基于动态延展的超高分子量聚合物轧制成型设备的制作方法

本实用新型涉及超高分子量聚合物挤出加工领域，具体地说是基于动态延展的超高分子量聚合物轧制成型设备。

背景技术：

超高分子量聚合物是指分子量极高的高分子材料，具有优越的综合性能，尤其是具备普通高分子材料所没有的优异性能。比如，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种具有抗冲击性、耐磨性、自润滑性、无毒性、化学惰性、耐低温性等优良性能的新型热塑性工程材料，广泛应用于纺织、造纸、食品、化工、包装、建筑、医疗、军事等领域；被称之为塑料之王的聚四氟乙烯(PTFE)具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、高润滑和电绝缘性，其制品在化工、机械、电子电器、军工、航天和工程建设等领域的作用举足轻重；超高分子量聚甲基丙烯酸甲酯(UHMW-PMMA)具有很强的韧性、抗划痕性、耐磨性和抗冲击性能，而且在200℃以上的高温下仍能保持力学强度，可应用在化工、材料、电子、电缆及军工等领域。

但超高分子量聚合物的成型加工极其困难，主要是因为以下方面：1)分子链极长，所以缠结度很高，使得熔体粘度极大，加工流动性差；2)熔体总是呈现为橡胶状的高弹态，因而分子链之间的扩散程度低，熔接痕明显；3)摩擦系数小，很容易在加料段打滑造成料塞，使物料无法沿挤出方向输送；4)临界剪切速率很低，在低速的成型加工中就很容易熔体破裂产生裂纹，造成制品表面不平整；5)成型加工温度范围小，容易降解。

超高分子量聚合物管材可应用于粮食加工、油气输送、火电水利、矿山、排水排污等，尤其是燃气专用超高分子量聚合物输送管道加工技术的开发一直是国家关注和支持的重点项目。传统超高分子量聚合物管材成型加工可分为直接成型和二次成型两种方式，直接成型法包括固态挤出法、硬顶法等，二次成型法有焊接法、粘接法、缠绕法等。固态挤出是利用近熔点条件保证物料在挤出机中被压实并避免大量降解，在管模中塑化熔融并挤出；硬顶法是通过极慢的挤出速度和收缩的管模流道，提高熔接强度；固态挤出和硬顶法均是利用极慢的挤出速度保证足够的停留时间，以此来提高分子链扩散所需的能量，因而能得到性能优良且分子量极高的管材制品，但极低的加工效率和高能耗制约了其广泛应用。而二次成型法是通过缠绕、粘接或焊接等方式将多段型材或管材拼接成一定长度管材，因而其拼接处的强度远远不足，且容易造成断裂而泄漏，因此不能满足工业要求。

超高分子量聚合物片材比重小、耐腐蚀性强、耐磨性好，可在很多场合代替钢材；超高分子量聚合物的吹膜成型至今没有成功的先例。

超高分子量聚合物的熔融纺丝因很难实现高拉伸比和高性能，至今没有成熟的工艺；目前超高分子量聚合物的熔融纺丝是通过预先对超高分子量聚合物进行流动改性处理，得到的纤维性能远远达不到要求，并且受分子量大小制约。

授权公告号为CN104002447B的发明专利所述的偏心转子挤出机创造性发明了拉伸流变挤出机，通过拉伸形变作用避免剪切形变造成的分子链的大量断裂，避免了成型过程中的大量降解，因而可以实现高速挤出；其强制性正位移输送作用既使成型加工的热机械历程缩短，降低了能耗，而且使挤出加工过程不受物料流动性和粘度限制，对物料的适应性很广。

因此，针对当前超高分子量聚合物成型加工中存在的问题，以及拉伸流变挤出机在成型加工过程中的高效低能耗、正位移输送和对物料适应性强的优势，开发一种加工效率高、低能耗、产量高、制品性能优异的超高分子量聚合物成型方法和设备，对推动超高分子量聚合物材料成型加工行业发展和超高分子量聚合物制品的广泛应用具有非常深远的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种基于动态延展的超高分子量聚合物轧制成型设备。该设备适用于对剪切敏感、加工温度范围小、加工流动性的超高分子量聚合物的加工成型。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于动态延展的超高分子量聚合物轧制成型方法，利用拉伸流变挤出机将超高分子量聚合物原料熔融塑化并输送至基于动态延展的轧制成型模头，熔体在轧制成型模头中首先形成壁厚非均匀的较大直径管状胚，管状胚壁厚较大的部分在偏心旋转芯棒的径向轧制作用下沿周向不断延展压缩至均匀或趋于均匀，轧制成型模头的收敛流道还使管状胚沿轴向延展，最后轧制成型为壁厚均匀的管状胚。

优选地，芯棒轴线与外口模轴线之间存在偏心距，芯棒的偏心旋转是通过芯棒轴线以所述偏心距为半径绕外口模轴线旋转运动实现的，同时芯棒还沿其本身的轴线反向自转。

优选地，管状胚在轧制成型模头的温控系统作用下定型并直接挤出的制品为管材制品，实现超高分子量聚合物管材的连续挤出成型；管状胚辊压成片状胚，直接成型为片材制品，实现超高分子量聚合物的片材挤出成型；片状胚被等距切割为条状胚，经轧制后处理可成型为纤维原丝，纤维原丝经拉伸成为纤维，实现超高分子量聚合物的熔融纺丝；管状胚封闭后通气吹塑实现超高分子量聚合物的吹膜成型。

