CN1174849C - 聚四氟乙烯管材及其制造用挤压机 - Google Patents

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Abstract

一种制造聚四氟乙烯管材的挤压机，为使以聚四氟乙烯膏状物挤压成型方法制造的管状成型品的偏厚度达到最小限度，作为通过由芯杆(30)和其周围的型孔模(50)所形成的环形部分挤压聚四氟乙烯芯杆具有连接在顶杆上的顶杆结合端部(34)和位于型孔模出口处的型孔模出口端部(36)，芯杆在其两个端部之间具有与芯杆的轴向相垂直的断面面积小于所说两个端部的断面面积的部分。使用该挤压机能够获得偏厚度在15%以下的管材。

Description

聚四氟乙烯管材及其制造用挤压机
技术领域
本发明涉及一种偏厚较小的聚四氟乙烯管材及其制造装置和方法。
背景技术
过去，作为聚四氟乙烯管材的制造方法，膏状物挤压法已经公知。这种方法是：以乳液聚合法获得的聚四氟乙烯(以下，也称作“PTFE”)微细粉末中加入称作挤压辅助剂的适当的有机溶剂以获取膏状物，将该膏状物预制成圆筒状而获得坯料，将该坯料(billet)放入挤压机中，通过压头加压、经模具挤压成管状，之后，通过加热或萃取等方法除去挤压辅助剂，经烧成而最终获得既定的管材(例如，可参照氟树脂手册(1990年，日刊工业新闻社刊，里川孝臣编))。
这种制造方法所使用的压头挤压机，其挤压管材的前端部分的断面示意图如图1所示。挤压机10具有缸体12、主模14以及型孔模16，在由这些部分所形成的空隙18内，与空隙18成同轴地配置有顶杆20以及安装在该顶杆20上的芯杆22。向挤压机的上述空隙内供给坯料，以压头(未图示)从图中的上方向下方进行挤压，从而从型孔模的环形出口24获得管材。从该管材中除去挤压辅助剂并经烧成最终获得既定的管材。
以这种方法制造聚四氟乙烯管状成型品时，需要将顶杆20和芯杆22配置成与由缸体12、主模14以及型孔模16所形成的空隙18的中心轴一致。但是，由于不能在芯杆22端部处的型孔模16的出口24处对其进行支承，因此，芯杆22处于在与之连接的顶杆20的下端部受到单端支承的状态，而顶杆20在上端部受到单端支承。因此，要使芯杆22的中心在型孔模16的出口24的水平附近与型孔模16的中心对准是非常不容易的，实际上，使它们的中心轴实现实质性重合是非常困难的，几乎不可能做到。因此，目前市售的PTFE管材，特别是直径较大的管材(例如内径在10mm以上)，其壁厚存在着很大的分散性。即，从管材的垂直于长度方向的断面来看，存在着管材在径向上的厚度(壁厚)随其径向位置的不同而不同的偏厚现象。
发明的公开
因此，本发明所要解决的问题是使通过对PTFE膏状物进行挤压成型而制造出的管材成型品的偏厚度在最小限度内。
发明人为解决上述问题而进行锐意研究后发现，将芯杆的至少一部分设计成这样的尺寸，即，在挤压时的压力的作用下产生挠曲，可使之具有在挤压机的芯杆的出口处自动进行对心(即使芯杆与型孔模的中心轴重合)的功能，由此，可使上述问题得到解决。
一般来说，在流动的流体中，放置有以一点进行支承的长条状物时，该物体将向阻力最小的方向移动。即，当支承部被可自由旋转地支承时，长条状物在长度方向上趋于与流体的流动相平行，而当支承部受到约束时，长条状物通过自身的挠曲指向阻力最小的方向。发明人发现，若与这种现象相同的现象也能够在PTFE膏状物挤压机内发生，则定位后的芯杆将趋于使阻力为最小，因此，能够与型孔模同心，其结果，能够获得偏厚度被控制在最小限度的PTFE管材。
