况，可见增强纤维主要用于提升管件的环向强度，环向增强效果相对较差，与电熔管件实际应用中主要承受轴向拉伸载荷的受载情况不符。本发明采用挤出方式制备短纤维增强塑料电熔管件，首先采用挤出方式挤出短纤维增强塑料管材，由于管材在挤出过程中受到轴向拉伸应力，塑料熔体在流经口模时沿着管材轴向流动，促进了基体中的纤维沿着管材的轴向取向。从该管材上切割加工得到短纤维增强塑料电熔管件，管件中的纤维也会沿着管件轴向取向，图4为采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件环向截面上的纤维取向分布情况，图5为采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件轴向截面上的纤维取向分布情况。可见采用挤出方式制备短纤维增强塑料电熔管件中纤维沿着轴向的取向度会明显提高，进一步提高短纤维增强塑料电熔管件的轴向强度。该方法考虑到了电熔管件在应用中主要承受轴向载荷的情况，充分利用了填充纤维的增强效果，提升管件轴向强度。

目前，业内均是采用纯聚乙烯或聚丙烯等塑料制作电熔管件，由于采用注塑方式或挤出方式制备的纯塑料电熔管件性能基本一致，且采用挤出方式制备塑料电熔管件的工艺相对注塑方式要复杂，因此目前业内通常采用注塑方式制备电熔管件，而不是挤出方式。然而，对于采用短纤维增强塑料制备的电熔管件，传统的注塑成型方法制备的电熔管件中纤维主要沿着电熔管件的环向取向，无法充分提升管件强度。为了解决注塑方式无法充分利用纤维增强效果的技术难题，本发明提出采用挤出方式制备短纤维增强塑料电熔管件。虽然采用挤出方式制备电熔管件存在工艺相对注塑方式复杂的问题，但是由于该挤出方式制备的电熔管件的强度要明显优于注塑方式制备的电熔管件，因此，本发明在电熔管件强度提升方面所产生的益处显著，使得采用挤出方式生产电熔管件产生的工艺复杂度提升的问题能够被接受。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件，能够促进电熔管件中的纤维沿着管件的轴向取向，提升短纤维增强塑料电熔管件的轴向强度，该方法考虑到了电熔管件在应用中主要承受轴向载荷的情况，充分利用了填充纤维的增强效果，提升管件结构强度。

(2)本方法能够克服采用注塑工艺制备纤维增强电熔管件中由于注塑熔体流动性差产生的管件缺陷，并且消除了注塑管件中的注塑熔接痕，提升了电熔管件的产品质量。

附图说明

图1为本发明专利提供的电熔管件结构示意图。

图2为采用注塑方式制备的短纤维增强塑料电熔管件表面的纤维取向分布情况；

图3为采用注塑方式制备的短纤维增强塑料电熔管件轴向中间截面上的纤维取向分布情况；

图4为本发明专利提出的采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件的环向截面上的纤维取向分布情况；

图5为本发明专利提出的采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件的轴向截面上的纤维取向分布情况。

附图标记：1管材；2电熔管件本体；3电阻丝；4接线柱；5注塑口；6环向截面；7纤维截面；8聚合物基体；9轴向截面。

具体实施方式

如图1，本发明采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件，包括埋设了电阻丝的电熔管件本体2，在电熔管件本体2上设有分别接至电阻丝3两端的两根接线柱4；所述电熔管件本体2是由填充了短纤维的热塑性塑料制成；所述电熔管件本体2中填充纤维主要沿着管件的轴向取向，提升电熔管件的轴向强度。

用于制备电熔管件本体2的管材，是利用短纤维增强塑料和挤出工艺制备得到。首先采用短纤维增强塑料挤出得到管材，该管材的外径不小于需要制备的电熔管件2的外径，管材的内径不大于需要制备的电熔管件2的内径。电熔管件本体2是从挤出的短纤维增强塑料管材上切割加工得到，采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件中，纤维沿着管件轴向取向，提升电熔管件的轴向强度。

从管材上制备短纤维增强塑料电熔管件的加工方法如下：

(1)调整管材挤出模具，使得挤出管材的外径不小于所述电熔管件的外径，管材的内径不大于所述电熔管件的内径；

(2)采用短纤维增强塑料挤出得到短纤维增强塑料管材；

(3)按照所需电熔管件的长度，将挤出得到的管材切割成若干小段；

(4)按照所需电熔管件的内外径尺寸，对切割得到的管材的内外表面进行机加工，得到电熔管件本体结构；

(5)按照常规工艺在电熔管件内表面埋入电阻丝，并安装接线柱，最终得到具有增强效果的短纤维增强塑料电熔管件。

图1中电熔管件本体2中填充的短纤维可以是短碳纤维、短玻璃纤维、短玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维等纤维状材料，也可以是碳纳米管和碳纳米纤维等线状材料。电熔管件本体2中填充的短纤维的质量占比为2～20％。电熔管件中短纤维填充基体通常为通常由聚乙烯或聚丙烯材料，短纤维的具体填充含量需根据短纤维的类型及其增强效果确定。

本发明中用来制备电熔管件的短纤维增强塑料可以通过下述方法制备获得：

(1)将热塑性塑料颗粒和短纤维集束(多根短纤维采用粘结剂粘结成一束)放入机械搅拌器中，搅拌得到均匀的混配料；在混配料中，短纤维的质量占比为2～20％；热塑性塑料颗粒是指聚乙烯颗粒或聚丙烯颗粒等热塑性塑料颗粒；

