CN113400695A

CN113400695A - 一种超低温管缠绕成型方法

Info

Publication number: CN113400695A
Application number: CN202110662763.2A
Authority: CN
Inventors: 谢鹏程; 宋乐; 杨卫民; 焦志伟; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2041-06-15
Also published as: CN113400695B

Abstract

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，通过挤出和单向拉伸制备分子链高度取向的塑料带；使用粘土3D打印机，将可溶性粘土打印成管道内部的空腔形状的型芯；将高取向塑料带逐层缠绕在型芯上获得管件所需要的厚度；之后将塑料带和型芯一同放入真空烘箱中排除气泡，并加热至塑料带表层材料部分熔融，使缠绕的塑料带熔接在一起形成整体的管道结构；自然冷却后使用水溶解掉可溶性型芯获得聚合物管材制品。由于塑料带在挤出和拉伸过程中形成高度取向的分子链结构，因此聚合物带具有远高于各向同性塑料的力学性能，由于分子链在微观上沿着圆周螺旋取向，因此具有极强的抵抗外力的能力。本发明可选用耐低温塑料材料，进一步保证制品在低温下的抗冲击能力。

Description

一种超低温管缠绕成型方法

技术领域

本发明涉及一种超低温管缠绕成型方法，属于塑料加工成型领域。

背景技术

航空航天领域大量使用到各类非金属管道零件，为适应宇宙空间严苛的环境。这些管道零件不仅需要满足足够的强度，还需要在低温条件下有足够强的抗冲击能力。与此同时，材料的密度应该尽可能低小，以满足航空航天设备的重量要求。

现有制备技术主要包含以下几种，它们都存在着一些局限性：涂覆碳纤维或玻璃纤维复合材料，由于无机增强物的密度较大，在重量上存在劣势；挤出管材受聚合物本身性能限制，材料强度不高，并且无法制备具有复杂形状的构件；注塑方法相对于挤出方法虽然制品形状可以更加复杂，但是受限于脱模机构的限制，其内管路的复杂性仍然受到较大限制，并且整体强度难以提高。

发明内容

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，使得所成型的管材能够克服现有上述加工方法的不足，使用挤出机以及拉伸辊子，通过挤出和单向拉伸制备分子链高度取向的塑料带；使用粘土3D打印机，将可溶性粘土或陶瓷材料打印成管道内部的空腔形状的型芯；将高取向塑料带逐层缠绕在型芯上获得管件所需要的厚度；之后将塑料带和型芯一同放入真空烘箱中排除气泡，并加热至塑料带表层材料部分熔融，使缠绕的塑料带熔接在一起形成整体的管道结构；自然冷却后使用水溶解掉可溶性型芯获得聚合物管材制品。

具体的技术方案为：本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，该方法包含如下步骤：第一步是高强度塑料带制备，本步骤主要涉及的设备与材料主要包括：塑料带、塑料颗粒、挤出机、左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子。其中塑料带是本步骤的目标产品，是具有较高强度的高度取向塑料带；塑料颗粒是塑料原料，可以为线性低密度聚乙烯、尼龙12、聚乙烯醇等具备耐低温性能或阻隔性能的塑料原料颗粒；挤出机是常规挤出机，并安装有用于成型塑料带的模头；左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子均是固定在一定位置且带有驱动装置可以自主旋转的聚四氟圆柱形辊子；其中左上辊子固定在挤出机模头正右侧；左下辊子固定在左上辊子正下方；右下辊子固定在左下辊子正右方；右上辊子固定在右下辊子正上方，左上辊子的正右方；塑料带从挤出机挤出后依次绕过左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子；本步骤具体为：挤出机将塑料颗粒挤出成型成为塑料带，塑料带依次绕过左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子，冷却并定型；左上辊子、左下辊子在这个过程中自主旋转，线速度等于塑料带挤出速度；右下辊子和右上辊子在这个过程中自主旋转，线速度等大于塑料带挤出速度；使塑料带在左下辊子和右下辊子之间被拉伸取向，得到高度取向的塑料带；第二步是水溶性型芯的制备，涉及的材料主要包括：3D打印机、泥浆和型芯。其中3D打印机是任意商用的可以打印粘土的3D打印机；泥浆是可溶性粘土材质的3D打印原料，可以是石膏浆；型芯是与本发明目标制品管内形状对应的型芯；本步骤中利用3D打印机将泥浆打印成型为型芯，并等待型芯充分干燥硬化；第三步是缠绕：将之前步骤获得的塑料带均匀地缠绕在型芯上，缠绕多层形成足够的厚度，且两层之间相互间隔，使缠绕的缝隙彼此错开一定距离；缠绕时，可以在缠绕最内层使用较小的缠绕张力，往外层缠绕张力逐渐增加，在最外层缠绕张力最大；第四步是使缠绕管融合，将第三步缠绕后的塑料带和型芯放入真空烘箱中，缓慢抽真空并加热至略低于塑料带熔点的温度，保持一定时间，待塑料带表面局部熔融粘接在一起后取出，空气冷却至室温；第五步是通过溶解去除型芯，将熔接在一起的塑料带和型芯一起放入盛有足够量水的容器中，浸泡足够长时间，待型芯由于溶解作用瓦解脱落后，将已经由塑料带融合而得到的塑料管取出，用水冲洗干净，得到最终制品。

