CN114536708B - 一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法 - Google Patents

一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法，通过对多级温控锥形取向装置(7)多级扩胀结构及多级温控单元的构建、芯棒(6)水平稳定定位结构的设计、多级温控锥形取向装置(7)表面高耐磨自润滑防腐纳米复合涂层的制作及双轴取向管材连续加工成型方法的建立，实现结晶性聚合物管材管壁分子同时沿环向和轴向发生均匀、稳定的高度取向，进而同步提升管材沿两个方向的力学强度，大幅改善管材耐压性能。

Description

一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法
技术领域
本发明属于塑料管管材生产、加工设备领域，涉及一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法。
背景技术
聚合物管材综合性能优异，广泛用于建筑给排水、燃气输送、电工电讯防护及农业灌溉等领域。目前，市场上已获得应用的聚合物管材主要有聚乙烯(PE)管、聚氯乙烯(PVC)管、聚丙烯(PP)管、聚丁烯(PB)管及丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)管等，其中以PE、PP及PB管为代表的结晶性聚合物管材在各种管材中所占比例达50％以上，且占有率呈逐年增长的态势。
在水/气输配领域，随管网输送压力增大、管道口径增加及对管网安全性要求的日益提高，对聚合物管材的耐压强度提出了更高要求。为此，PE、PP等结晶性聚合物管材专用原料的聚合技术已经历了长达数十年的发展，利用分子结构调控及聚合技术发展提升管材性能的相关研究已达较为完善的水平。诸多研究者还围绕该类聚合物管原料复合增强改性及多层复合管件加工技术开展了大量的研究工作，使其管道耐压强度得以进一步提升，如CN201910480309.8在PE管材原料中添加高密度聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳基复合材料、纳米硼纤维等增强填料，所制备的复合管材耐压强度可提升32％；CN202010098171.8采用多层钢丝缠绕工艺制备了内外管之间具有交错缠绕钢丝网格状增强结构的三层PE复合管，其具有高强、高耐压、耐腐蚀等优点；CN201620102483.0制备了一种由外到内依次为PPR层、玻纤增强层及PE内层的多层复合管材，显著提升了管材的耐压性能。由此可知，除聚合改性外，目前对于结晶性聚合物管材的增强改性主要采用在管原料中添加增强填料或在管材加工成型过程中形成纤维/钢丝缠绕层及金属衬层等方法，虽可使管材抗压性能得到一定提升，但增强填料、增强缠绕层及内衬层的引入使管材增重严重，且存在废旧管道回收分离困难等问题，限制了其更为广泛的应用。
发明内容
结晶性聚合物的取向自增强是应用特殊的成型方法使材料内部大分子沿一定方向有序排列或形成取向结晶，从而获得内在增强效应，不存在外增强体系普遍存在的界面问题及密度增高问题，可赋予材料更加优异的高强、轻质特性。为此，本发明的目的是针对现有技术的不足，设计构建了双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型的装置及方法，本发明的方法将轴向拉力施加于受热的固相聚合物管坯上，使管坯通过横截面积与坯料横截面积不同的口模及芯轴，迫使管壁不仅沿轴向延伸且沿径向扩胀，促使管壁分子同时形成沿环向及轴向方向的分子运动与取向，构成偏离轴向的双向取向结晶结构，同时由于固相加工可有效限制大分子松弛行为，因此可实现较熔体加工更为高效的对取向结构的定构作用，大幅度提升管材环向/轴向强度及耐压强度。
由于在固相口模拉伸扩径过程中，随管材直径逐渐扩大，结晶性聚合物管壁分子链取向程度与结晶度不断增大，大量结晶相的形成导致管壁分子受限作用增强，管壁变形能力减弱，管坯扩径困难，为此本发明设计了具有多级扩胀结构及多级温控单元的取向装置，以分段调控扩径取向温度等工艺条件，实现对管材管径的分阶段柔性扩胀。此外，考虑到具有单悬臂结构的芯棒长度较长、易悬垂而难以水平定位，设计了具有磁性的取向装置，通过两者之间形成的均匀的磁吸力场可实现芯棒与多级温控锥形取向装置的水平稳定定位，保持连续加工装置的同轴同心性。为进一步减小管坯扩径阻力，在多级温控锥形取向装置的表面还构筑了高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层，有利于扩径顺利进行。本发明的目的由以下技术措施实现：
