CN111730800B - 一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具 - Google Patents
一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及非金属管道及管件领域，旨在提供一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具。该模具包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心。本发明充分考虑短纤维增强塑料电熔管件中短纤维会沿着注塑熔体的流动方向取向并在管件各位置产生纤维取向差异，以及不同方向上收缩率差；采用该改进模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件尺寸更加准确，能够解决传统模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件内外径偏大及存在较大不圆度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及非金属管道及管件领域，用于燃气、氢气、掺氢天然气、油气、核电重要厂用水输送，特别涉及一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具。
背景技术
与传统金属管道相比，聚乙烯和聚丙烯等非金属管道具有柔韧性好、耐腐蚀、使用寿命长的优点，且同等体积生产能耗仅是钢铁的1/3～1/4，是公认的“绿色”管道。随着非金属管道的不断发展，其在国家重大工程中有着广泛的运用。如在燃气领域，我国新铺设的中低压城市燃气管90%以上采用聚乙烯管；在氢气领域，目前全球已建设输氢管道约4500公里，荷兰格罗宁根海港已成功将增强热塑性管道应用于氢气输送；为了解决氢气输送需要重新铺设专用管道的高额成本，英国等国家通过在天然气中掺入氢气，利用已有的燃气管道输送掺氢天然气；在油气领域，以玻纤、聚酯纤维、钢丝等增强聚乙烯非金属管道逐渐开始用于油气田注水管及油田集输管道；在核电领域，非金属管道已经开始应用于冷却水循环管道。随着我国能源结构的调整和城市化进程的加速，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。
在塑料及其复合材料等非金属管道的连接技术中，电熔管件焊接技术具有施工效率高、操作标准化高、性能可靠等优点，是目前最常用的管道连接技术。电熔管件焊接的原理是采用管件内布置的电阻丝通电发热，利用产生的热量将管材的外壁与电熔管件内壁熔融，并利用加热产生的膨胀力将两者连接在一起，形成具有一定强度的电熔接头。随着钢丝网骨架（PSP）和增强热塑性（RTP）复合管的发展，在塑料管道中引入钢丝及纤维带增强层的方法显著地提高了塑料管道的强度，部分大口径塑性复合管材的承压能力已经突破6.4MPa。而电熔管件的增强方式有限，其强度已经成为限制高压复合管发展的瓶颈。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。由此可见在非金属管道系统中，由于电熔接头改变了管材自身的一体性，电熔接头已经成为管道系统的薄弱环节。
为提升复合管道系统的安全性，申请人针对电熔接头这一薄弱环节，详细研究了其可能存在的缺陷、失效模式以及安全检测方法，包括：基于超声相控阵检测方法（CN105259252A，CN103512954A），研究发现电熔接头内部的缺陷可以分为熔合面缺陷、孔洞、结构畸变、过焊以及冷焊缺陷（CN102285120A，CN102009474A），总结了电熔接头存在的三种典型失效模式，即沿电熔管件壁面贯穿裂纹失效、熔合面失效以及沿电阻丝所在平面的贯穿裂纹失效。由于电熔接头结构（内冷焊区存在应力集中）及受载方式（管件承受内压和轴向拉伸载荷，应用于埋地及架空管线）的复杂性，以往的管件增强方式存在局限性。如内置钢板增强层的增强方式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，两种材料之间的粘接效果差，导致无法协同承载，降低了钢板的增强效果。而在电熔管件外壁缠绕纤维增强层的方式主要是提升管件的环向强度，考虑到实际应用中电熔管件主要承受轴向载荷而发生失效，该方法对管件最终承压能力提升不明显。
