专利名称：能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型属于塑料管材加工设备技术领域，具体涉及一种能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置。
二背景技术：
用普通管材挤出成型设备加工生产的管材，一方面因其产品内聚合物大分子是紊乱排列的，如非晶聚合物的大分子呈无规线团状，互相缠绕；结晶聚合物在普通成型条件下多半生成以球晶为主的晶区和非晶区相混的结构，致使聚合物制品的实际强度与共价键组成的大分子的理论强度相去甚远，甚至还不到理论强度值的1/1000。另一方面在挤管加工过程中，由于物料是被机头内芯棒的分流筋分割后再熔合在一起形成的产品，致使其上形成了若干连续的熔接缝，致使该处的强度更低，因为熔接缝两侧的大分子不能再重新缠绕在一起。此外，在挤管过程中，大分子还会沿流动方向取向，使管材的周向强度略低于轴向强度，管材的这种周向强度与轴向强度的分配比例是不合理的，因为输送流体时管材一般受内压，受内压管材其圆周方向的应力是轴向应力的两倍，因此普通管材在爆破时都是在周向发生断裂，其断口沿轴向延伸，并且毫无例外地都是在熔接缝处裂开。
针对上面提到的问题，国内外学者就如何通过自增强来提高管材周向强度已进行过大量的研究工作，最常见的是挤管时采用挤出机机头芯棒旋转的办法。不同的学者采用了不同的方案来实现机头芯棒旋转，如附图1(UK patent 946，371)、2(G.W.Shepherd et al，J.Polym.Eng.Sci.，1996，16(12))，或是推动塑料熔体沿芯棒周向流动的办法来达到聚合物大分子沿周向取向，如附图3(P.S.Allan，M.J.Bevis.Plast.Rubb.Proc.Appl.，1991，16(2)132)，以提高管材的周向强度。从这些研究报告或论文来看，上述努力均未取得突破性的进展。因为对纯塑料管材来说，芯棒在旋转情况下所挤出的管材的周向强度与芯棒不旋转所挤出的管材相比，据报道周向强度提高率仅百分之几。而这百分之几的提高，可能多半是由于芯棒旋转时消除了熔接痕影响的贡献，对产品内部的凝聚态结构并未真正改变。究其原因是研究中采用的是传统的高温熔融挤出方法，导致聚合物熔体挤出口模后，已周向取向的大分子在高温下发生了松弛和解取向，致使在剪切力场中形成的凝聚态结构无法在管材中保留下来。与之对比的是，将上述芯棒旋转的方法或使物料沿芯棒周向流动的方法用于挤出玻璃纤维增强塑料管时，却取得了较好的效果，例如含30％玻纤的管材，其周向强度从普通挤出的20MPa(有熔接缝)提高到了33Mpa(Plastic，Rubber and Composites Processing and Applications16(1991)133-137)，这是因为玻璃纤维与大分子不同，它在剪切力场中一旦发生周向取向在挤出口模后是不会解取向的。
本申请人在获准的ZL9107852.1的专利中提出了一种“自增强塑料管材制备方法及其装置”，该专利与国外学者提出的方法相比是它能有效地把剪切力场生成的特殊凝聚态结构——串晶结构成功地保留在管材中，从而大幅度地提高了管材的周向强度，其具体方法是在机头芯棒不断旋转的过程中即在剪切应力场中使取向的聚合物大分子在口模中逐渐冻结，再逐渐推出模外，这样就使得取向的大分子或在剪切力场中所生成的取向的结晶结构能保持在所成型的管材中，其结果是使高密度聚乙烯管材的周向强度从普通挤出的26MPa提高到100MPa以上，聚丙烯管材的周向强度从31MPa提高到58MPa，而非晶聚合物ABS强度提高不大，管材周向强度从46MPa提高到52MPa，爆破试验表明高密度聚乙烯管材的承压强度提高了50％。
但该专利所提供的技术也表现出来了一定的问题(1)芯棒旋转只是使周向强度得到了提高，而轴向强度没有提高，甚至还有少许下降，因为高密度聚乙烯管材在爆破试验时管材沿圆周方向裂口断开。(2)由于管材是在机头口模内固化后挤出，因而挤出阻力大，挤出速度慢，生产效率低。(3)由于管材沿周向高度取向，导致管材内应力大。