·本发明提供一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置
1、一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置，其特征在于，包括沿管材牵伸方向依次设置的管材挤出机(1)、挤出机头(2)、一级冷却定径箱(3)、第一牵引机(4)、再加热环境箱(5)、芯棒(6)、多级温控锥形取向装置(7)、二级冷却定径箱(8)、第二牵引机(9)；
其中，所述挤出机头(2)设有挤出口模和挤出芯模；所述多级温控锥形取向装置(7)可对经过一级冷却定径后的管材进行扩径处理，该多级温控锥形取向装置(7)设有多级温控锥形取向口模(71)和多级温控锥形取向芯模(72)，该多级温控锥形取向口模(71)设置在多级温控锥形取向芯模(72)的外部，多级温控锥形取向口模(71)的内壁与多级温控锥形取向芯模(72)的外壁之间存在间隙，该间隙宽度即为扩径时管材的壁厚；所述芯棒(6)一端固定于挤出芯模，另一端与多级温控锥形取向芯模(72)连接；
该多级温控锥形取向口模(71)为一中空体，所述多级温控锥形取向口模的内径沿着管材牵伸方向逐级变大，所述多级温控锥形取向芯模为一锥体，所述多级温控锥形取向芯模沿着管材牵伸方向径向宽度逐级变大；
所述多级温控锥形取向口模(71)与多级温控锥形取向芯模(72)均具有由圆台段与圆柱段交替排列而构成的多级扩胀结构，圆台锥度为30～60°，每段圆台段与圆柱段内均设置独立的加热及温控单元，可实现对多级温控锥形取向口模(71)和芯模(72)温度的多级调控；
所述多级温控锥形取向口模(71)与多级温控锥形取向芯模(72)的圆柱段均由磁性材料制成，且该多级温控锥形取向口模(71)的内壁与多级温控锥形取向芯模(72)的外壁磁性相反，形成均匀的磁吸力场以实现芯棒(6)和多级温控锥形取向芯模(72)的水平稳定定位。
所述多级温控锥形取向口模(71)的内表面和多级温控锥形取向芯模(72)的外表面均喷涂有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层，其制备方法如下：
将0.1-20份部分氟化氧化石墨烯加入500-1000份的N,N-二甲基甲酰胺中，于50-120℃下超声分散20-90min，超声波功率为100-5000W，然后加入0.5-100份的二异氰酸酯和0.05-1份的催化剂1，再次超声分散1-10h；随后用N,N-二甲基甲酰胺抽滤清洗以去除物理吸附的二异氰酸酯，所得的官能化氟化石墨烯在真空烘箱中于100℃下干燥24h；进一步称取1-20份大分子多元醇，于100-150℃真空脱水2-6h，降温至50-100℃，加入0.5-10份官能化氟化石墨烯，超声分散20-90min，超声波功率为100-5000W，然后加入5-30份二异氰酸酯，搅拌反应1-5h，再加入5-30份聚四氟乙烯微粉，搅拌均匀，加入200#溶剂油，继续反应1-5h；随后抽真空并升温至100-150℃，加入1-5份潜固化剂、0.05-1份催化剂2，搅拌反应0.5-2h，冷却至60℃以下出料，获得高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料。
其中，所述二异氰酸酯为4,4’－二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、1,5-萘二异氰酸酯(NDI)、对苯二异氰酸酯(PPDI)、1,4-环己烷二异氰酸酯(CHDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)中的至少一种；
所述大分子多元醇为端羟基聚己二酸乙二醇酯(PEA)、端羟基聚己内酯(PCL)、端羟基聚己二酸己二醇酯(PHA)、端羟基聚己二酸丁二醇酯(PBA)、聚四亚甲基醚二醇(PTHF)、聚丙二醇中的至少一种，其平均分子量均为500-3000；
所述潜固化剂为3-羟乙基-1,3-噁唑烷、2-异丙基-3-羟乙基-1,3-噁唑烷、酮亚胺型潜固化剂、醛亚胺型潜固化剂中的至少一种；