(2)将混配料加入挤出机的料斗中，通过挤出机的螺杆剪切作用使得短纤维均匀分布在塑料基体中，挤出得到线条状的复合物；然后通过造粒机造粒，得到短纤维增强塑料粒子。

在电熔管件的短纤维增强塑料的制备中，为了使得纤维在塑料基体中的分散性更好，也可以采用另一种方法来制备短纤维增强塑料，其方法如下：

(1)将热塑性塑料粉末和分散的短纤维(纤维之间是分散的，不是集束状的)放入机械搅拌器中，搅拌得到均匀的混配料；在混配料中，短纤维的质量占比为2～20％；热塑性塑料粉末是指聚乙烯粉末或聚丙烯粉末等热塑性塑料粉末；

(2)将混配料加入挤出机的料斗中，通过挤出机的螺杆剪切作用使得碳纤维均匀分布在塑料基体中，挤出得到线条状的复合物；然后通过造粒机造粒，得到短纤维增强塑料粒子。

本发明采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件，能够促进电熔管件中的纤维沿着管件的轴向取向，提升电熔管件的轴向强度，该方法考虑到了电熔管件在应用中主要承受轴向载荷的情况，充分利用了填充纤维的增强效果，提升管件结构强度。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。实施例中的所有原料及其制取成份均可通过公开的市售渠道获得。

本实施例以短切碳纤维增强聚乙烯电熔管件为例，采用分散的短切碳纤维作为增强纤维，采用高密度聚乙烯作为基体。其中短切碳纤维的含量为15wt％，纤维的长度为3～6mm，为了使得短切碳纤维在高密度聚乙烯基体中分散均匀，高密度聚乙烯采用粉料，粒度为32～50目。

短切碳纤维增强聚乙烯材料制备方法按照以下步骤进行：

(1)制造电熔管件的复合材料由以下按重量份计的原料组成：高密度聚乙烯粉末17份，短切碳纤维3份；将高密度聚乙烯粉末和短切碳纤维放入机械搅拌器中，在搅拌转速1000rpm下搅拌30秒，得到均匀的混配料A；

(2)将得到的混配料A加入单螺杆挤出机中，设置挤出机的挤出温度为200℃，螺杆转速为50rpm，挤出得到线条状的复合物B；

(3)将挤出得到的线条状的复合物B通过造粒机造粒，得到粒状短切碳纤维增强聚乙烯材料C。

采用挤出方式制备短切碳纤维增强聚乙烯电熔管件，管件的制备按照以下步骤进行：

(1)调整管材挤出模具，使得挤出管材的外径不小于所述电熔管件的外径，管材的内径不大于所述电熔管件的内径；

(2)将粒状短切碳纤维增强聚乙烯材料C加入管材挤出机进料口，经管材挤出机挤出得到短切碳纤维增强聚乙烯管材；

(3)按照所需电熔管件的长度，将挤出得到的管材切割成若干小段；

(4)按照所需电熔管件的内外径尺寸，对切割得到的管材的内外表面进行机加工，得到电熔管件本体结构；

(5)按照常规工艺在电熔管件内表面埋入电阻丝，并安装接线柱，最终得到具有增强效果的短纤维增强塑料电熔管件。

本发明通过挤出方式制备短纤维增强塑料电熔管件，促进了电熔管件中的纤维沿着管件的轴向取向，图4为采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件环向截面上的纤维取向分布情况，由于纤维主要沿着管件的轴向取向，纤维接近于平行该环向截面，在该截面上观察到的纤维形状多为矩形或者长轴远大于短轴的椭圆；图5为采用挤出方式制备的短纤维增强塑料电熔管件轴向截面上的纤维取向分布情况，由于纤维主要沿着管件的轴向取向，纤维接近于垂直该轴向截面，在该截面上观察到的纤维形状多为圆形或者长轴和短轴比较接近的椭圆。可见采用该挤出管材加工得到的电熔管件中纤维沿着轴向的取向度会明显提高，进一步由此提高短纤维增强塑料电电熔管件的轴向强度。本发明专利提出的方法考虑到了电熔管件在应用中主要承受轴向载荷的情况，充分利用了填充纤维的增强效果，提升电熔管件结构强度。

Claims (6)

1.一种挤出方式制备短纤维增强塑料粒子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将热塑性塑料颗粒与长度3～12mm的短纤维集束搅拌均匀得到混配料，或者将热塑性塑料粉末与长度3～12mm的分散短纤维搅拌均匀得到混配料；在混配料中，短纤维集束或分散短纤维的质量占比为2～20％；

(2)将混配料加入挤出机的料斗中，利用挤出机的螺杆剪切作用使短纤维均匀分布在塑料基体中，挤出得到线条状的复合物；

(3)通过造粒机造粒，得到短纤维增强塑料粒子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性塑料是聚乙烯或聚丙烯。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短纤维集束是由多根分散短纤维以粘结剂粘结的方式集成为一束，每个集束中短纤维的数量为6000～24000根。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述短纤维是纤维状材料或线状材料；其中，纤维状材料是指短碳纤维、短玻璃纤维、短玄武岩纤维或超高分子量聚乙烯纤维，线状材料是指碳纳米管或碳纳米纤维。

5.利用权利要求1所述方法制备获得的短纤维增强塑料粒子进一步制备管材的方法，其特征在于，包括：将所述短纤维增强塑料粒子加入管材挤出机的进料口，挤出制得短纤维增强塑料管材。

6.利用权利要求5所述方法制备获得的短纤维增强塑料管材进一步制备电熔管件的方法，其特征在于，包括：

(1)根据设计规格选择适用的管材，管材的外径不小于电熔管件的外径，内径不大于电熔管件的内径；

(2)按照电熔管件的长度，将管材切割成若干管段；

(4)按照电熔管件的内外径尺寸，对管段的内外表面进行机械加工，得到电熔管件本体结构；

(5)按照常规工艺在电熔管件内表面埋入电阻丝、安装接线柱，得到具有增强效果的短纤维增强塑料电熔管件。

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