CN1221675A - 自增强塑料管材的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的自增强塑料管材挤出成型方法和根据该方法设计的装置,其技术特点是在普通的挤出成型装置的基础上,设计了特殊结构的机头使之在挤出成型过程中,通过芯棒与口模的相对旋转产生剪切作用,使塑料熔体的大分子链沿管周向取向,同时,对取向的熔体逐渐进行冷却定型,生成特殊的凝聚态结构,获得管周向强度大大提高的纯塑料自增强管材。本发明方法简单易行,装置结构简单,工艺条件缓和,控制简便,可方便地进入工业化生产,且适用范围广。

Description

自增强塑料管材的制备 方法及装置

本发明涉及塑料加工技术领域，具体为自增强塑料管材的制备方法及装置，该方法及装置特别适用于热塑性塑料。

目前世界上塑料自增强的方法主要有固相挤出、超级拉伸、高压注塑和挤出自增强等，这些方法用于挤出管材是不恰当的，因为它只能在形变方向(即轴向)产生增强效果，而在垂直于形变方向，其性能不仅没有提高反而会有不同程度的下降，这种强度分配对于输送压力流体的管材非常不合理。根据输送压力流体管材的单元体受力分析可知，其σ周=2σ轴，即周向应力为轴向应力的两倍。而轴向增强管在受内压时应力最大的周向正好是其强度最弱的方向，再加上挤出中由于芯棒支架的存在，管壁上产生的沿轴向的熔接缝，进一步降低了管材的承压力，因而用来输送压力流体，尤其是压力高的流体时材料的优良性能不能充分地利用。

针对这一问题，国外学者就如何增加管材周向强度进行了大量的研究工作，但均未取得突破性进展。如英国UMIST的Dr.EI sobky利用一对伞齿轮驱动芯棒旋转(见附图1)，在挤出过程中通过其剪切作用，提高了含20％玻纤聚丙烯管的周向强度，但文献中未见其对纯聚丙烯料有周向自增强效果的报导(Eureka Transfer Technology P25)；美国IBM Almaden Research Center的Zachariades也利用旋转芯棒在附图2所示的口模中，进行了纯聚乙烯管周向自增强的研究，只获得了部分分子链沿周向取向的结论，管周向强度没有明显改善(A.E.Zachariades,Bin Chung,Advances in polymer Tech.1987,7:4)；英国Brunel大学的Bevis教授利用SCOREX(Shear Controlled Orientation in Extrusion)技术显著提高了玻纤增强聚丙烯管的周向强度(见附图3)(plastics,Rubber and CompositesProcessing and Applications 16(1991)133-137)。其原理是利用四个活塞的推拉运动使熔体沿芯棒周向流动并导致玻纤沿周向取向。Bevis用该装置将玻纤聚丙烯管的周向强度由普通挤出的20Mpa提高到了33Mpa。但该装置被用于挤纯聚丙烯料时，并没有起到任何自增强作用。

本发明者对上述研究情况从理论上进行了仔细的分析，找出了其失败的共同原因是：采用了熔体挤出口模后再进行冷却定型的传统挤出成型方法。在这种方法中，分子已取向的管坯离开剪切力场时仍处于高温粘流态，分子极易松弛和解取向，只有玻纤增强管中取向玻纤的解取向较困难，玻纤取向才得以保存到制品中。

本发明的目的之一是获得一种塑料自增强管材；

本发明的目的之二是提供一种制备塑料自增强管材的方法；

本发明的目的之三是提供一种制备聚烯烃自增强管材的方法；

本发明的目的之四是提供一种根据上述目的设计的挤出成型装置，该装置结构简单、制作容易、成本低，具有良好的应用前景。

为了达到本发明的首要目的，可采取这样一种技术解决方案，即在管材的挤出成型过程中，通过芯棒相对于口模旋转产生剪切作用使大分子链沿管周向取向，并立即对大分子链的周向取向固定。

要实现聚合物大分子链沿管周向取向，还可通过口模相对于芯棒旋转产生的剪切作用达到。

本发明的第二、三个目的则是通过以下技术方案达到的：即对挤出成型区段中已经形成的沿管周向取向的熔体逐渐进行冷却，这种冷却可以是逐渐无级的，也可以是分段有级的，但只要在口模区段将冷却温度场的温度控制为：进口端为该种塑料的最佳加工温度，出口端降至该种塑料的软化点以下，就可使熔体大分子链的取向固定下来。挤出成型区段的其它工艺条件控制为：芯棒或口模的转速为3～50转/分；模具分流主板温度为该种塑料的最佳加工温度；挤出压力为2～30兆帕。