一般来说，在挤压机内，将顶杆以型孔模出口相反一侧的端部呈与缸体同心的状态进行机械性固定，另一端端部上有芯杆安装在顶杆上。在这种挤压机中，之所以在压头向顶杆的长度方向加压而挤压出的管材出现偏厚现象，是由于即使顶杆被坚固地固定，当因某种原因芯杆发生偏厚(即，不与型孔模同心，例如，芯杆的中心轴相对于型孔模的中心轴发生偏斜)时，这种偏厚被扩大而在型孔模出口侧芯杆的中心相对于型孔模的中心发生相当大的偏移。此时，在所获得的管材中壁厚较薄一侧，芯杆形成沿着压头加压所产生的缸体内树脂整体的流动方向，相对于缸体部原来的中心轴方向小于180度的角度(即，顶杆与芯杆的夹角)。反之，在所获得的管材中壁厚较厚一侧，芯杆形成相对于树脂的流向大于180度的角度(即，顶杆与芯杆的夹角)。
在这种场合下，小于180度的角度将对树脂的流动产生阻力，因此，芯杆将移动以使阻力趋于减小(即，向着靠近型孔模中心轴的方向)。如果，芯杆的移动能够使阻力减小，其结果是在型孔模的出口端部处可使芯杆的中心在实质上向型孔模的中心靠近。即，芯杆向使得偏厚度为最小的方向移动。
例如，在进行挤压操作之前，因某种原因，在型孔模出口附近，芯杆的中心与型孔模的中心偏离的情况下，在型孔模出口附近，芯杆中心能否回到型孔模中心处(即，中心线在一条直线上)或向其靠近，取决于挤压条件下芯杆能否产生挠曲。因此，在本发明中，将挤压机的芯杆的形状做成在进行挤压时能够比现有的芯杆更容易产生挠曲的形状，以此使得芯杆的中心易于回到其周围的型孔模的中心，因此，趋向于使同心度得到提高的状态，更理想的情况是能够达到同心状态，其结果，能够使挤压后的管材的同心度得到提高。
因此，作为第1目的，本发明能够提供一种通过挤压聚四氟乙烯使其通过由芯杆及其周围的型孔模所形成的环形部分而制造聚四氟乙烯管材的挤压机，其特征是，芯杆具有连接在顶杆上的顶杆结合端部和位于型孔模出口处的型孔模出口端部，芯杆在其两个端部之间具有这样的部分，即该部分中垂直于芯杆轴向的断面面积小于所述两个端部的断面面积。
在现有的挤压机中，对芯杆的设计未考虑如上所述的挠曲。为将芯杆连接在挤压机顶杆端部上，芯杆具有直径与顶杆端部的直径实质上相同的一端，并且，还具有直径与所挤压的管材内径实质上相对应的另一端，在上述两个端部之间的部分逐渐从一端的直径过渡到另一端的直径(即，垂直于芯杆轴向的断面面积渐渐增大或减小，或者固定不变)。另外，一般来说，如后述的比较例中所使用的芯杆那样，虽然芯杆具有直径固定不变的部分，但这部分的直径不会小于顶杆的断面或芯杆的型孔模出口端部处断面直径。因此，现有芯杆的形状不外乎是，其两端之间部分的直径或者大于一端的直径而小于另一端的直径，或者与一端的直径相等并与另一端的直径也相等。
而在本发明的挤压机中，其芯杆具有断面小于所述两个端部的部分，其结果，比不具有这部分的现有挤压机的芯杆更容易挠曲。
附图的简单说明
图1是压头挤压机中挤压管材的前端部分的示意性剖视图。
图2是本发明的挤压机中所使用的芯杆(以实施例1的形式使用)的示意性轴向剖视图。
图3是本发明的挤压机中所使用的芯杆(以实施例2的形式使用)的示意性轴向剖视图。
图4是现有挤压机中所使用的芯杆(以比较例1的形式使用)的示意性轴向剖视图。
图5是现有挤压机中所使用的芯杆(以比较例2的形式使用)的示意性轴向剖视图。
附图中，编号10是挤压机，编号12是缸体，编号14是主模，编号16是型孔模，编号18是空隙，编号20是顶杆，编号22是芯杆，编号24是环形出口，编号30是芯杆，编号32是螺纹，编号34是顶杆结合端部，编号36是型孔模出口端部，编号38是顶杆结合部分，编号40是第1过渡部分，编号42是断面减小部分，编号44是第2过渡部分，编号46是整流部分，编号48是通孔，编号50是型孔模，编号52是螺纹部分。
发明的详细说明