为了解决上述电熔管件的强度和安全检测问题，申请人首次提出了具有应变自监测功能的短碳纤维增强塑料电熔管件（CN109827014A），该发明通过在塑料基体中填充碳纤维以增强该材料的力学强度，由于碳纤维具有高强度和高模量的特点，均匀分布在塑料基体中的碳纤维能够承担塑料基体传递的载荷，从而实现电熔管件的强度提升。同时，由于碳纤维具有良好的导电性，当碳纤维的含量达到渗流阈值附近时，基体中的碳纤维由于相互之间接触形成导电网络，使得材料具有导电性。采用该材料制备电熔管件，管线内部的压力会产生管件材料的变形，使得管件材料内部的碳纤维导电网络发生破坏，管件材料的导电性降低，电阻率增加，通过测试管件材料电阻变化实现电熔管件的内压、应变及损伤等安全监测。由此，获得了具有自增强自传感功能的智能电熔管件。
然而，申请人在注塑纤维增强电熔管件的实验过程中，发现采用目前的电熔管模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件存在内径偏大且不圆度较大的问题。目前的电熔管件注塑模具均是基于纯塑料材料设计的，采用目前的模具无法注塑得到尺寸合格的短纤维增强塑料电熔管件。主要原因有两个：
第一个原因是，纤维的填充会降低塑料材料的体积收缩率。申请人实际测试发现，采用型芯外径为165mm的纯聚乙烯电熔管件注塑模具注塑得到的碳纤维增强聚乙烯电熔管件的内径最大尺寸为164.5mm，大于设计尺寸的158.5mm，导致该注塑管件无法用于焊接。北京化工大学蔡天泽的研究也表明，聚合物基体中加入10%的碳纤维后，材料的体积收缩率从9.07%降低到了7.24%。因此，采用目前的电熔管件注塑模具注塑短纤维增强塑料电熔管件时，会导致注塑的管件尺寸偏大。
更重要的一个原因是，纤维增强塑料材料在注塑过程中由于纤维取向会导致材料的收缩率不一样。而目前的管件模具是按照纯塑料设计的，模具型腔的尺寸是按照材料在在各个位置的收缩率一致设计的，因此，使用现有模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件存在内外径不圆度较大问题。
申请人深入研究发现，纯塑料管件的不圆度是因为大分子链冷却时会发生回弹，导致材料在平行于流动方向收缩率大，而垂直于流动方向收缩率小；而短纤维增强塑料电熔管件的不圆度是因为短纤维限制了塑料材料在冷却时的收缩，材料在平行于流动方向收缩率小，垂直于流动方向的收缩率大。经实际测试，采用型芯外径尺寸为165mm的纯聚乙烯电熔管件模具注塑得到的短碳纤维增强聚乙烯电熔管件的内径不圆度最大可以达到5mm，导致注塑管件无法用于焊接。可见，纤维取向对材料的收缩率影响很大，在平行于纤维取向方向材料收缩率约为0.1%，无明显收缩，而垂直于纤维取向方向的收缩率最高可以达到4.5%。
目前有针对纯塑料管件不圆度问题的改进方法，如采用内衬尼龙套定型（CN107214981A）以及基于反变形量设计型芯和型腔尺寸（广东工业大学钟健灵）。上述技术中前者需要在注塑电熔管件中增加定型套，增加了工序和生产时间；后者是针对纯塑料电熔三通，而塑料管件和纤维增强塑料电熔管件不圆度产生的原因是不一样的。因此，上述方法无法用于解决短纤维增强塑料电熔管件不圆度问题。因此，解决纯塑料和短纤维增强塑料电熔管件不圆度问题时，必须采用不同的技术手段。目前尚无能够解决短纤维增强塑料电熔管件不圆度问题的注塑模具的相关报道。
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，提供一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具。
为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：
提供一种自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具，包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；在注塑定模或注塑动模上设有贯通连接注塑型腔的注塑流道，其内侧端部作为待加工电熔管件的浇注口；注塑型腔用于容纳来自注塑流道的注塑熔体，并经冷却塑型获得电熔管件；
所述注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，其中：
浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度，以内径为准）为浇注口直径的1~4倍；
熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度，以内径为准）为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；处于正圆注塑区域（除浇注口区域和熔接面区域以外的两条被分隔的注塑型腔区域）的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%（且不等于0）；
所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸。
