专利名称：一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原理及方法
技术领域：
本技术涉及各种塑料管材制件的生产制造的原理方法，尤其是涉及塑料管材在其
轴向和周向上同时实现低温近熔点自增强的挤出成型原理及方法。属塑料制件的生产制造 技术领域。
背景技术：
随着国民经济和国家基础设施建设的不断发展，对大口径塑料管材的需求更加突 出。在给水系统中，大口径管往往用做主管道，输送的流体压力相对较高，但此时由于受内 压管的周向应力是其轴向应力的2倍，就必须将管材的壁厚设计得较厚才能满足其周向强 度的要求。同时塑料管材毕竟是塑料制品，其刚度强度等都远不及铸铁管，因而其在工程安 装使用中必须合理地进行支撑方能安全使用，尤其是横管，在管径小于50mm的小管径塑料 横管安装中最多不超过半米就得使用一个支撑，而且塑料管尤其容易受到破坏，在室外综 合管网交叉施工时，人工、机械器具足以对其造成不同程度破坏，甚至粉粹、断裂，管道回填 时，塑料管材也常因管道部分架空或遭较大坚硬物压迫而破损。这些不利因素又要求管材
的轴向强度越高越好，才能少用支撑，更不易被破坏。因此，为了提高管材的耐压强度和其 轴向的刚强度，如采用普通方法成型的话就必须增大管材的壁厚。但是壁厚增大后又带来 了由不均匀受热或冷却、固态相变时伴有的体积变化、各部分变形程度的差异及收縮阻碍 等因素引起的附加内应力，这些附加内应力经过叠加之后将使管材的受力状况更加恶化。 因此单纯依靠增加管材壁厚的方法将导致管材的内应力产生更加不利的叠加效应，而且由 于壁厚增加用料增多导致的经济效益下降等因素也使得管材的壁厚不能任意增厚。而目前 常规的塑料管材挤出成型方法还无法克服如此两难的困境。
发明内容
本发明的目的在于克服目前常规的塑料管材挤出成型方法所生产的管材无法同 时满足既薄壁、低成本、高效益又具有较高周向强度和轴向刚强度等的不足，提供一种能在 同样壁厚且不添加任何其他增强剂的前提下同时提升管材周向和轴向强度的挤出成型方 法。 本发明的目的是这样实现的为了同时提升管材周向和轴向强度，而又不增加其 壁厚和添加其他任何增强剂，则须在管材挤出成型过程中形成沿管材周向和轴向取向结晶 的大分子、串晶及串晶互锁等聚合物的高性能凝聚态结构，而且将这些高性能凝聚态结构 尽可能地留存于最终产品的微观组织中。其特点是在挤出成型过程中对成型的管材施加周 向剪切和轴向拉伸的双向复合应力场，使聚合物大分子及大分子链等微观结构在此周向剪 切轴向拉伸双向复合应力场的影响驱动下而形成沿管材周向和轴向取向结晶的大分子、串 晶及串晶互锁等聚合物的高性能凝聚态结构，而且使这一过程完全在稍高于熔点的温度区 间内完成以使这些高性能凝聚态结构尽快的留存于制品的微观结构中而不至于发生大量的甚至是全部的高温结晶熔融和取向回复。其工艺步骤为
——原材料的除湿烘料
——原材料加入挤出机塑化
——熔融塑料经挤出机挤出 ——塑料管材在双向复合应力场挤管模内进行低温近熔点的双向自增强成型
——冷却定型
——切割收取 本发明管材双向增强的机理是这样实现的让塑料材料在挤出成型塑料管材的过 程中通过一个剪切拉伸双向复合应力场，该复合应力场由一个特制的挤管装置产生并控制 调节，而此装置一直处在一个仅比该成型物料熔点温度稍高的温度场中。在塑料管材的挤 出成型过程中，熔融塑料依次通过该装置的剪切应力场和拉伸应力场，当熔体流经周向剪 切应力场时，由于剪切诱导作用而产生线性晶核——原纤，线性晶核在剪切诱导的继续作 用下不断生长、取向、有序排列而完成初次取向结晶过程，并形成初次取向结晶的串晶互锁 结构。