本发明的挤压机其一个形式的特征是，按照自顶杆结合端部向型孔模出口端部方向的顺序，由顶杆结合部分、第1过渡部分、断面减小部分、第2过渡部分以及整流部分(各部分中垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形)构成芯杆，各构成部分与相邻接的构成部分之间以相同直径的端部连接成一体，作为与芯杆的轴垂直的断面的面积，断面减小部分要小于顶杆结合部分及整流部分。
顶杆结合部分在连接顶杆时可增加芯杆的强度。通常，在顶杆结合部分上设置具有用来将芯杆与顶杆结合的结合机构的部分(例如带有螺纹的部分)。对于该部分，由于要伸入顶杆内部，因此不作为与断面减小部分的断面面积进行比较的对象。整流部分是用于使被挤压的聚四氟乙烯的流向朝向一定方向(最好是芯杆的轴向)、维持自挤压机挤压出来的管材形状所必需的部分，这两个部分需要具有既定的长度和直径。因此，在选择这些部分的尺寸时，挠曲是第2要素。需要将挠曲作为第1要素加以考虑的部分是断面减小部分，适当地选择这部分的尺寸，使得断面减小部分的可挠曲量成为芯杆可挠曲量的大部分甚至是实质上的全部为宜。
另外，在进行挤压时，在芯杆上施加有很大的力，因此，在决定芯杆的尺寸时，必须采用芯杆不会受到破坏的尺寸。因此，在决定芯杆的尺寸、特别是断面减小部分的长度和直径时，必须对上述破坏加以考虑，在本发明中，芯杆的设计以在不受到破坏的范围内保证挠曲能达到最大为宜。
上述形式中最好的形式是：顶杆结合部分、断面减小部分以及整流部分为圆柱形，第1过渡部分及第2过渡部分分别具有使顶杆结合部分与断面减小部分连接的锥形表面(因此，为圆台形部分)以及使断面减小部分与整流部分连接的锥形表面(因此，为圆台形部分)。此时，断面减小部分的直径最好小于其它部分的直径，例如以顶杆结合部分直径的2/3以下为宜，若为1/2以下则更为适宜，若有可能最好再小一些，而断面减小部分的长度在可能的范围内长一些为宜。
一般来说，挤压机设定之后，芯杆的全长即已决定，顶杆结合部分及整流部分所必需的长度将如上确定，因此，剩下的长度可作为断面减小部分和过渡部分使用。因此，以尽可能减小过渡部分的长度而加大断面减小部分的长度为宜。过渡部分也需要有一定的长度，因而，在许多场合下，断面减小部分的长度在挤压机设定后即已决定了，因此，对断面减小部分的直径进行适当选择是很重要的。
关于上述挠曲，可以下述思路作为指导(该思路不会约束本发明)：
在挤压机上，使顶杆位于挤压机缸体的中央后加以固定，芯杆以其端部被固定在顶杆上，着眼于这一点，可以考虑将芯杆视同为单端梁，上述可挠曲量相应于单端梁的最大挠曲量。
在计算单端梁自由端处的最大挠曲量时，例如可参照标准机械设计图表便览(共立出版株式会社刊，小栗富士雄著，1969年，5-1)，使用下式：
δmax＝(wl4)/(8EI)
(式中，δmax是最大挠曲(cm)，w是单位长度的分散载荷(kg/cm)，l是部件长度(cm)，E是杨氏模量(kg/cm2)，I是断面的惯性矩(cm4)。)
在使单端梁的最大挠曲量与芯杆的可挠曲量形成关联时，受芯杆尺寸影响的有芯杆的断面面积(对应于I)、芯杆的长度(对应于l)以及芯杆的材料(对应于E)。因此，由上式可知，芯杆的可挠曲量与芯杆长度的4次方成正比，而与芯杆的断面面积成反比。虽然芯杆的断面形状(或者直径)沿其轴向发生变化，但芯杆中对可挠曲量影响最大的是断面面积小而长度长的断面减小部分，因此，在本发明的挤压机中，以芯杆、特别是其断面减小部分尽可能细、尽可能长为宜。
由上式可知，芯杆所使用的材料也对可挠曲量有影响，当然以使用杨氏模量小的材料为宜，但在选择芯杆材料上，还需要考虑加工性、耐腐蚀性、强度、价格等各种因素，一般来说，仅以杨氏模量作为优先条件是不妥当的。因此，可以将工业应用的挤压机中所使用的芯杆材料(例如不锈钢(SUS)，表面电镀的铁等)用于本发明的挤压机的芯杆。因此，本发明的挤压机中，芯杆的尺寸变得更为重要。