所述催化剂1为辛酸亚锡、硫醇二辛基锡、二月桂酸二丁基锡中的至少一种；
所述催化剂2为三亚乙基二胺、N-甲基吗啉、三乙胺、辛酸亚锡、硫醇二辛基锡、二月桂酸二丁基锡中的至少一种。
将多级温控锥形取向口模(71)的内表面与多级温控锥形取向芯模(72)的外表面用砂纸打磨，以除去其表面的氧化层，然后用丙酮除去其表面的油污，自然晾干；用喷枪将上述制备的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料均匀喷涂到其表面，涂层厚度为0.3-2mm，随后在23℃、相对湿度50％的标准试验条件下放置1-5天，获得表面具有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的多级温控锥形取向口模(71)和多级温控锥形取向芯模(72)。
·本发明提供一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型方法
该加工成型方法采用上述的双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置，该方法包括：首先采用管材挤出机(1)挤出具有较大壁厚的聚合物管坯料，该管坯料在第一牵引机(4)的牵引作用下经一级冷却定径箱(3)冷却定径，随后经再加热环境箱(5)使之温度升高至扩径温度，再在第二牵引机(9)的牵引作用下通过多级温控锥形取向装置(7)按一扩径比扩径得到一管材，该管材管径变大，管壁变薄，经二级冷却定径箱(8)冷却定径后获得双轴取向结晶性聚合物管材；
其中，所述聚合物管材的原料为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯中的一种；
所述再加热环境箱(5)的温度设定为结晶性聚合物管材原料熔点以下20～70℃；
所述多级温控锥形取向装置(7)的温度范围为结晶性聚合物管材原料熔点以下10～50℃，且沿其直径逐渐增大的方向每段圆台段与圆柱段的温度依次升高2～10℃；
所述第一牵引机(4)与第二牵引机(9)的牵引速率比为1:1.05～1:3；
该扩径比为1.05～3。
双轴取向结晶性聚合物管材性能：
本发明所制备的双轴取向结晶性聚合物管材，其耐压强度可较同材质/壁厚/管径的常规管材提高50～120％。
本发明具有如下优点
本发明提供了一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法，具有如下特点：
·本发明将管材固相口模拉伸装置与管材挤出设备进行有机结合，通过调控结晶性聚合物的聚集态结构，在线实现聚合物管材沿轴向及环向的双向自增强，大幅提升管材耐压强度。一方面本发明的方法可直接形成双轴取向结晶性聚合物管材生产线，实现自增强管材规模化连续加工成型；另一方面，本发明无需在管原料中外加玻纤等外增强填料，不存在增重(密度增大)或普遍存在的界面问题，可赋予管材更为优异的轻质高强特性；此外，结晶性聚合物管材管壁分子受迫取向运动发生在固相状态，可有效限制大分子的松弛行为，从而实现较熔体取向加工更为高效的定构与
增强作用；
·本发明的多级温控锥形取向装置(7)设有的多级温控锥形口模(71)与多级温控锥形芯模(72)具有由圆台段与圆柱段交替构成的多级扩胀结构，当管坯每经过一截较短圆台段而被扩胀至一定直径后，即进入随后的圆柱段，这一过程可有效释放扩径后管壁内部形成的内应力，降低管材与芯模(72)间的抱紧力，有利于实现对管材管径的分阶段柔性扩胀；
·本发明的多级温控锥形取向装置(7)设有的多级温控锥形取向口模(71)与多级温控锥形取向芯模(72)的每段圆台段与圆柱段内均设置独立的加热及温控单元，具有多级温度调控功能，且在对结晶性聚合物管材进行扩径时，设置每段圆台段与圆柱段的温度沿其直径逐渐增大的方向逐步升高，则可通过逐步活化分子链段、逐渐增强链段运动能力的方式减弱扩径过程中管壁分子由于取向与结晶程度增加而导致的分子链运动受限作用增强的现象，防止管坯在扩径过程中由于变形能力减弱而引起的提前破坏问题，减少生产过程中的废品率，提高管材扩径比，大幅提升管壁分子取向程度，显著改善管材耐压性能；
·本发明的多级温控锥形取向装置(7)设有的多级温控锥形取向口模(71)与多级温控锥形取向芯模(72)的圆柱段均由磁性材料制成，且多级温控锥形取向口模(71)的内壁与多级温控锥形取向芯模(72)的外壁磁性相反，可通过两者间形成的均匀的磁吸力场实现芯棒(6)远端和多级温控锥形取向芯模(72)的水平定位，解决大悬臂芯棒(6)的远端下垂问题，有利于获得具有均匀壁厚的聚合物管材；