本发明中，所述浇注口位于浇注口区域的轴向中间位置。
本发明中，所述注塑型腔的径向截面形状为非正圆的环形；当浇注口位于注塑型腔的轴向中间位置时，浇注口及其对面熔接面处的注塑型腔径向尺寸为最大。
本发明中，所述注塑型腔的截面形状为椭圆形。
本发明进一步提供了基于前述注塑模具改善自增强自传感电熔管件不圆度的方法，是以短纤维增强塑料作为本体材料，通过注塑方式制备电熔管件；由于注塑熔体中的短纤维会沿流动方向取向而在注塑型腔的不同位置产生纤维取向差异，并导致电熔管件的收缩率存在差异；在注塑时通过调整注塑型腔中浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域的内外径尺寸，使最终得到的电熔管件不圆度得到改善，满足产品标准内外径尺寸的要求；
所述调整注塑型腔的内外径尺寸，具体包括：
（1）对于处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，加大其内外径尺寸，比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；
（2）对于处于正圆注塑区域的注塑型腔，加大其内外径尺寸，比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%，且不等于0；
所述浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度，以内径为准）为浇注口直径的1~4倍；熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度，以内径为准）为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸；
所述短纤维是指：短碳纤维、短玻璃纤维、短芳纶纤维、短金属纤维、短镀金属纤维、短硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、短聚对亚苯基苯并双噁唑（PBO）纤维、短玄武岩纤维或短竹纤维中的至少一种纤维状材料；或者是碳纳米管、碳纳米纤维中的至少一种线状材料；或者是所述纤维状材料与线状材料的混合物；其中纤维状材料长度为0.1~5mm，线状材料长度为0.1~100um。
本发明还提供了一种不圆度得到改善的自增强自传感电熔管件，该电熔管件是通过前述方法制备获得。
发明原理描述：
采用短纤维增强塑料注塑电熔管件能够有效地提高电熔管件的强度。然而，目前的电熔管件注塑模具均是基于纯塑料材料设计的，由于纤维材料刚度很大，塑料基体中的碳纤维会限制塑料高分子冷却时的变形，导致短纤维增强复合材料的收缩率显著降低，因此，采用传统的电熔管件注塑模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件内外径尺寸偏大，导致管件和管材之间间隙过大而无法进行焊接。另外，在采用短纤维增强塑料材料注塑电熔管件时，基体内的纤维会沿着熔体流动方向取向，导致注塑管件环向不同位置的纤维取向不一样，而纤维取向的差异又会导致管件本体材料收缩率不一样。这是因为在平行于纤维方向，纤维会阻碍塑料中分子链冷却时的回弹，因此材料在平行于纤维取向方向的收缩率会显著降低；而在垂直于纤维取向方向，纤维对分子链的回弹限制比较小，因此材料在垂直于纤维取向方向的收缩率虽然也会降低，但要高于材料在平行于纤维取向方向的收缩率。因此，在管件不同位置由于纤维取向差异导致材料的收缩率有明显差异。而传统的电熔管件注塑模具主要用于纯塑料材料注塑，其设计中没有考虑到纤维取向产生的材料收缩率差异，因此，采用传统的电熔管件注塑模具注塑短纤维增强塑料电熔管件内外径尺寸存在较大的不圆度，导致注塑管件尺寸达不到设计要求，无法用于焊接。
针对上述问题，本发明提出一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具，该电熔管件注塑模具的设计充分考虑了短纤维增强塑料电熔管件的两个特点：1）管件中短纤维会沿着注塑熔体的流动方向取向并在管件各位置产生纤维取向差异，2）短纤维增强聚合物材料在平行于纤维取向方向的收缩率小于垂直于纤维取向方向的收缩率。考虑到由此产生的电熔管件各位置材料收缩率差异，通过对管件注塑模具的注塑型腔尺寸及结构进行优化。本发明在国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准尺寸基础上，创新性地提出了所述浇注口区域和熔接面区域的概念。浇注口区域是指以浇注口为对称中心的某段注塑型腔；该区域的轴向尺寸等于待加工电熔管件总长度，该区域的环向尺寸为待加工电熔管件浇注口直径的1~4倍。注塑熔体从浇注口射入并分流，从浇注口两侧填满注塑型腔，最终在浇注口对面汇合形成熔接面。熔接面区域是指位于浇注口对面且与浇注口沿管件环向成180°的某段注塑型腔；该区域的轴向尺寸等于待加工电熔管件总长度，该区域的环向尺寸为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%。在浇注口区域和熔接面区域内短纤维主要沿管件轴向取向，注塑型腔的内外径尺寸比待加工电熔管件内外径标准尺寸大1~3%；在浇注口区域和熔接面区域之外短纤维主要沿管件环向取向，注塑型腔的内外径尺寸比待加工电熔管件内外径标准尺寸大0~1%（且不等于0）。