虽然由芯杆和型孔模形成的环形部分的断面形状以所谓的环形(因此，芯杆和型孔模的断面二者的形状均为圆形)为宜，但只要芯杆和型孔模的断面形状为点对称，也可以是其它形状。例如，芯杆和型孔模也可以是外凸的正多边形和内凹的正多边形(例如象星形那样)，使用这样的型孔模和芯杆能够形成断面为各种环形形状的管材。即使在这种场合下，芯杆在其两个端部之间仍具有与轴向垂直的断面面积小于所述两个端部的断面面积的部分。
第2目的是，本发明提供一种聚四氟乙烯管材的制造方法，该制造方法包括使用以上所述的挤压机对PTFE的例如以乳液聚合法获得的原料进行膏状物挤压而获得管材的工序、以及之后从挤压成的管材中除去辅助剂(例如经萃取、蒸发干燥等)并根据需要进行烧成的工序。PTEF的膏状物挤压是公知的挤压法，对此例如可参照特开昭50-34661号公报、特公昭61-54578号公报等。
使用这种方法时，由于挤压机使用如上所述的较现有挤压机所使用的芯杆更容易挠曲的芯杆，因而，挤压出来的管材的偏厚度降低。因此，经除去辅助剂、烧成而最终获得的聚四氟乙烯管材的偏厚度也降低。
第3目的是，本发明提供以上述方法获得的聚四氟乙烯管材。由本发明的技术思想可知，芯杆的可挠曲量越大，越能够降低管材的偏厚度。例如，当采用后述图2所示的芯杆尺寸时，能够获得现有技术所不能制造的、偏厚度在15％以下、甚至在10％以下的管材。特别是大直径的管材，例如内径在10mm以上、特别是内径在20mm以上的管材，一般也能够做到15％以下的偏厚度。而偏厚度＝((最大壁厚-最小壁厚)/平均壁厚)×100(％)，平均壁厚是指壁厚的平均值。
以本发明获得的这种聚四氟乙烯管材例如可以用作化学药品等的输送管、衬里、编织软管、基材的被覆、收缩管等。例如用来对辊子等基材进行被覆的场合，若将未烧成的管材罩在辊子上然后进行烧成，由于管材收缩而能够与辊子紧密结合。
作为本发明的挤压机所使用的PTFE，可以是以悬浮聚合法获得，也可以是以乳液聚合法获得。由于PTFE具有易取向、易纤维化等优点，因此，以乳液聚合法获得的PTFE微细粉末更为适宜。
此外，本发明的PTFE也可以含有填充剂。作为填充剂可采用诸如碳素粉末、碳素纤维、无机粉末、无机纤维、金属或合金粉末、有机粉末或纤维等。更具体地可列举出：碳黑、碳素纤维、石墨等碳素粉末或纤维、长石、二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铁等氧化物粉末、氮化硅、氮化碳、氮化铝、氮化硼、碳化锆、碳化硅、碳化钨、碳化镍、硫酸锆、硫酸钡、陶土、白土、滑石粉、玻璃珠、玻璃球等无机粉末、玻璃纤维、氧化铝纤维、钛酸钾纤维、二氧化硅纤维等无机纤维、铜合金、氧化锌、二硫化钼、铝、铝合金等金属或合金粉末、全氟烷氧基树脂、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物树脂、聚三氟氯乙烯树脂、聚酰胺-酰亚胺树脂、聚醚砜树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚苯硫醚树脂、聚碳酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯醚树脂、氧苯甲酰聚酯树脂、液晶聚合物等有机粉末或纤维等。这些填充剂是为提高成型品的机械特性(例如耐磨性、抗压强度、耐冷变形性)和电气特性(例如去除静电)等而添加的。这些填充剂的添加量，从保持PTFE成型品的形态考虑，相对于PTFE与填充剂的合计重量为50％重量比以下为宜，最好在30重量比以下。