·本发明的多级温控锥形取向口模(71)的内表面和多级温控锥形取向芯模(72)的外表面均涂覆有聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层，在管材扩径过程中可在管壁与多级温控锥形取向装置(7)之间形成耐久润滑层，减小管材的扩径阻力，有利于扩径顺利进行；
·本发明制备的聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层具有以下特点：聚氨酯涂料具有良好的防腐蚀性、低温柔性和耐磨性，且对钢材等金属材料附着力强；聚四氟乙烯树脂具有优异的低摩擦、耐高低温及耐腐蚀性能，是性能优异的减摩功能材料；所采用的氟化氧化石墨烯兼具石墨烯优异的抗渗透性、高的热稳定性、化学稳定性和抗摩擦性、及含氟材料特性，并与聚四氟乙烯具有较好相容性；在其表面进一步引入二异氰酸酯基团进行官能化，有利于其参与聚氨酯基体的原位聚合反应，增强其与聚氨酯基体的界面相互作用，因而官能化氟化石墨烯对聚氨酯/聚四氟乙烯复合体系可发挥偶联桥接作用，有效改善复合涂层各组分的相容性，大幅提升涂层力学强度、耐磨自润滑性、防腐性等综合性能。
附图说明
图1为本发明设计构建的双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置的示意图。
图中标记为：1-管材挤出机，2-挤出机头，21-挤出芯模,3-一级冷却定径箱，4-第一牵引机，5-再加热环境箱，6-芯棒，7-多级温控锥形取向装置，71-多级温控锥形取向口模，72-多级温控锥形取向芯模，73-圆台段，74-圆柱段,8-二级冷却定径箱，9-第二牵引机。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
参照图1，双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置包括沿牵伸方向依次设置的管材挤出机1、挤出机头2、一级冷却定径箱3、第一牵引机4、再加热环境箱5、芯棒6、多级温控锥形取向装置7、二级冷却定径箱8、第二牵引机9。其中，挤出机头2设有挤出口模和挤出芯模21；多级温控锥形取向装置7设有多级温控锥形取向口模71和多级温控锥形取向芯模72，该多级温控锥形取向口模71设置在多级温控锥形取向芯模72的外部，两者之间的间隙即为扩径管材的壁厚；芯棒6一端固定于挤出芯模21，另一端与多级温控锥形取向芯模72连接。所述多级温控锥形取向口模71与多级温控锥形取向芯模72均具有由圆台段73与圆柱段74交替构成的多级扩胀结构，其每段圆台段73与圆柱段74内均设置独立的加热及温控单元，两者圆柱段74均由磁性材料制成，且对应面磁性相反。多级温控锥形取向口模71内表面与多级温控锥形取向芯模72外表面均喷涂有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层。
该多级温控锥形取向口模71为一中空体，所述多级温控锥形取向口模的内径沿着管材牵伸方向逐级变大，所述多级温控锥形取向芯模为一锥体，所述多级温控锥形取向芯模沿着管材牵伸方向径向宽度逐级变大；该实施例中管材挤出机1为双螺杆型，螺杆直径为65mm，螺杆长径比为33:1；一级冷却定径箱3冷却定径方式为真空喷淋，定径套内径为63mm；第一牵引机4为三爪履带牵引机；再加热环境箱5加热方式为热空气加热；每一级扩胀结构包括一圆台段与一圆柱段，于本实施例中，多级温控锥形取向装置7为由所述圆台段73与圆柱段74交替排列而构成该3级扩胀结构；其圆台段73锥度为50°，多级温控锥形取向芯模72外径最大处为102mm；二级冷却定径箱8冷却定径方式为真空喷淋；第二牵引机9为四爪履带牵引机。