当这些初次取向结晶的串晶互锁结构及聚合物的大分子与大分子链随后流经拉伸应 力场时，初次取向结晶的串晶互锁结构及聚合物的大分子与大分子链又顺着拉伸应力场取 向结晶，部分未初次取向结晶的聚合物大分子及大分子链就形成了与拉伸应力场方向(即 管材的轴向方向) 一致的初次取向结晶的串晶互锁结构，而已经初次取向结晶的串晶互 锁结构及聚合物的大分子与大分子链在拉伸应力场的作用下虽然也向着拉伸应力场方向 (管材的轴向方向)取向排列并深度结晶，但是当它们从管材周向方向逐渐向管材轴向方 向倾斜靠近时，由于这些取向结晶结构的活动性还不足够强，使得熔体已经流过了拉伸应 力场时而这些结构大部分还远没到达管材的轴向方向，因而形成了既不沿着管材的轴向也 不沿着管材的周向的倾斜排列结构，并且这些结构在位置变换的过程中由于拉伸外场的作 用进而进行着深度的取向结晶而形成二次取向结晶结构。同时由于整个复合应力场都处在 低温近熔点的温度环境中，因而这些结构一旦形成就大量在聚合物管材中保留下来而避免 了在高温熔融状态下的大量结晶熔融和取向回复。它们与经同样原理大量保留下来的仍然 沿着管材轴向或周向的取向结晶结构一起共同促使管材的轴向和周向性能获得增强改善。 这就是本发明中聚合物管材能够获得轴向和周向双向自增强的机理。 本发明将聚合物大分子的取向结晶结构增强产品性能的原理应用于塑料管材的 生产制造行业并通过低温近熔点的温度环境将这些性能较好地保留，因此，利用本发明方 法生产的塑料管材，管材的强度和模量都同时获得了轴向和周向上的双向增强，消除了熔 接痕缺陷，且管材周向上的强度与模量都可超过或接近其轴向上的强度与模量，更优化地 配置了材料的性能，更好地满足了受内压管材对材料性能的现实需求。经增强以后，管材在 轴向和周向上的取向程度也比常规管材的高，且增强管材的晶片厚度更厚，结晶度更高，因 而耐热性也较常规管材有明显的改善。本发明生产效率高，设备投资少，原料成本低，生产 费用低廉而制品性能优良，能满足工业化生产条件，具有较好的工业化前景与经济效益。
图1为本发明塑料管材挤出工艺流程图
图2为本发明双向复合应力场挤管原理示意图
图3为本发明双向自增强管材内部的微观分子结构模型示意图
图中1.剪切旋转套筒，2.芯棒剪切应力场段，3.熔融塑料，4.测温孔，5.温度控 制调节装置，6.芯棒拉伸应力场段，7.芯棒口模成型段，8.塑料管材，9. 口模，IO. 二次取向 结晶串晶互锁结构，ll.取向串晶互锁结构，12.锥形折叠链片状晶体，13.伸展链晶体。
具体实施例 在进行挤管生产前，通过温度控制调节装置5的温度控制调节功能及测温孔4内 热电偶的温度探测与反馈作用将整个双向复合应力场挤管装置置于一稍高于所成型物料 熔点的温度环境中直至整个装置内部的温度都均匀一致后，开启挤出机挤出熔融物料3，当 熔体3流经芯棒周向剪切应力场段2时，由于剪切旋转套筒1的剪切诱导作用而使熔融塑 料3产生线性晶核——原纤，线性晶核在剪切旋转套筒1剪切诱导的继续作用下不断生长、 取向、有序排列而完成初次取向结晶过程，并形成初次取向结晶的串晶互锁结构11。当这 些初次取向结晶的串晶互锁结构11及聚合物的大分子与大分子链随后流经芯棒拉伸应力 场段6时，初次取向结晶的串晶互锁结构11及聚合物的大分子与大分子链又顺着拉伸应力 场取向结晶，部分未初次取向结晶的聚合物大分子及大分子链就形成了与拉伸应力场方向 (即管材的轴向方向) 一致的初次取向结晶的串晶互锁结构11 ，而已经初次取向结晶的串 晶互锁结构11及聚合物的大分子与大分子链在拉伸应力场的作用下虽然也沿着拉伸应力 场方向(管材的轴向方向)取向排列并深度结晶，但是当它们从管材周向方向逐渐向管材 轴向方向倾斜靠近时，由于这些取向结晶结构的活动性还不足够强，使得熔体已经流过了 拉伸应力场时而这些结构大部分还远没到达管材的轴向方向，因而形成了既不沿着管材的 轴向也不沿着管材的周向的倾斜排列的结构，并且这些结构在位置变换的过程中由于拉伸 外场的作用进而进行着深度的取向结晶而形成二次取向结晶串晶互锁结构10。同时由于整 个复合应力场都处在低温近熔点的温度环境中，因而这些结构一旦形成就大量在聚合物管 材8中保留下来而避免了在高温熔融状态下的大量结晶熔融和取向回复。它们与经同样原 理大量保留下来的仍然沿着管材轴向或周向的取向结晶结构11 一起共同促使管材的轴向 和周向性能获得增强改善。