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，其塑料带可以使用商用高取向塑料带替代。

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，其第三步缠绕可以使用两种熔点不同的塑料带分层间隔缠绕；第四步缓慢抽真空并加热至两种塑料带熔点之间的温度，使较低熔点的一种塑料带熔融以使缠绕的塑料带粘接成一个整体。

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，其塑料带可以使用两台挤出机与一套共挤出模具制备成的高熔点塑料芯层外包覆低熔点塑料皮层的共挤出塑料带；第四步具体步骤则为：缓慢抽真空并加热至芯层和皮层熔点之间的温度，使较低熔点皮层材料熔融以使缠绕的塑料带变成一个整体。

本发明提出的一种超低温管缠绕成型方法，由于塑料带在挤出和拉伸过程中形成高度取向的分子链结构，因此聚合物带具有远高于各向同性塑料的力学性能，使用这种带缠绕而成的管材，分子链在微观上沿着圆周螺旋取向，因此具有极强的抵抗外力的能力。选用耐低温塑料材料，进一步保证制品在低温下或超低温下的抗冲击能力。此外，选用多种不同熔点的预制物塑料带，或具有低熔点外皮的共挤出带，作为缠绕用的塑料带，使低熔点组分熔融实现熔结的目的，高熔点部分不发生融化，防止高取向的芯部损失强度。

附图说明

图1是本发明一种超低温管缠绕成型方法第一步示意图；

图2是本发明一种超低温管缠绕成型方法第二步示意图；

图3是本发明一种超低温管缠绕成型方法第三步示意图；

图4是本发明一种超低温管缠绕成型方法第四步示意图；

图5是本发明一种超低温管缠绕成型方法第五步示意图；

图6是本发明一种超低温管缠绕成型方法最终制品示意图。

图中：1-塑料带、2-塑料颗粒、3-挤出机、4-左上辊子、5-左下辊子、6-右下辊子、7-右上辊子。8-3D打印机、9-泥浆、10-型芯、11-真空烘箱、12-容器、13-最终制品。

具体实施方式

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，该方法包含如下步骤：第一步是高强度塑料带制备：如图1所示，本步骤主要涉及的设备与材料主要包括：塑料带1、塑料颗粒2、挤出机3、左上辊子4、左下辊子5、右下辊子6和右上辊子7。其中塑料带1是本步骤的目标产品，是具有较高强度的高度取向塑料带；塑料颗粒2是塑料原料，可以为线性低密度聚乙烯，尼龙12、聚乙烯醇等具备耐低温性能或阻隔性能的塑料原料颗粒；挤出机3是常规挤出机，并安装有用于成型塑料带1的模头；左上辊子4、左下辊子5、右下辊子6和右上辊子7均是固定在一定位置且带有驱动装置可以自主旋转的聚四氟圆柱形辊子；其中左上辊子4固定在挤出机3模头正右侧；左下辊子5固定在左上辊子4正下方；右下辊子6固定在左下辊子5正右方；右上辊子7固定在右下辊子6正上方，左上辊子4的正右方；塑料带1从挤出机3挤出后依次绕过左上辊子4、左下辊子5、右下辊子6和右上辊子7；本步骤具体为：挤出机3将塑料颗粒2挤出成型成为塑料带1，塑料带1依次绕过左上辊子4、左下辊子5、右下辊子6和右上辊子7，冷却并定型；左上辊子4、左下辊子5在这个过程中自主旋转，线速度等于塑料带挤出速度；右下辊子6和右上辊子7在这个过程中自主旋转，线速度等大于塑料带挤出速度；使塑料带1在左下辊子5和右下辊子6之间被拉伸取向，得到高度取向的塑料带1；第二步是水溶性型芯的制备，如图2所示，涉及的材料主要包括：3D打印机8、泥浆9和型芯10。其中3D打印机8是任意商用的可以打印粘土的3D打印机；泥浆9是可溶性粘土材质的3D打印原料，也可以是石膏浆；型芯10是与本发明目标制品管内形状对应的型芯；本步骤中利用3D打印机8将泥浆9打印成型为型芯10，并等待型芯10充分干燥硬化；第三步是缠绕：如图3所示，将之前步骤获得的塑料带1均匀地缠绕在型芯10上，缠绕多层形成足够的厚度，且两层之间相互间隔，使缠绕的缝隙彼此错开一定距离；缠绕时，可以在缠绕最内层使用较小的缠绕张力，往外层缠绕张力逐渐增加，在最外层缠绕张力最大；第四步是使缠绕管融合，如图4所示，将第三步缠绕后的塑料带1和型芯10放入真空烘箱11中，缓慢抽真空并加热至略低于塑料带1熔点的温度，保持一定时间，待塑料带1表面局部熔融粘接在一起后取出，并空气冷却至室温；第五步是通过溶解去除型芯，如图5所示，将熔接在一起的塑料带1和型芯10一起放入盛有足够水的容器12中，浸泡足够长时间，待型芯10由于溶解作用瓦解脱落后，将已经融合为塑料管的塑料带1取出，用水冲洗干净，得到最终制品13，如图6所示，图6中管材上段剖视。