为了使上述方法得以应用，也为了达到本发明的最后一个目的，本发明提供的挤出成型装置的技术解决方案包括挤出机、引料接头、模具分流主板、口模、芯棒、密封组件、轴承及轴承座、芯棒驱动机构和定型牵引机构。模具分流主板通过引料接头与挤出机相连。口模固定于模具分流主板上，其壁内开有冷却介质通道，通道外壁上有冷却介质进、出口，可通入冷却介质对挤出成型的熔体管材进行冷却定型。为了控制口模区段的冷却温度，口模的外表面装有加热控温装置。芯棒由轴承及轴承座支撑，前部位于口模模腔中，轴承座与模具分流主板的连接处由装配的密封组件密封，以防止熔体沿芯棒回流泄漏进轴承座中。芯棒后端与芯棒驱动机构相连。定型牵引机构位于口模出口前方。

使用时，聚合物经挤出机熔融挤出后，由引料接头引入模具分流主板，然后分成上下两股进入口模模腔，芯棒在驱动机构带动下，在模腔熔体中旋转产生剪切，使大分子链沿周向取向。同时口模通过调节冷却介质流量和加热控温装置来调控温度，以对不同品种、不同熔点聚合物逐渐进行冷却定型，使取向的大分子生成高强度凝聚态结构，使管材周向强度大大提高。

附图说明：

图1为英国UMIST的挤出成型装置局部结构剖视图；

图2为美国IBM的挤出成型装置局部结构简图；

图3为英国Bevis的挤出成型装置局部结构剖视图；

图4为本发明提供的自增强塑料管材挤出成型装置部份结构简图；

图5为本发明装置中一种口模形式的剖视结构及连接示意图；

图6为本发明装置中芯棒的剖视结构示意图。

下面结合附图给出实施例并对本发明进行详述。

实施例一：

本例为芯棒相对于口模旋转的自增强塑料管材挤出成型装置的实施例。

该装置主要包括挤出机、引料接头、模具分流主板1、口模2、芯棒9、密封组件19、轴承及轴承座20、芯棒驱动机构和定型牵引机构，如图4所示。因本装置采用的是直角式挤出机头，故挤出机和引料接头图中未画出。

挤出机为螺杆挤出机，本实施例采用单螺杆挤出机，其经引料接头与模具分流主板1相连。模具分流主板1上安装有压力传感器探头，用以监测模腔中熔体29压力，以便根据需要调整。

口模2安装在模具分流主板1出口一侧，根据对熔体29冷却速度和方式的要求，口模2可由一段或两段或两段以上组合构成。当冷却采用逐渐无级的方式调温时，口模2为一段。当冷却采用分段有级调温时，口模2就为两段或两段以上组合构成。从冷却效果、加工成本和控制繁简综合考虑，最佳为三段组合构成。本实施例即为三段组合构成，如图5所示。每段口模2壁内都开有冷却介质通道3，该通道3是由在模板板面内侧围绕模腔开的环形凹槽，和一与之匹配的环形板30焊接密封构成。通道外壁上开有冷却介质进、出口4。为了使塑料熔体29逐渐冷却，口模的外环面上装有加热控温装置5，以使之形成最佳的温度梯度，促进大分子的取向结晶。本实施例的加热控温装置5为电热圈且三段独立调温。对于要求逐渐无级冷却而采用一段口模时，可通过电热圈缠绕的疏密或冷却介质逆流来达到。为了避免因口模2各段间接触面大而出现过量的热传导，影响各段口模2的独立控温，每段口模2连接板面内侧的模腔口处都有一环形的凸起6，而其中安装时离模具分流主板1较近的两段口模2连接板面外侧的模腔口处以及模具分流主板1与口模2连接处各有一下凹的、与相邻板面内侧的环形凸起6配合的环形台阶7。该台阶7下凹的深度与环形凸起6配合，应使各口模2间以及模具分流主板1间除凸起6、下凹台阶7处紧密接触外，其余面积都不接触，这样既减少了其间的热传导，又解决了各口模2间定位和密封问题。各段口模2和模具分流主板1用螺栓8连接在一起。

