基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的制作方法

本发明属于纤维增强多层塑料复合管技术领域，具体涉及一种基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管。

背景技术：

中华人民共和国建设部2007年发布的城镇建设行业标准“纤维增强无规共聚聚丙烯复合管(cj/t258-2007)”中，公布了一种内层与外层为无规共聚聚丙烯(pp-r)材料，中间层为玻璃纤维增强pp-r复合材料的三层共挤出结构的复合管材。该管材避免了现有的单层玻纤增强管材容易出现玻纤外露、表面发毛的现象，具有良好的表面质量和较低的流体输送阻力，但是在这种管材中间层的玻纤增强效果差，达不到明显提高管材承压强度的目的。这是因为在挤出成型过程中增强的玻璃纤维和高分子链都是顺着挤出流动方向即管材的轴向取向，故而使管壁的轴向强度明显高于管壁的周向强度。但根据受内压薄壁管材的受力分析表明，管壁的周向应力大约为轴向应力的两倍，即管壁强度最差的方向恰好是受力最大的方向。因而现有的玻璃纤维增强pp-r复合材料的三层共挤出结构复合管材在实际使用中纤维的增强作用不能充分地发挥出来。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术中三层共挤出结构复合管材存在的不足，提供一种基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管。

本发明提供的一种基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管，该复合管是由三层无规共聚聚丙烯复合而成，内外层为纯无规共聚聚丙烯层，中间层为玻璃纤维增强无规共聚聚丙烯层，其特征在于中间层的玻璃增强纤维与部分无规共聚聚丙烯大分子链沿管材周向取向层，内层为部分无规共聚聚丙烯大分子链沿管材周向取向层。

以上复合管材是采用附图2-4所示结构的挤管机头挤出制备的。挤出制备的复合管的内层纯无规共聚聚丙烯料、中间层玻璃纤维增强无规共聚聚丙烯料和外层纯无规共聚聚丙烯料分别由三台挤出机熔融挤出供料，并以一定流动速率分别进入附图2所示结构的挤管机头，并在机头内的高压下通过逐层复合的方式使内、中、外三层料形成复合管坯，该复合管坯挤出机头后经冷却、定形、切割就可成为本发明所述的管材。由于进入该机头中间层的玻璃纤维增强无规共聚聚丙烯料和内层纯无规共聚聚丙烯料在形成管坯并逐渐复合的过程中会通过由电机、链轮、链条带动的旋转套，当该旋转套产生的旋转剪切力场作用其上时，这两层复合后的双层管坯中的增强玻璃纤维和部分长链大分子就由原来的轴向取向逐步转变为周向取向，周向取向度由所施加的剪切力场的大小(由旋转套的转速决定)决定。

本发明与现有玻璃纤维增强的三层复合管材相比，具有以下优点：

1、由于本发明提供的复合管材中的中间层为玻纤增强纤维和无规共聚聚丙烯大分子链均沿周向取向的，因而所得管材能在不改变材料品种和配比的情况下，使管材的承压强度，无论是短期的爆破强度还是长期的耐应力开裂能力都能得到明显的大幅度提高，使其周向和轴向强度之比更趋近需求值，最佳的周向和轴向强度之比为2:1。

2、由于本发明提供的复合管材中的内层无规共聚聚丙烯大分子链也是沿周向取向的，因而可进一步提高所得管材的承压强度，满足多层复合管材的短期使用性能和长期使用性能要求。

3、由于本发明提供的复合管材可通过所给出的挤管机头，采用现有的普通三层共挤复合管材的设备即能生产出，因而不仅不会增加过多的投资和能耗，且还能对管材的周向、轴向取向度之比进行方便调节，以获得满足不同需求的管材。

附图说明

图1为本发明提供的带有局部剖视的复合管材立体结构示意图。

图1中：1-pp-r纯料内层，在剪切力场中部分大分子沿周向取向；2-玻璃纤维增强pp-r复合料中间层，在剪切力场中增强玻璃纤维由轴向取向转变为沿周向取向，部分大分子也沿周向取向；3-未进行取向的pp-r纯料外层。