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，其塑料带1可以使用商用高取向塑料带替代。

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，其第三步缠绕可以使用两种不同熔点的塑料带1分层间隔缠绕；第四步缓慢抽真空并加热至两种塑料带1熔点之间的温度，使较低熔点的一种塑料带熔融以使缠绕的塑料带1粘接成一个整体。

本发明提出一种超低温管缠绕成型方法，其塑料带1可以使用两台挤出机与一套共挤出模具制备成的高熔点塑料芯层外包覆低熔点塑料皮层的共挤出塑料带；第四步具体步骤则为：缓慢抽真空并加热至芯层和皮层熔点之间的温度，使较低熔点皮层材料熔融以使缠绕的塑料带1变成一个整。

Claims

1.一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：第一步是高强度塑料带制备，涉及的设备与材料主要包括：塑料带、塑料颗粒、挤出机、左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子；塑料颗粒是塑料原料，挤出机是常规挤出机，并安装有用于成型塑料带的模头；左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子均是固定在一定位置且带有驱动装置可以自主旋转的聚四氟圆柱形辊子；其中左上辊子固定在挤出机模头正右侧；左下辊子固定在左上辊子正下方；右下辊子固定在左下辊子正右方；右上辊子固定在右下辊子正上方，左上辊子的正右方；塑料带从挤出机挤出后依次绕过左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子；具体步骤为：挤出机将塑料颗粒挤出成型成为塑料带，塑料带依次绕过左上辊子、左下辊子、右下辊子和右上辊子，冷却并定型；左上辊子、左下辊子在这个过程中自主旋转，线速度等于塑料带挤出速度；右下辊子和右上辊子在这个过程中自主旋转，线速度等大于塑料带挤出速度；使塑料带在左下辊子和右下辊子之间被拉伸取向，得到高度取向的塑料带；第二步是水溶性型芯的制备，涉及的设备及材料主要包括3D打印机、泥浆和型芯，其中3D打印机是可以打印粘土的3D打印机；泥浆是可溶性粘土材质的3D打印原料，型芯是目标制品管内形状对应的型芯；本步骤中利用3D打印机将泥浆打印成型为型芯，并等待型芯充分干燥硬化；第三步是缠绕：将之前步骤获得的塑料带均匀地缠绕在型芯上，缠绕多层形成足够的厚度，且两层之间相互间隔，使缠绕的缝隙彼此错开一定距离；第四步是使缠绕管融合，将第三步缠绕后的塑料带和型芯放入真空烘箱中，缓慢抽真空并加热至略低于塑料带熔点的温度，保持一定时间，待塑料带表面局部熔融粘接在一起后取出，空气冷却至室温；第五步是通过溶解去除型芯，将熔接在一起的塑料带和型芯一起放入盛有足够量水的容器中，浸泡足够长时间，待型芯由于溶解作用瓦解脱落后，将已经由塑料带融合而得到的塑料管取出，用水冲洗干净，得到最终制品。

2.根据权利要求1所述的一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：塑料颗粒为线性低密度聚乙烯、尼龙12或聚乙烯醇为原料的颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：泥浆是可溶性粘土材质的3D打印原料，或者泥浆更换为石膏浆。

4.根据权利要求1所述的一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：第三步缠绕时，在缠绕最内层使用较小的缠绕张力，往外层缠绕张力逐渐增加，在最外层缠绕张力最大。

5.根据权利要求1所述的一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：塑料带使用市售高取向塑料带替代。

6.根据权利要求1所述的一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：第三步缠绕时使用两种熔点不同的塑料带分层间隔缠绕；第四步缓慢抽真空并加热至两种塑料带熔点之间的温度，使较低熔点的一种塑料带熔融以使缠绕的塑料带粘接成一个整体。

7.根据权利要求1所述的一种超低温管缠绕成型方法，其特征在于：塑料带使用两台挤出机与一套共挤出模具制备成的高熔点塑料芯层外包覆低熔点塑料皮层的共挤出塑料带；第四步具体步骤则为：缓慢抽真空并加热至芯层和皮层熔点之间的温度，使较低熔点皮层材料熔融以使缠绕的塑料带变成一个整体。