芯棒9为一两端开口的阶梯空心棒，在棒头内镶嵌冷却介质套10，通入冷却介质，对挤出成型管材的内壁进行冷却，见图6。套底中部开有螺纹通孔11，其上连接从芯棒9尾端口伸进，位于芯棒9中后部空腔的冷却介质输出管12。输出管12尾端伸出芯棒9空腔外后与一引流管头14动连接，连接处安有密封圈17。引流管头14截面呈“π”形，管壁上开有冷却介质出口15，管头中部开有通孔16。冷却介质输入管13穿过该通孔16，从芯棒9尾端的冷却介质输出管12中同心悬臂伸入至冷却介质套10中，其外壁与输出管12内壁之间的空隙为输出通道。冷却介质套10端口由一堵头18密封。由于芯棒9的冷却仅限于口模2内与熔体29接触的头部，如果需要调节芯棒9头部的冷却位置，可通过改变镶嵌冷却介质套10的长度和堵头18在冷却介质套10中的位置实现。芯棒9由轴承及轴承座20支撑，一端与芯棒9的驱动机构相连，另一端(即头部)穿过模具分流主板1，悬臂插入口模2模腔内。为防止高压熔体沿旋转芯棒9泄漏，在芯棒9与模具分流主板1之间套接有密封组件19。该密封组件19为高压机械密封组件。

芯棒驱动机构位于机架21下部，由电机22、减速器23、链条24和链轮25构成，见图4。电机22通过减速器23、链条24和链轮25驱动芯棒9旋转。

定型牵引机构安装在口模2前方，包括定型套26和牵引机28。定型套26由两个截面呈“Ω”形的套片水平相对活动连接而成，并通过支架27安装在机架21上。当管材挤出口模2后，前端可伸入定型套26内，一方面由其支撑校直，以防止管材弯曲变形，另一方面可通过调节套片两侧沿边上的连接件来调节定型套26的张开度，从而控制挤出阻力，以产生不同的模腔挤出压力。牵引机28为市场销售的通用管材牵引机，安装在定型套机架21前方。

本装置也适用于纤维增强塑料管加工，使纤维沿周向取向，以增加其承压强度。

实施例例二：

本实施例及以下实施例均在实施例一所提供的自增强管挤出成型装置中挤出成型。本实施例原料为高密度聚乙烯，工艺条件如下：挤出机料筒三段温度分别为120℃、160℃、200℃，螺杆转速5转/分；模具分流主板温度230℃；三段口模温度由内到外分别为120℃、90℃、80℃；挤出压力8Mpa；芯棒通冷却水，其转速为20转/分。获得的管周向强度为110Mpa，而普通挤出所得管材周向强度仅为26Mpa。

实施例三：

本实施例原料为聚丙烯，工艺条件如下：挤出机料筒三段温度分别为120℃、180℃、220℃，螺杆转速6转/分；模具分流主板温度230℃；三段口模温度由内到外分别为130℃、100℃、70℃；挤出压力10Mpa；芯棒通冷却水，芯棒转速15转/分。获得的管周向强度为58Mpa，相应的普通挤出管周向强度为31Mpa。

实施例四：

本实施例原料为ABS，工艺条件如下：挤出机料筒三段温度分别为120℃、160℃、200℃，螺杆转速5转/分；模具分流主板温度230℃；三段口模温度由内到外分别为120℃、80℃、60℃；挤出压力16兆帕；芯棒通冷却水，芯棒转速17转/分。获得的管周向强度为54Mpa，而普通挤出管周向强度为46Mpa。

实施例五：

本实施例原料为聚丙烯，工艺条件如下：挤出机料简三段温度分别为100℃、160℃、200℃，螺杆转速10转/分；模具分流主板温度172℃；三段口模温度由内到外分别为52℃、44℃、30℃；挤出压力10兆帕；芯棒通冷却水，其转速为23转/分，获得的管周向强度80兆帕。该条件下普通挤出管的周向强度为33Mpa。

本发明所提供的技术方案不局限于以上实施例，尤其是对口模段冷却温度场控制时所需的加热方式以及口模长短多少没有严格要求，只要能使管材中大分子链取向并促进结晶达到白增强效果都行。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1、本发明提供的挤出成型方法简单易行，可使芯棒旋转所获得的大分子链周向取向以及生成的高强度凝聚态结构最大程度保留在制品中，从而大大提高了管材的周向自增强效果。

2、用本发明方法制备的自增强管实际耐压测试的爆破强度达到了4.5兆帕，比普通挤出管的3兆帕提高了50％，这就意味着输送相同压力的流体，自增强管的壁厚可以较大程度的减少，这样可节约大量的原料。