多级温控锥形取向口模71内表面及多级温控锥形取向芯模72外表面的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的制备过程为：将2份部分氟化氧化石墨烯加入到500份N,N-二甲基甲酰胺中，于80℃下超声分散60min，超声波功率为2000W，然后加入10份4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和0.2份辛酸亚锡，再次超声分散1h；随后用N,N-二甲基甲酰胺抽滤清洗以去除物理吸附的异氰酸酯，所得的官能化氟化石墨烯在真空烘箱中于100℃下干燥24h；称取10份端羟基聚己二酸乙二醇酯，于120℃真空脱水4h，降温至70℃，加入2份官能化氟化石墨烯，超声分散90min，超声波功率为2000W，然后加入10份4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，搅拌反应4h，再加入10份聚四氟乙烯微粉，搅拌均匀，加入200#溶剂油，继续反应4h；然后抽真空并升温至120℃，加入2份3-羟乙基-1,3-噁唑烷、0.2份三亚乙基二胺，搅拌反应1h，冷却至60℃以下出料，获得高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料；将多级温控锥形取向口模71内表面与多级温控锥形取向芯模72外表面用砂纸打磨，以除去其表面的氧化层，然后用丙酮除去其表面的油污，自然晾干；用喷枪将上述制备的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料均匀喷涂到其表面，涂层厚度为0.5mm，随后在23℃、相对湿度50％的标准试验条件下放置5天，获得表面具有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的多级温控锥形取向口模71及多级温控锥形取向芯模72。
利用本发明的装置进行双轴取向聚乙烯管材的连续加工成型，其方法为：首先采用管材挤出机1挤出管坯料，管坯料在第一牵引机4的牵引作用下经一级冷却定径箱3冷却定径形成外径为63mm，壁厚为10mm的管坯，随后经温度为100℃的再加热环境箱5使管坯温度升高，再在第二牵引机9的牵引作用下使其通过多级温控锥形取向装置7，第一牵引机4与第二牵引机9的牵引速率比为1:1.2。所述多级温控锥形取向装置7的每段圆台段73与圆柱段74的温度沿锥形取向芯模直径逐渐增大的方向依次设置为100℃、102℃、104℃、106℃、108℃、110℃，之后管材管径变大，管壁变薄，经二级冷却定径箱8冷却后获得直径为110mm的双轴取向聚乙烯管材，其相对于管坯扩径比为1.74。
实施例2
再参照图1双轴取向聚丙烯管材连续加工成型装置包括沿牵伸方向依次设置的管材挤出机1、挤出机头2、一级冷却定径箱3、第一牵引机4、再加热环境箱5、芯棒6、多级温控锥形取向装置7、二级冷却定径箱8、第二牵引机9。其中，挤出机头2设有挤出口模和挤出芯模21；多级温控锥形取向装置7设有多级温控锥形取向口模71和多级温控锥形取向芯模72，该多级温控锥形取向口模71设置在多级温控锥形取向芯模72的外部，两者之间的间隙即为扩径管材的壁厚；芯棒6一端固定于挤出芯模，另一端与多级温控锥形取向芯模72连接。所述多级温控锥形取向口模71与多级温控锥形取向芯模72均具有由圆台段73与圆柱段74交替构成的多级扩胀结构，其每段圆台段73与圆柱面内均设置独立的加热及温控单元，两者圆柱段74均由磁性材料制成，且对应面磁性相反。多级温控锥形取向口模71内表面与多级温控锥形取向芯模72外表面均喷涂有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层。
该实施例中管材挤出机1为双螺杆型，螺杆直径为65mm，螺杆长径比为33:1；一级冷却定径箱3冷却定径方式为真空喷淋，定径套内径为63mm；第一牵引机4为三爪履带牵引机；再加热环境箱5加热方式为热空气加热；多级温控锥形取向装置7为由圆台段73与圆柱段74交替构成的五级扩胀结构，每一级扩胀结构包括一圆台段与一圆柱段，所述圆台段与圆柱段交替排列而构成该多级扩胀结构；每一其圆台段73锥度为40°，多级温控锥形取向芯模72外径最大处为130mm；二级冷却定径箱8冷却定径方式为真空喷淋；第二牵引机9为四爪履带牵引机。