图2为制备本发明复合管材的挤出装置的主视结构剖面示意图。

图3为本发明提供的挤出装置中旋转套的主视结构剖面示意图。

图4为本发明提供的挤出装置中旋转套的侧视结构剖面示意图。

图2-图4中，1-机头颈，2-芯棒支架，3-引料接头，4-分料圈，5-后机头体，6-轴承，7-旋转套，8-链轮，9-螺钉，10-前机头体，11-压块，12-螺钉，13-口模，14-调节螺钉，15-芯棒，16-引料接头，17-销钉，18-螺钉，19-链条，20-电机，21-凸起的筋。

图5为本发明在旋转剪切套旋转转速为30转/分下挤出制备的复合管材纵横截面切片的偏光显微镜照片，其中左边为周向方向的照片，右边为轴向方向的照片。从照片中可以清楚的观察到管材中间层玻纤是明显沿周向取向的。

图6为对比例1制备的普通复合管材横截面切片的偏光显微镜照片，其中左边为周向方向的照片，右边为轴向方向的照片。从照片中可以明确观察到管材的玻纤是沿轴向取向的情况。

图7为本发明于旋转套旋转转速为30转/分下挤出制备的复合管材圆周方向的广角x射线衍射照片。从照片中可以清楚的观察到其debye环表现为弧线状，说明在旋转挤出管材中，ppr晶体及大分子链在圆周方向有明显的取向。

图8为对比例于旋转套旋转转速为0转/分下挤出制备的复合管材圆周方向的广角x射线衍射照片。从照片中可以清楚的观察到一系列完整的debye环，说明在普通挤出管材中，ppr晶体及大分子链在圆周方向没有取向。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，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根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。

值得说明的是：1)以下实施例和对比例所得复合管材的周向强度和爆破压力均是按照标准cj/t258-2007所给出的测试方法测试的。2)以下实施例和对比例所得复合管材是采用附图2-4所示结构的挤管机头挤出制备的。该挤管机头如图2所示，该挤管机头是由机头颈1、芯棒支架2、分料圈4、后机头体5、前机头体10、口模13、压块11、芯棒15、旋转套7、传动机构和电机20构成。其中机头颈1、芯棒支架2、分料圈4、后机头体5、前机头体10、口模13和压块11依次由连接件即螺钉9、12、18和销钉17水平连接为一体。芯棒15一端与芯棒支架2利用螺纹拧紧相连支撑并悬臂位于依次连接的分料圈4、后机头体5、前机头体10和口模13形成的空腔内。旋转套7由轴承6活动固定位于后机头体5、前机头体10连接段的腔体内，并保持一定间隙同轴位于芯棒15外。为了增加旋转套旋转时施加于塑料熔体的周向剪切效果，本发明还在旋转套7的内壁上设置有8根凸起的筋21，这8根凸起的筋21是沿旋转套7周向均匀分布，其长度可与旋转套同长，也可以略短，本实施例为略短，故所有凸起的筋均偏向旋转套进口端，见图3、4。挤出管材的偏心由位于压块11外侧的调节螺钉14通过调整口模13的周向位置来调节。挤管机头中还包括两个引料接头3、6，一个引料接头3连接于分料圈4的进料口上，另一个引料接头6连接在前机头体10一侧的进料口上。传动机构由链轮8和链条19构成，链轮8有两个，一个固连在挤管机头的旋转套7外，另一个固连于电机20的输出轴上，链条19穿过与后机头体5相连处的前机头体10一侧开的孔槽与两链轮8相连，电机选用无级调速电机，该电机可在0～150转/分之间进行无级调节。