3、已有的自增强方式对塑料原料加工成型条件和设备都有较为苛刻的要求，仅仅适用分子量很高，熔体指数很低的聚烯烃塑料，并且加工过程需要很高的压力(500兆帕)难以实现工业化生产。而本发明可对普通挤出级聚乙烯(如5000s)在低压(2～30兆帕)下获得增强，并且可在稍作改进的普通挤出机上挤出成型，可实现工业化生产。这无论在理论上还是实践上都是一个突破。

4、本发明提供的自增强管挤出成型装置结构简单，制作容易，成本低，有良好的应用前景。

5、适用范围广。该装置不仅可用于各种热塑性塑料，同时可用于纤维增强热塑性管挤出成型，使纤维沿周向取向，大大提高其承压强度。

Claims (10)

1、一种自增强塑料管材的制备方法，该方法是在挤出成型过程中，通过芯棒(9)相对于口模(2)旋转产生的剪切作用，使大分子链沿管周向取向，其特征在于同时对大分子链形成的沿管周向取向进行固定。

2、根据权利要求1所述的自增强塑料管材的制备方法，其特征在于还可通过口模(2)相对于芯棒(9)旋转产生剪切作用，使大分子链沿管周向取向并固定。

3、根据权利要求1或2所述的自增强塑料管材的制备方法，其特征在于对大分子链形成的沿管周向取向进行固定的方式是对挤出成型区段的熔体(29)逐渐进行冷却，使之定型。

4、根据权利要求3所述的自增强塑料管材的制备方法，其特征在于：

①、芯棒(9)或口模(2)的转速为3～50转/分；

②、在口模(2)区段对熔体(29)进行冷却，冷却可逐渐无级或分段有级进行，口模(2)区段的冷却温度场使熔体(29)由该种塑料的最佳加工温度(进口端)降为软化点以下(出口端)。

5、根据权利要求4所述的自增强塑料管材的制备方法，其特征在于其挤出成型的工艺条件为：模具分流主板(1)温度为该种塑料的最佳加工温度，挤出压力为2～30兆帕。

6、根据权利要求4或5所述的自增强塑料管材的制备方法，其特征在于冷却为分段有级进行，最佳为三段，第一段降应降温度的70～80％，第二、三段各降应降温度的10～20％。

7、一种根据前述方法而设计的自增强塑料管材制备装置，包括挤出机、引料接头、模具分流主板(1)、口模(2)、芯棒(9)、密封组件(19)、轴承及轴承座(20)、芯棒驱动机构和定型牵引机构，模具分流主板(1)通过引料接头与挤出机相连，口模(2)固定于模具分流主板(1)上，芯棒(9)由轴承及轴承座(20)支撑，前部位于口模(2)中，后端与芯棒驱动机构相连，轴承座(20)与主板的联接处装配密封组件(19)，定型牵引机构位于口模(2)出口前方，其特征在于口模(2)壁内开有冷却介质通道(3)，通道外壁有冷却介质进、出口(4)，口模(2)的外环面上装有加热控温装置(5)。

8、根据权利要求7所述的自增强塑料管材制备装置，其特征在于口模(2)由一段或两段或两段以上组合构成，最佳为三段，每段口模(2)板面内侧的模腔口处都有一环形凸起(6)，其中两段口模(2)面另一侧的模腔口处则有一下凹的、与其配合的环形台阶(7)，口模(2)中的冷却介质通道(3)为环形，其冷却介质进、出口(4)和外环面上装的加热控温装置都是各自独立的，加热装置为电热圈。

9、根据权利要求7所述的自增强塑料管材制备装置，其特征在于芯棒(9)为一两端开口的阶梯空心棒，棒头内镶嵌有冷却介质套(10)，套底中部开有螺纹通孔(11)，其上连接位于芯棒(9)中后部空腔内的冷却介质输出管(12)，输出管(12)尾端伸出芯棒(9)空腔外与引流管头(14)动连接，引流管头(14)截面呈“π”形，管壁上开有出口(15)，管头中部开有通孔(16)，冷却介质输入管(13)穿过该通孔(16)，从芯棒(9)尾端的冷却介质输出管(12)中同心悬臂伸入至冷却介质套(10)中，冷却介质套(10)端口由一堵头(18)密封。

10、根据权利要求7或8或9所述的自增强塑料管材制备装置，其特征在于定型牵引机构包括牵引机(28)和可调节机头阻力的定型套(26)及其支架(27)，定型套(26)由两个截面呈“Ω”形的套片组合而成。

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