一般来说，按照本发明的技术思想，容易做到管材的偏厚度在15％以下，通常可以做到10％以下，更好时可达到5％以下。并且，适当选择芯杆所使用的材料(即，抗拉强度高而可使断面减小部分更细更长的材料)及其尺寸，可进一步增大可挠曲量，因而，可使偏厚度进一步降低，可以达到1％或更低的偏厚度。
对于需考虑其强度应满足重复使用要求的(因此，安全裕度)工业实用性芯杆，有时需要优先考虑强度，并选择比较廉价的材料，(即使强度多少差一些)在一定程度上牺牲可挠曲量，另外，还需要考虑市场的需求。从这个意义上来说，本发明管材的偏厚度在1～15％、更好些在2～10％即能够满足要求，对芯杆的设计只要偏厚度能够达到这种程度即可。
实施发明的最佳形式
图2是本发明挤压机的芯杆其一种形式的示意性剖视图。图示的芯杆30，按照自通过例如螺纹32结合在顶杆(未图示)上的顶杆结合端部34到挤压管材(未图示)的型孔模出口端部36的顺序，由顶杆结合部分38(图所示的形式中，芯杆30的顶杆结合端部34上设有用来与顶杆结合的螺纹部分52。与断面减小部分的断面面积的比较不考虑顶杆结合端部34上方的螺纹部分52。)、第1过渡部分40、断面减小部分42、第2过渡部分44以及整流部分46(各部分中垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形)构成，各构成部分通过与相邻构成部分直径相同的端部连接成一体，就芯杆的与轴相垂直的断面的面积而言，断面减小部分42小于顶杆结合部分38和整流部分46。如图所示，过渡部分40和44具有锥形表面，其它部分为圆筒形。断面减小部分42在强度允许的范围内细一些长一些为宜。
另外，图示形式中，芯杆30的中央部形成有通孔48，该通孔48在继挤压之后加热除去管材内辅助剂时作为蒸发的辅助剂的通路(排气孔)使用。本发明中，存在上述通孔的情况下所进行的芯杆断面面积的比较不是圆的面积，实质上是环形部分面积的比较。另外，图中表示出型孔模50中插入芯杆30的状态。图中的斜体数字是芯杆尺寸(mm)的一个例子。
图3与图2同样，是本发明挤压机的芯杆另一种形式的示意性剖视图。图3的芯杆30是用来挤压比图2场合下直径更大的管材(公称外径40mm)的。图3中未示出型孔模。另外，芯杆30内的排气孔48在型孔模出口端部呈扩展形状。
实施例
(实施例1)
在重量为100的聚四氟乙烯微细粉末(F-201，グィキン工业(株)制造)中，作为润滑辅助剂添加重量为21的烃油(ァィソパ-E，ェクソン化学(株)制造)，混合后以25℃放置15小时使之熟化。熟化后，以100mm/min的压头速度加压，以10kgf/cm2保持10分钟而获得圆筒形的坯料。
将该坯料放入缸体内径为90mm、顶杆外径为20mm的挤压机内，将图2所示尺寸的芯杆(SUS304制)安装在顶杆前端，装设出口口径为22.6mm的型孔模，以带状加热器将模具前端加热到60℃，以5mm/min的压头速度进行挤压，从而获得管状预成型体。
将预成型体从常温连续加热到370℃，以干燥方式除去润滑辅助剂，经烧成而获得管状成型品。所获得的成型品的尺寸、偏厚度示于附后的表1。
(实施例2)
使用具有图3所示尺寸的芯杆，除型孔模的出口口径改为49mm之外，其它条件与实施例1相同的条件下获得PTFE管状成型品。所获得的成型品的尺寸、偏厚度示于附后的表1。
(比较例1)
除了使用具有图4所示尺寸的芯杆30之外，其它条件与实施例1相同的条件下获得PTFE管状成型品。图示的芯杆30在从顶杆结合端部34沿轴向朝向型孔模出口端部36方向的10mm之间，直径为固定不变的20mm，之后，朝向整流部分46直径逐渐增加到20.6mm，直径为20.6mm的整流部分延续22mm。所获得的成型品的尺寸、偏厚度示于附后的表1。