多级温控锥形取向口模71内表面及多级温控锥形取向芯模72外表面的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的制备过程为：将10份部分氟化氧化石墨烯加入到1000份N,N-二甲基甲酰胺中，于100℃下超声分散90min，超声波功率为4000W，然后加入50份甲苯二异氰酸酯和0.2份硫醇二辛基锡，再次超声分散2h；随后用N,N-二甲基甲酰胺抽滤清洗以去除物理吸附的异氰酸酯，所得的官能化氟化石墨烯在真空烘箱中于100℃下干燥24h；称取15份端羟基聚己二酸丁二醇酯，于80℃真空脱水6h，降温至60℃，加入5份官能化氟化石墨烯，超声分散90min，超声波功率为4000W，然后加入10份甲苯二异氰酸酯，搅拌反应3h，再加入20份聚四氟乙烯微粉，搅拌均匀，加入200#溶剂油，继续反应5h；然后抽真空并升温至120℃，加入3份酮亚胺型潜固化剂、0.6份三乙胺，搅拌反应2h，冷却至60℃以下出料，获得高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料；将多级温控锥形取向口模71内表面与多级温控锥形取向芯模72外表面用砂纸打磨，以除去其表面的氧化层，然后用丙酮除去其表面的油污，自然晾干；用喷枪将上述制备的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料均匀喷涂到其表面，涂层厚度为1mm，随后在23℃、相对湿度50％的标准试验条件下放置5天，获得表面具有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的多级温控锥形取向口模71及多级温控锥形取向芯模72。
利用本发明的装置进行双轴取向聚丙烯管材的连续加工成型，其方法为：首先采用管材挤出机1挤出管坯料，管坯料在第一牵引机4的牵引作用下经一级冷却定径箱3冷却定径形成外径为63mm，壁厚为10mm的管坯，随后经温度为110℃的再加热环境箱5使管坯温度升高，再在第二牵引机9的牵引作用下使其通过多级温控锥形取向装置7，第一牵引机4与第二牵引机9的牵引速率比为1:1.5。所述多级温控锥形取向装置7的每段圆台段73与圆柱段74温度沿锥形取向芯模直径逐渐增大的方向依次设置为120℃、123℃、126℃、129℃、132℃、135℃、138℃、141℃、144℃、147℃，之后管材管径变大，管壁变薄，经二级冷却定径箱8冷却后获得外径为140mm的双轴取向聚丙烯管材，其相对于管坯扩径比为2.22。

Claims (4)

1.一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置，其特征在于，包括沿管材牵伸方向依次设置的管材挤出机（1）、挤出机头（2）、一级冷却定径箱（3）、第一牵引机（4）、再加热环境箱（5）、芯棒（6）、多级温控锥形取向装置（7）、二级冷却定径箱（8）、第二牵引机（9）；
其中，所述挤出机头（2）设有挤出口模和挤出芯模（21）；所述多级温控锥形取向装置（7）可对经过一级冷却定径后的管材进行扩径处理，该多级温控锥形取向装置（7）设有多级温控锥形取向口模（71）和多级温控锥形取向芯模（72），该多级温控锥形取向口模（71）设置在多级温控锥形取向芯模（72）的外部，多级温控锥形取向口模（71）的内壁与多级温控锥形取向芯模（72）的外壁之间存在间隙，该间隙宽度即为扩径时管材的壁厚；所述芯棒（6）一端固定于挤出芯模（21），另一端与多级温控锥形取向芯模（72）连接；
该多级温控锥形取向口模（71）为一中空体，所述多级温控锥形取向口模的内径沿着管材牵伸方向逐级变大，所述多级温控锥形取向芯模为一锥体，所述多级温控锥形取向芯模沿着管材牵伸方向径向宽度逐级变大；
所述多级温控锥形取向口模（71）与多级温控锥形取向芯模（72）均具有由圆台段与圆柱段交替排列而构成的多级扩胀结构，圆台锥度为30~60o，每段圆台段与圆柱段内均设置独立的加热及温控单元，可实现对多级温控锥形取向口模（71）和多级温控锥形取向芯模（72）温度的多级调控；
所述多级温控锥形取向口模（71）与多级温控锥形取向芯模（72）的圆柱段均由磁性材料制成，且该多级温控锥形取向口模（71）的内壁与多级温控锥形取向芯模（72）的外壁磁性相反，形成均匀的磁吸力场以实现芯棒（6）和多级温控锥形取向芯模（72）的水平稳定定位。
2.如权利要求1所述的一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置，其特征在于，所述多级温控锥形取向口模（71）的内表面和多级温控锥形取向芯模（72）的外表面均具有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层。
3.如权利要求2所述的一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置，其特征在于，所述多级温控锥形取向口模（71）内表面与多级温控锥形取向芯模（72）外表面的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的制备包括以下步骤：