由于短纤维增强塑料材料较低的收缩率以及电熔管件中因纤维取向差异而产生的材料收缩率差异，通过大量计算分析，总结了短纤维增强塑料电熔管件中纤维在管件环向各位置的取向度。如图3和4所示，对于浇注口位于管件轴向中间位置的电熔管件，在管件的浇注口位置以及浇注口对面的熔接面位置，纤维主要沿着管件轴向取向，沿管件轴向的取向度高。而在除此之外的其他位置，纤维主要沿着管件环向取向，沿管件环向的取向度高，如图5所示。在纤维主要沿着电熔管件轴向取向的位置，比如图3中的浇注口位置和图4中的熔接面位置，管件本体材料沿着环向的收缩率大，电熔管件冷却后该位置的内外径尺寸变化大，设计时注塑型腔内外径尺寸比管件内外径的标准尺寸大1~3%；而在在纤维主要沿着电熔管件环向取向的位置，管件本体材料沿着管件环向的收缩率小，电熔管件冷却后该位置的内外径尺寸变化小，设计时该位置电熔管件注塑型腔的内外径尺寸比管件内外径标准尺寸大0~1%即可（电熔管件标准尺寸参照GB 15558.2）。实际设计中，注塑型芯外径以及动模和定模主体形状的内径具体尺寸的确定需要根据所用的基体材料和纤维增强材料确定。
基于上述设计原则，本发明的设计充分考虑了短纤维增强塑料材料较低的收缩率以及电熔管件中因纤维取向差异而产生的材料收缩率差异。与此同时，在传统纯塑料注塑模具的基础上，降低注塑型腔内外径尺寸，并将注塑型腔横截面的主体形状由圆环形状改进为非圆环形状，如椭圆环等，即将注塑型芯外壁及动模和定模内壁的横截面主体形状由传统的圆形改为非圆形，如椭圆等。由于电熔管件环向不同位置材料收缩率不一样，采用该改进的注塑模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件最终冷却后的电熔管件内外径尺寸能够满足设计要求，能够实现注塑短纤维增强塑料电熔管件内外径尺寸的精确控制，解决传统的电熔管件注塑模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件内外径偏大及存在较大不圆度问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过对浇注口区域和非浇注口区域的注塑型腔尺寸控制，同时将注塑型腔横截面形状由传统的圆环形改为非圆环形状。该设计充分考虑了短纤维增强塑料电熔管件的两个特点：1）短纤维增强塑料电熔管件中短纤维会沿着注塑熔体的流动方向取向并在管件各位置产生纤维取向差异，2）短纤维增强聚合物材料在平行于纤维取向方向的收缩率小于垂直于纤维取向方向的收缩率。
2、采用该改进模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件尺寸更加准确，能够解决传统模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件内外径偏大及存在较大不圆度的问题。
附图说明
图1为电熔管件结构示意图。
附图标记：101管材，102电熔管件本体，103电阻丝，104接线柱。
图2为浇注口位于管件侧面的电熔管件示意图。
附图标记：201电熔管件本体，202注塑流道。
图3为浇注口设置于管件侧面时，采用短纤维增强塑料注塑得到的电熔管件浇注口区域的纤维取向情况。
图4为浇注口设置于管件侧面时，采用短纤维增强塑料注塑得到的电熔管件熔接面区域的纤维取向情况。
图5为浇注口设置于管件侧面时，采用短纤维增强塑料注塑得到的电熔管件除浇注口区域和熔接面区域之外的纤维取向情况。
图6为采用传统的DN160管件注塑模具注塑短碳纤维增强聚乙烯电熔管件，浇注口位于侧面时，电熔管件内径分布情况。
图7为本发明实施例中，注塑型腔尺寸及结构优化的短纤维增强塑料注塑电熔管件注塑模具结构示意图。
附图标记：701驱动装置，702型芯压板，703冷却水管，704螺钉，705定模座板，706定模，707注塑流道，708定位环，709螺钉，710电极槽，711电熔管件，712导柱，713螺钉，714动模座板，715顶料杆固定板，716顶料杆，717动模，718支撑板，719型芯，720回程杆，721垫铁，722型芯架。
图8为本发明实施例中，浇注口在管件轴向中间的Dn160短纤维增强塑料电熔管件的注塑型腔尺寸及结构的优化设计1；