三
发明内容
本实用新型的目的是针对已有技术存在的问题，提供在机头内对塑料熔体施加剪切应力场和拉伸应力场，以改变挤出管材的凝聚态结构，能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置。
本实用新型提供的能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置是由依次连接的挤出机、挤管机头、定型模、冷却水槽、管材牵引切割机和驱动机构构成，其特征在于挤管机头外包覆有控温加热圈，其特征在于挤管机头包括机头体、引料接头、挤管口模、芯棒套、芯棒、轴承和轴承盒，机头体为一两端开放的腔体，引料接头安装在机头体后部侧壁开的通孔上，其进口端与挤出机相接；挤管口模入口段呈漏斗形，入口端与机头体前端相连，入口端口径与机头体腔体内径匹配；芯棒套为一圆筒体，由相连于机头体后端的轴承和轴承盒支撑固定，其后端部与驱动机构相连，并与芯棒形成动配合；芯棒后端固连于驱动机构的机箱上，前端悬臂穿过芯棒套至挤管口模出口处，位于芯棒套、挤管口模中的各段外径和形状分别与之匹配，其锥形部分与芯棒套漏斗形部分共同构成断面逐渐收缩的拉伸流道。
使用时，聚合物经挤出机熔融挤出后，由引料接头进入机头体内腔与芯棒套之间的空隙中，由于芯棒套在驱动机构带动下持续地旋转而机头内腔壁不转，因而也就使位于空隙中的塑料熔体受到剪切，使部分大分子沿周向取向，形成周向取向的取向结构和/或结晶结构，随着熔体不断地向前推进，熔体又通过由芯棒锥形部分与芯棒套漏斗形部分共同构成的断面逐渐收缩的拉伸流道，使熔体中部分大分子在拉伸力场中沿轴向取向，形成轴向取向的取向结构和/或结晶结构，当熔融挤出的管材通过温度逐渐降低的定型模，最后进入冷却水槽，就可使取向结构或因分相而形成的结晶结构进入制品管材，达到使管材在周向和轴向同时自增强的目的。
本实用新型与已有技术相比，其优点是(1)由于本实用新型在挤管机头中设计了能同时形成周向剪切和轴向拉伸的复合应力场的结构部件，且与其他的结构部件配合，使这种取向的大分子和/或结晶能进入并保留在了塑料管材中，因而不仅提高了管材的周向强度，还同时提高了管材的轴向强度，达到双向自增强的效果。
(2)由于本实用新型在设备中实现了剪切诱导和高分子量诱导挤出的办法使结晶聚合物形成相分离结构，除其中含有取向的固态外，挤出时物料大部分还处在粘流态或熔融态，因此挤出阻力小，不会降低挤出速度，生产效率高。
(3)由于本实用新型能够在机头内对塑料熔体施加剪切应力场和拉伸应力场，改变挤出管材的凝聚态结构，因而不仅可挖掘出材料潜在的力学强度，提高管材的周向强度和轴向强度，消除熔接缝的影响，而且可改变周向和轴向强度的比例，使同样壁厚的管材能承受更高的流体压力，或在承受同样流体压力的情况下明显地减薄管材的壁厚，达到节约塑料原材料的目的。
(4)本实用新型结构简单，易于加工，也易实现工业化生产。
四
图1为英国专利946,371披露的挤出成型装置的局部结构剖视图；图2为美国Shepherd的挤出成型装置的局部结构剖视图；图3为英国Bevis的挤出成型装置的局部结构剖视图；图4为本实用新型的结构简图；图5为本实用新型挤管机头的剖视结构示意图。
五具体实施方式
以下结合附图给出实施例并对本实用新型作进一步描述。但所给出的实施例不能理解为对本实用新型保护范围的限制，因而本专业的技术人员根据上述本实用新型的内容和设计思想所作出的非本质的改进和调整也应属于本实用新型的保护范围。
如图4所示，本实用新型装置是由依次连接的挤出机1、挤管机头、定型模11、冷却水槽12、管材牵引机13、切割机14和驱动机构构成。