（i）将0.1-20份部分氟化氧化石墨烯加入500-1000份的N, N-二甲基甲酰胺中，于50-120 ℃下超声分散20-90 min，然后加入0.5-100份的二异氰酸酯和0.05-1份的催化剂1，再次超声分散1-10 h；随后用N, N-二甲基甲酰胺抽滤清洗以去除物理吸附的二异氰酸酯，所得的官能化氟化石墨烯在真空烘箱中于100 ℃下干燥24 h；进一步称取1-20份大分子多元醇，于100-150 ℃真空脱水2-6 h，降温至50-100 ℃，加入0.5-10份官能化氟化石墨烯，超声分散20-90 min，然后加入5-30份二异氰酸酯，搅拌反应1-5 h，再加入5-30份聚四氟乙烯微粉，搅拌均匀，加入200#溶剂油，继续反应1-5 h；随后抽真空并升温至100-150 ℃，加入1-5份潜固化剂、0.05-1份催化剂2，搅拌反应0.5-2 h，冷却至60 ℃以下出料，获得高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料；
其中，所述二异氰酸酯为4, 4’－二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、1,5-萘二异氰酸酯（NDI）、对苯二异氰酸酯（PPDI）、1,4-环己烷二异氰酸酯（CHDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）中的至少一种；
所述大分子多元醇为端羟基聚己二酸乙二醇酯（PEA）、端羟基聚己内酯（PCL）、端羟基聚己二酸己二醇酯（PHA）、端羟基聚己二酸丁二醇酯（PBA）、聚四亚甲基醚二醇（PTHF）、聚丙二醇中的至少一种，其平均分子量均为500-3000；
所述潜固化剂为3-羟乙基-1, 3-噁唑烷、2-异丙基-3-羟乙基-1, 3-噁唑烷、酮亚胺型潜固化剂、醛亚胺型潜固化剂中的至少一种；
所述催化剂1为辛酸亚锡、硫醇二辛基锡、二月桂酸二丁基锡中的至少一种；
所述催化剂2为三亚乙基二胺、N-甲基吗啉、三乙胺、辛酸亚锡、硫醇二辛基锡、二月桂酸二丁基锡中的至少一种；
（ii）将多级温控锥形取向口模（71）的内表面与多级温控锥形取向芯模（72）的外表面用砂纸打磨，以除去其表面的氧化层，然后用丙酮除去其表面的油污，自然晾干；用喷枪将上述制备的高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂料均匀喷涂到其表面，涂层厚度为0.3-2 mm，随后在23 ℃、相对湿度50%的标准试验条件下放置1-5天，获得表面具有高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层的多级温控锥形取向口模（71）及多级温控锥形取向芯模（72）。
4.一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型方法，其特征在于，该加工成型方法采用如权利要求1-3任一所述的双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置，该方法包括：首先采用管材挤出机（1）挤出具有较大壁厚的聚合物管坯料，该管坯料在第一牵引机（4）的牵引作用下经一级冷却定径箱（3）冷却定径，随后经再加热环境箱（5）使之温度升高至扩径温度，再在第二牵引机（9）的牵引作用下通过多级温控锥形取向装置（7）按一扩径比扩径得到一管材，该管材管径变大，管壁变薄，经二级冷却定径箱（8）冷却定径后获得双轴取向结晶性聚合物管材；
其中，所述聚合物管材的原料为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯中的一种；
所述再加热环境箱（5）的温度设定为结晶性聚合物管材原料熔点以下20~70 ℃；
所述多级温控锥形取向装置（7）的温度范围为结晶性聚合物管材原料熔点以下10~50℃，且沿其直径逐渐增大的方向每段圆台段与圆柱段的温度依次升高2~10 ℃；
所述第一牵引机（4）与第二牵引机（9）的牵引速率比为1:1.05~1:3；
该扩径比为1.05~3。
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