实施例1

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，其内层为纯无规共聚聚丙烯层1，其中有部分无规共聚聚丙烯大分子是沿周向取向的；中间层为玻璃纤维增强的无规共聚聚丙烯层2，其中增强的玻璃纤维和部分无规共聚聚丙烯大分子是沿周向取向的；外层为纯无规共聚聚丙烯层3，其中无规共聚聚丙烯大分子是未沿周向取向的。本实施例复合管材是在机头旋转套转速为15转/分的条件下制备的，其外径为φ75mm，管壁总厚度为6.8mm，其中内层纯无规共聚聚丙烯层厚度为2.3mm，中间层玻纤增强无规共聚聚丙烯层厚度为2.5mm，外层纯无规共聚聚丙烯层厚度为2mm。经测试周向强度35.4mpa，爆破压力6.27mpa，相对于对比例的管材分别提高了41.6％和62.4％。

实施例2

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，由于其结构、外径、管壁总厚度及各层厚度均与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，其是在机头旋转套转速为30转/分的条件下制备的，经测试周向强度36.3mpa，爆破压力6.73mpa，相对于对比例的管材分别提高了45.2％和74.4％。

实施例3

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，由于其结构、外径、管壁总厚度及各层厚度均与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，其是在机头旋转套转速为60转/分的条件下制备的，经测试周向强度39.44mpa，爆破压力7.4mpa，相对于对比例的管材分别提高了57.8％和91.7％。

实施例4

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，由于其结构、外径、管壁总厚度及各层厚度均与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，其是在机头旋转套转速为90转/分的条件下制备的，经测试周向强度38.05mpa，爆破压力6.73mpa，相对于对比例的管材分别提高了52.2％和74.4％。

实施例5

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，由于其结构与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，本实施例复合管材是在机头旋转套转速为15转/分的条件下制备的，其外径为φ63mm，管壁总厚度为5.8mm，其中内层1纯无规共聚聚丙烯层厚度为2mm，中间层2玻纤增强无规共聚聚丙烯层厚度为2.1mm，外层3纯无规共聚聚丙烯层厚度为1.7mm。经测试周向强度33.4mpa，爆破压力6.55mpa，相对于对比例的管材分别提高了37.4％和75.1％。

实施例6

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，由于其结构与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，本实施例复合管材是在机头旋转套转速为30转/分的条件下制备的，其外径为φ63，管壁总厚度为5.8mm，其中内层1纯无规共聚聚丙烯层厚度为2mm，中间层2玻纤增强无规共聚聚丙烯层厚度为2.1mm，外层3纯无规共聚聚丙烯层厚度为1.7mm。经测试34.1mpa，爆破压力6.71mpa，相对于对比例的管材分别提高了40.3％和79.4％。

实施例7

本实施例提供的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管的结构如图1所示，由于其结构与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，本实施例复合管材是在机头旋转套转速为60转/分的条件下制备的，其外径为φ63，管壁总厚度为5.8mm，其中内层1纯无规共聚聚丙烯层厚度为2mm，中间层2玻纤增强无规共聚聚丙烯层厚度为2.1mm，外层3纯无规共聚聚丙烯层厚度为1.7mm。经测试35.5mpa，爆破压力6.96mpa，相对于对比例的管材分别提高了46.6％和86.1％。

对比例1

本对比例提供的玻纤增强的无规共聚聚丙烯三层复合管的外径、管壁总厚度及各层厚度均与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，其是在机头旋转套转速为0转/分的条件下制备的，其内层与中间层的无规共聚聚丙烯大分子和增强玻璃纤维均未沿周向取向；经测试周向强度25mpa，爆破压力3.86mpa。

对比例2

本对比例提供的玻纤增强的无规共聚聚丙烯三层复合管的外径、管壁总厚度及各层厚度均与实施例1相同，故略去不述。与实施例1不同的是，管材外径为φ63mm，是在机头旋转套转速为0转/分的条件下制备的，其内层与中间层的无规共聚聚丙烯大分子和增强玻璃纤维均未沿周向取向；经测试周向强度24.3mpa，爆破压力3.74mpa。