图9为本发明实施例中，浇注口在管件轴向中间的Dn160短纤维增强塑料电熔管件的注塑型腔尺寸及结构的优化设计2。
图10为本发明实施例中，浇注口在管件轴向中间的Dn160短纤维增强塑料电熔管件的注塑型腔尺寸及结构的优化设计3。
具体实施方式
本发明提供了一种自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具，如图7所示，包括注塑型芯719、注塑动模717和注塑定模706，以及由三者合围而成的注塑型腔711；在注塑定模706上设有贯通连接注塑型腔的注塑流道707，其内侧端部作为待加工电熔管件的浇注口；在注塑型腔711的内外径尺寸设计中考虑了短纤维增强塑料电熔管件的特点。
注塑型腔用于容纳来自注塑流道的注塑熔体，并经冷却塑型获得电熔管件，包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，其中：浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度）为浇注口直径的1~4倍；熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度）为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；处于正圆注塑区域（除浇注口区域和熔接面区域以外的两条被分隔的注塑型腔区域）的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%（且不等于0）；
所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸。
根据上述原则，短纤维增强塑料电熔管件注塑模具的注塑型腔711横截面形状由传统的圆环形改为非圆环形状，如椭圆环，如图8所示，注塑型腔横截面形状也可以设计成其他非圆环结构，如图9和图10所示。而注塑模具型芯719外壁及注塑动模717和定模706内壁的横截面主体形状也由传统的圆形改为非圆形。因此，采用该模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件刚注塑成型时其横截面主体形状为非圆环形，如椭圆环等，由于电熔管件环向不同位置材料收缩率不一样，最终冷却后的电熔管件横截面主体形状将由刚注塑成型时的非圆环形变为圆环形，尺寸达到设计要求。
本发明还提供了一种所述注塑模具改善自增强自传感电熔管件不圆度的方法，是以短纤维增强塑料作为本体材料，通过注塑方式制备电熔管件；由于注塑熔体中的短纤维会沿流动方向取向而在注塑型腔的不同位置产生纤维取向差异，并导致电熔管件的收缩率存在差异；在注塑时通过调整注塑型腔中浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域的内外径尺寸，使最终得到的电熔管件不圆度得到改善，满足产品标准内外径尺寸的要求；所述方法具体包括：
（1）对于处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，加大其内外径尺寸，比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；
（2）对于处于正圆注塑区域的注塑型腔，加大其内外径尺寸，比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%（且不等于0）；
所述浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度）为浇注口直径的1~4倍；熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸（即宽度）为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸；
所述短纤维是指：短碳纤维、短玻璃纤维、短芳纶纤维、短金属纤维、短镀金属纤维、短硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、短聚对亚苯基苯并双噁唑（PBO）纤维、短玄武岩纤维或短竹纤维中的至少一种纤维状材料；或者是碳纳米管、碳纳米纤维中的至少一种线状材料；或者是所述纤维状材料与线状材料的混合物；其中纤维状材料长度为0.1~5mm，线状材料长度为0.1~100um。
本发明还提供了一种不圆度改善的自增强自传感电熔管件，所述管件采用上述自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具注塑得到。
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。
对比例1：