挤出机1为螺杆挤出机，本实施例采用单螺杆挤出机。挤管机头包括机头体2、引料接头3、挤管口模4、芯棒套5、芯棒6、轴承7和轴承盒8，如图5所示。机头体2为一两端开放的腔体，引料接头3通过螺纹安装在机头体2后部侧壁开的通孔上，其进口端与单螺杆挤出机1相接。挤管口模4入口段呈漏斗形，入口端与机头体2前端相连，入口端口径与机头体2腔体内径匹配。芯棒套5为一圆筒体，由相连于机头体2后端的轴承7和轴承盒8支撑固定，同心置于机头体2的腔体内，其后端部与驱动机构相连，并与芯棒6形成能灵活转动的动配合，它与机头体1内壁间的空隙为熔体流道，后端部与驱动机构相连。为了防止熔体从芯棒套5与机头体2腔体间的空隙中倒流进入轴承盒8，影响轴承7工作，在轴承盒8一侧的机头体2通孔旁的腔体和芯棒套5之间空隙中安放有一密封环9。芯棒6通过后端部的圆盘固连于驱动机构的机箱18上，前端悬臂穿过芯棒套5至挤管口模4出口处，位于芯棒套5、挤管口模4中的各段外径和形状分别与其所处部位的芯棒套5、挤管口模4的内径、形状匹配，并与挤管口模4内壁形成熔体流道的空隙。芯棒6的锥形部分与芯棒套5漏斗形部分共同构成断面逐渐收缩的拉伸流道。为了保证熔体的流动性，机头体2和挤管口模4外包覆有控温加热套10。定型模11为真空定型模或压缩空气定型模。本实施例采用真空定型模。驱动机构位于轴承箱8后端。本实施例的驱动机构由电机15、减速器16、小链轮17、大链轮18和机箱19构成。机箱19的截面形状呈“凹”形，并与后端开放有一外翻呈帽沿的轴承盒8连接形成一封闭箱体，大链轮18位于其中，并固连于芯棒套5的后端部。电机15通过减速器16、小链轮17和大链轮18驱动芯棒套5转动。驱动机构也可采用皮带轮、齿轮、蜗杆蜗轮等传动机构驱动芯棒套转动。
权利要求1.一种能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置，该装置由依次连接的挤出机(1)、挤管机头、定型模(11)、冷却水槽(12)、管材牵引机(13)、切割机(14)和驱动机构构成，挤管机头外包覆有控温加热圈(10)，其特征在于挤管机头包括机头体(2)、引料接头(3)、挤管口模(4)、芯棒套(5)、芯棒(6)、轴承(7)和轴承盒(8)，机头体(2)为一两端开放的腔体，引料接头(3)安装在机头体(2)后部侧壁开的通孔上，其进口端与挤出机(1)相接；挤管口模(4)入口段呈漏斗形，入口端与机头体(2)前端相连，入口端口径与机头体腔体内径匹配；芯棒套(5)为一圆筒体，由相连于机头体(2)后端的轴承(7)和轴承盒(8)支撑固定，其后端部与驱动机构相连，并与芯棒(6)形成动配合；芯棒(6)后端固连于驱动机构的机箱(19)上，前端悬臂穿过芯棒套(5)至挤管口模(4)出口处，位于芯棒套(5)、挤管口模(4)中的各段外径和形状分别与之匹配，其锥形部分与芯棒套(5)漏斗形部分共同构成断面逐渐收缩的拉伸流道。
2.根据权利要求1所述的能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置，其特征在于在轴承盒(8)一侧的机头体(2)通孔旁的腔体和芯棒套(5)之间空隙中安放有一密封环(9)。
3.根据权利要求1或2所述的能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置，其特征在于所用的定型模(11)为真空定型模或压缩空气定型模。
专利摘要本实用新型提供的能同时获得周向和轴向自增强塑料管的装置是由挤出机、挤管机头、定型模、冷却水槽、管材牵引机、切割机和驱动机构构成，其技术核心是采用了特殊结构的挤管机头。在该机头内，熔体先通过芯棒套与挤管口模相对旋转的周向剪切段，受到剪切力场作用，使部分大分子沿周向取向，形成周向取向的取向结构和/或结晶结构，然后熔体又通过断面逐渐收缩的圆环形通道段，使熔体中部分大分子在拉伸力场中沿轴向取向，形成轴向取向的取向结构和/或结晶结构，当熔体继续通过温度逐渐降低的挤管口模段和定型模，最后进入冷却水槽，就可使取向结构或因分相而形成的结晶结构进入制品管材，使管材在周向和轴向同时自增强。本实用新型结构简单，易于加工，也易实现工业化生产。
文档编号B29C47/24GK2889695SQ20062003368
公开日2007年4月18日 申请日期2006年4月3日 优先权日2006年4月3日
发明者申开智 申请人:四川大学