权利要求
一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原理及方法，其特征在于其是处在所成型物料熔点温度稍高的温度环境中并在剪切拉伸双向复合应力场下实现挤管成型工艺，其工艺步骤为——原材料的除湿烘料——原材料加入挤出机塑化——熔融塑料经挤出机挤出——塑料管材在低温近熔点双向复合应力场下实现双向自增强成型——冷却定型——切割收取。
2. 根据权利要求1所述的一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原理及方 法，其特征在于该方法所成型的塑料管材具有沿管材周向和轴向取向结晶的大分子、串晶 及串晶互锁等聚合物的高性能凝聚态结构。
3. 根据权利要求1和2所述的一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原理及 方法，其特征在于通过施加剪切拉伸双向复合应力场于挤管成型过程中而获得具有自增强 功能的聚合物材料的高性能凝聚态结构。
4. 根据权利要求1、2和3所述的一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原理 及方法，其特征在于该方法成型时，熔融塑料是依次流经周向剪切应力场和轴向拉伸应力 场而获得周向和轴向的双向增强的。
5. 根据权利要求1、2、3和4所述的一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原 理及方法，其特征在于在周向剪切应力场中，由于周向旋转剪切套筒的剪切诱导作用，高分 子聚合物通过周向的取向结晶分布来实现管材周向增强。
6. 根据权利要求1、2、3和4所述的一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成型原 理及方法，其特征在于在轴向拉伸应力场中，由于芯棒收敛流道的拉伸诱导作用而使高分 子聚合物沿着轴向取向结晶分布来实现管材轴向增强。
7. 根据权利要求1、2、3、4、5和6所述的一种低温近熔点挤出双向自增强塑料管材的成 型原理及方法，其特征在于整个挤管成型过程始终处于所成型物料熔点温度稍高的温度环 境中。
全文摘要
本发明涉及各种塑料管材制件的生产制造的原理方法，其特点是在所成型物料熔点温度稍高的温度环境中的剪切拉伸双向复合应力场下实现挤管成型工艺，其工艺步骤为原材料干燥→挤出机塑化→熔料挤出→低温近熔点双向自增强成型→冷却定型→切割收取。利用本发明方法生产的塑料管材，管材的强度和模量都同时获得了轴向和周向上的双向增强，消除了熔接痕缺陷，且管材周向上的强度与模量都可超过或接近其轴向上的强度与模量，更优化地配置了材料的性能，更好地满足了受内压管材对材料性能的现实需求。经增强以后，管材在轴向和周向上的取向程度也比常规管材的高，且增强管材的晶片厚度更厚，结晶度更高，因而耐热性也较常规管材有明显的改善。本发明生产效率高，设备投资少，原料成本低，生产费用低廉而制品性能优良，能满足工业化生产条件，具有较好的工业化前景与经济效益。
文档编号B29C47/20GK101746040SQ20081023716
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者张 杰, 李又兵, 申开智, 袁毅, 高雪芹 申请人:重庆工商大学