以浇注口位于管件轴向中间位置的电熔管件注塑模具为例，采用短碳纤维增强聚乙烯材料注塑电熔管件，采用短碳纤维作为增强纤维，采用高密度聚乙烯作为基体。其中碳纤维的含量为9.4wt%，纤维的长度为0.1~5mm。
采用现有技术实验情况：
以图2所示的浇注口位于管件轴向中间的Dn160电熔管件为例，采用短碳纤维增强聚乙烯材料注塑该电熔管件，图3和图4为注塑得到的短短纤维增强塑料电熔管件浇注口及熔接面附件的纤维取向情况，可以发现这两处的纤维基本沿着电熔管件的轴向取向，纤维沿管件环向的取向度很低；图5为注塑得到的短碳纤维增强塑料电熔管件除浇注口区域和熔接面区域之外的纤维取向情况，可以发现这些区域纤维基本沿管件环向取向，沿环向取向度很高。在采用传统的电熔管件注塑模具注塑了短碳纤维增强聚乙烯电熔管件，发现传统注塑模具注塑得到的短碳纤维增强塑料电熔管件的内径尺寸最大为164.5mm，最小的地方为161mm，而按照设计注塑管件的尺寸在158.5mm左右（考虑布置电阻丝时内径还要进行车削），可见注塑得到的短碳纤维增强塑料电熔管件内径尺寸大于设计要求，并且不圆度达到了3.5mm，导致采用传统模具注塑的短纤维增强塑料电熔管件无法进行焊接。
实施例1：
同样以浇注口位于管件轴向中间位置的电熔管件注塑模具为例，采用短碳纤维增强聚乙烯材料注塑电熔管件，采用短碳纤维作为增强纤维，采用高密度聚乙烯作为基体。其中碳纤维的含量为9.4wt%，纤维的长度为0.5~3mm。
采用本发明技术的实验情况：以图2所示的浇注口位于管件轴向中间的Dn160电熔管件为例，由于在管件的浇注口以及熔接面区域纤维沿着环向取向度低，材料收缩率大，因此浇注口区域（浇注口区域的轴向长度等于182mm，等于待加工电熔管件总长度；环向尺寸为8mm，为待加工电熔管件浇注口直径的1倍。）和熔接面区域（轴向长度等于182mm，等于待加工电熔管件总长度；环向尺寸为8mm，为待加工电熔管件标准内径尺寸的5%。）的注塑型腔内径尺寸设计为160.1mm，比管件内径标准尺寸大1%（Dn160管件由于后布丝时内径要车削掉一部分，管件设计的注塑后尺寸为158.5mm），而其他位置的材料收缩率小，将内径设计为158.6mm，比管件内径标准尺寸大0.06%。为了简化模具型芯的设计，将型芯外壁形状设计为椭圆形，其长轴为80.05mm，短轴为79.3mm；动模和定模注塑腔的内壁主体形状也设计为椭圆形，其长轴为98.05mm，短轴为97.3mm。因此，得到的注塑型腔的结构为椭圆环，注塑型腔尺寸及结构如图8所示。
本发明提出的短纤维增强塑料电熔管件注塑模具的型腔横截面主体形状为非圆环形，该模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件刚注塑成型时其横截面主体形状为非圆环形，但由于电熔管件环向不同位置材料收缩率不一样，最终冷却后的电熔管件横截面主体形状将由刚注塑成型时的非圆环形变为圆环形，内外径尺寸达到设计要求。因此，该短纤维增强塑料电熔管件注塑模具能够实现注塑短纤维增强塑料电熔管件内外径尺寸的精确控制，解决传统的电熔管件注塑模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件内外径偏大及存在较大不圆度问题。
实施例2：
以图2所示的浇注口位于管件轴向中间的Dn160电熔管件为例，将管件的浇注口以及熔接面区域注塑型腔内径尺寸设计为162mm，而其他位置的材料收缩率小，将内径设计为159mm。浇注口区域的轴向长度等于182mm，等于待加工电熔管件总长度；环向尺寸为20mm，为待加工电熔管件浇注口直径的2.5倍。熔接面区域的轴向长度等于182mm，等于待加工电熔管件总长度；环向尺寸为20mm，为待加工电熔管件标准内径尺寸的12.5%。考虑到实际管件环向中只有浇注口以及熔接面附近小范围的材料收缩率比较大，而其他位置的收缩率都比较小。为了更加精确地控制最终电熔管件的尺寸，将模具型芯外壁形状设计为椭圆和圆形组合而成的形状，其中，椭圆的长轴为81mm，比管件内径标准尺寸大2.2%（Dn160管件由于后布丝时内径要车削掉一部分，管件设计的注塑后尺寸为158.5mm），短轴为30mm，圆的半径为79.5mm，比管件内径标准尺寸大0.3%；动模和定模注塑腔的内壁主体形状也按此设计，其中椭圆的长轴为99mm，短轴为48mm，圆的半径为97.5mm。得到的注塑模具型腔尺寸及结构如图9所示。
实施例3：