(比较例2)
除了使用具有图5所示尺寸的芯杆30之外，其它条件与实施例1相同的条件下获得PTFE管状成型品。所获得的成型品的尺寸、偏厚度示于表1。由图中可知，芯杆30在从顶杆结合端部34沿轴向到型孔模出口端部36的130mm之间，直径为不变的20mm，在之后的在40mm之间，直径逐渐增加到46mm，之后，其直径固定不变。在这种形式的芯杆30中，垂直于轴向的断面的面积在顶杆结合端部34处最小。
表1
                 实施例1    比较例1   实施例2   比较例2
管材尺寸(mm)
外               19.95      19.95     40.73     40.73
平均壁厚         0.965      0.965     1.490     1.490
最大壁厚         0.994      1.089     1.620     1.730
最小壁厚         0.936      0.841     1.510     1.400
偏厚度(％)       6          26        7         22
注：平均壁厚是对任意的数处壁厚进行测量后求其平均值而获得。

Claims (5)

1.一种挤压机，通过挤压聚四氟乙烯使其通过由芯杆及其周围的型孔模所形成的环形部分而制造聚四氟乙烯管材的挤压机，其特征是，芯杆具有连接在顶杆上的顶杆结合端部和位于型孔模出口处的型孔模出口端部，芯杆在其两个端部之间具有这样的部分，即该部分中垂直于芯杆轴向的断面面积小于所述两个端部的断面面积。
2.如权利要求1所述的挤压机，其特征是，按照自顶杆结合端部向型孔模出口端部方向的顺序，由垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形的顶杆结合部分、垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形的第1过渡部分、垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形的断面减小部分、垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形的第2过渡部分以及垂直于芯杆轴向的断面实质上为圆形的整流部分构成芯杆，各构成部分与相邻接的构成部分之间以相同直径的端部连接成一体，作为与芯杆的轴垂直的断面的面积，断面减小部分要小于顶杆结合部分及整流部分。
3.如权利要求2所述的挤压机，芯杆的断面减小部分实质上为圆柱形。
4.一种制造偏厚度在15％以下的聚四氟乙烯管材或者偏厚度在15％以下而且内径至少为10mm的聚四氟乙烯管材的制造方法，其特征是，使用权利要求1～3中任一项所述的挤压机挤压膏状物，以形成聚四氟乙烯管材，之后，除去挤压成的管材中的辅助剂并根据需要进行烧成。
5.一种聚四氟乙烯管材，其特征是，偏厚度在15％以下，或者偏厚度在15％以下且内径至少为10mm，
通过挤压聚四氟乙烯使其通过由芯杆及其周围的型孔模所形成的环形部分而制造聚四氟乙烯管材的挤压机，其中，芯杆具有连接在顶杆上的顶杆结合端部和位于型孔模出口处的型孔模出口端部，芯杆在其两个端部之间具有这样的部分，即该部分中垂直于芯杆轴向的断面面积小于所述两个端部的断面面积，使用所述的挤压机挤压膏状物，以形成聚四氟乙烯管材，之后，除去挤压成的管材中的辅助剂并根据需要进行烧成的方法而制造。
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