以图2所示的浇注口位于管件轴向中间的Dn160电熔管件为例，将管件的浇注口以及熔接面位置注塑型腔内径尺寸设计为162mm，而其他位置的材料收缩率小，将内径设计为159mm。浇注口区域的轴向长度等于182mm，等于待加工电熔管件总长度；环向尺寸为32mm，为待加工电熔管件浇注口直径的4倍。熔接面区域的轴向长度等于182mm，等于待加工电熔管件总长度；环向尺寸为32mm，为待加工电熔管件标准内径尺寸的20%。考虑到实际管件环向中只有浇注口以及熔接面位置的材料收缩率比较大，而其他位置的收缩率都比较小。为了更加精确地控制最终电熔管件的尺寸，将模具型芯外壁形状设计为两个小圆形和一个大圆形组合而成的形状，其中，小圆半径为27mm，大圆半径为80.05mm，小圆和大圆圆心距离为54.7mm；因此，浇注口区域和熔接面区域管件的内径尺寸为163.4mm，比管件内径标准尺寸大3%（Dn160管件由于后布丝时内径要车削掉一部分，管件设计的注塑后尺寸为158.5mm）；处于正圆注塑区域的管件的内径尺寸为160.1mm，比管件内径标准尺寸大1%。动模和定模注塑腔的内壁主体形状也按此设计，其中，小圆半径为45mm，大圆半径为98.05mm，小圆和大圆圆心距离为54.7mm。得到的模具注塑型腔的尺寸及结构如图10所示。
Claims (6)
1.一种自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具，包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；在注塑定模或注塑动模上设有贯通连接注塑型腔的注塑流道，其内侧端部作为待加工电熔管件的浇注口；注塑型腔用于容纳来自注塑流道的注塑熔体，并经冷却塑型获得短纤维增强塑料电熔管件；其特征在于，
所述注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，其中：
浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为浇注口直径的1~4倍；
熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；处于正圆注塑区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%，且不等于0；
所述待加工电熔管件是指待加工的短纤维增强塑料电熔管件，所述标准内外径尺寸是指按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸。
2.根据权利要求1所述的注塑模具，其特征在于，所述浇注口位于浇注口区域的轴向中间位置。
3.根据权利要求1所述的注塑模具，其特征在于，所述注塑型腔的径向截面形状为非正圆的环形；当浇注口位于注塑型腔的轴向中间位置时，浇注口及其对面熔接面处的注塑型腔径向尺寸为最大。
4.根据权利要求1所述的注塑模具，其特征在于，所述注塑型腔的截面形状为椭圆形。
5.基于权利要求1所述注塑模具改善自增强自传感电熔管件不圆度的方法，其特征在于，是以短纤维增强塑料作为本体材料，通过注塑方式制备电熔管件；由于注塑熔体中的短纤维会沿流动方向取向而在注塑型腔的不同位置产生纤维取向差异，并导致电熔管件的收缩率存在差异；在注塑时通过调整注塑型腔中浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域的内外径尺寸，使最终得到的电熔管件不圆度得到改善，满足产品标准内外径尺寸的要求；
所述调整注塑型腔的内外径尺寸，具体包括：
（1）对于处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，加大其内外径尺寸，比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；
（2）对于处于正圆注塑区域的注塑型腔，加大其内外径尺寸，比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%，且不等于0；
所述浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为浇注口直径的1~4倍；熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸；
所述短纤维是指：短碳纤维、短玻璃纤维、短芳纶纤维、短金属纤维、短镀金属纤维、短硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、短聚对亚苯基苯并双噁唑纤维、短玄武岩纤维或短竹纤维中的至少一种纤维状材料；或者是碳纳米管、碳纳米纤维中的至少一种线状材料；或者是所述纤维状材料与线状材料的混合物；其中纤维状材料长度为0.1~5mm，线状材料长度为0.1~100um。
6.一种不圆度得到改善的自增强自传感电熔管件，其特征在于，该电熔管件是通过权利要求5所述方法制备获得。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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