用于实现上述方法的基于动态延展的超高分子量聚合物轧制成型设备，包括：拉伸流变挤出机和轧制成型模头；拉伸流变挤出机包括动力系统、定子和转子，定子和转子之间形成沿转子的轴向和径向交替周期性变化的腔体；轧制成型模头包括外口模和芯棒，外口模和芯棒之间的间隙形成流道，外口模与定子同轴连接，芯棒与转子同轴连接，外口模的轴线与芯棒的轴线之间存在偏心距，在轧制成型模头的横截面上，外口模和芯棒之间的周向间隙非均匀；动力系统驱动转子和芯棒以所述偏心距为半径绕定子和外口模的轴线公转，同时转子和芯棒反向自转。

优选地，轧制成型模头沿流向依次分成的成胚区、压缩区和定径区；成胚区的芯棒和外口模的直径大于定径区的芯棒和外口模；压缩区的芯棒和外口模的直径逐渐减小，形成收敛的流道。

优选地，还包括片材压延辊组件，片材压延辊组件包括两个等径的片材压延辊，两个片材压延辊反向运动将轧制成型模头成型的管状胚压延成片材制品。

优选地，还包括片材压延辊组件、切割辊组件、轧制辊组件和牵引辊，片材压延辊组件包括两个等径的片材压延辊，两个片材压延辊反向运动将轧制成型模头成型的管状胚压延成片材制品；切割辊组件包括两个等径的切割辊，两个切割辊反向运动将片材制品切割成等距的条状胚；轧制辊组件包括两个等径的轧制辊，两个轧制辊反向运动将条状胚轧制成纤维原丝；牵引辊将纤维原丝拉伸为纤维。

优选地，切割辊组件包括等径的带锥刀的切割辊和无锥刀的切割辊，带锥刀的切割辊的表面等距设有若干环向的锥形槽形成等距的锥刀。

优选地，轧制辊的表面等距设有若干环向的圆弧槽，两个轧制辊之间的圆弧槽一一对应形成若干圆柱型的模腔。

优选地，还包括膜压延辊组件；轧制成型模头上设有用于吹塑的通气孔，膜压延辊组件包括两个等径的膜压延辊，两个膜压延辊反向运动将轧制成型模头吹塑成型的膜泡压延成膜制品。

本实用新型的原理是：物料由拉伸流变挤出机塑化熔融并输送至基于动态延展的轧制成型模头，由于拉伸流变挤出机的短热历程加工避免了超高分子量聚合物熔体的大量降解，同时正位移输送作用提供了强制性挤出动力。熔体偏心旋转芯棒和收敛的流道的径向压缩作用下沿周向和轴向不断延展压缩至均匀，最后轧制成型为壁厚均匀的管状胚。所谓动态延展，是指胚体在垂向压力作用下向四周扩展；轧制成型则是利用两个辊压缩厚度大于两辊间隙的胚体，使胚体厚度最终成型为两辊间隙大小。由于所加工的超高分子量聚合物熔体的流动性几乎为零，因此管状胚在壁厚方向被芯棒轧制后沿周向和轴向的延展形变很难恢复；管状胚能保持被轧制后的壁厚而不需要专门的定径装置。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

1.物料由拉伸流变挤出机塑化熔融并输送至基于动态延展的轧制成型模头，既避免了超高分子量聚合物熔体的大量降解，同时提供了强制性挤出动力，有效地提高了制品性能和生产效率。

2.利用芯棒的轧制作用使管状胚在挤出过程中一直受到径向压缩作用，使管状胚壁厚沿周向和周向不断延展，一方面可提高分子链延展取向运动和扩散运动；另一方面，通过强制性的轧制作用使管状胚压实、形状趋于均匀。

3.利用拉伸流变挤出机的正位移输送作用进行强制挤出，利用超高分子量聚合物熔体轧制成型后极难恢复的特性进行强制定径，而不需要专门的定径装置。

4.挤出加工过程不受分子量大小和材料粘度的限制，尤其适用于熔体流动性差、分子量高的超高分子量聚合物及其相应的复合材料的成型加工，克服了超高分子量聚合物对剪切敏感、加工温度范围小、加工流动性差等挤出成型加工的难题。

5.本实用新型的成型方法创新型集成了超高分子量聚合物管材、片材、纤维、膜制品的工艺过程，降低了成型难度、提高制品成型效果，同时降低能耗、提高产量，提高了生产效率，适用于超高分子量聚合物管材、片材、纤维、膜制品的批量化生产。

附图说明

图1为拉伸流变挤出机和轧制成型模头的结构示意图。

图2为轧制成型模头结构示意图。

图3为轧制成型模头横截面示意图。

图4为轧制过程的横截面位置示意图。

图5为超高分子量聚合物轧制得到壁厚均匀的管状胚的横截面示意图。

图6为超高分子量聚合物片材制品成型的结构示意图。

图7为图6的右视图。

图8为超高分子量聚合物纺丝成型的结构示意图。

图9为图8中切割辊组件切割状态的截面图。

图10为图8中轧制辊组件轧制状态的截面图。

图11为超高分子量聚合物吹膜成型的结构示意图。

图中的标号和对应的零部件名称为：1-电机，2-动力系统，3-定子，4-转子，5-外口模，6-芯棒，7-管状胚，8-片材压延辊，9-片材制品，10-带锥刀的切割辊，11-条状胚，12-轧制辊，13-纤维原丝，14-牵引辊，15-无锥刀的切割辊，16-膜泡，17-膜压延辊，18-膜制品，19-通气孔，A-成胚区，B-压缩区，C-定径区，O1为外口膜的轴线，O2为芯棒的轴线ω1为芯棒绕自身轴线旋转的转速，ω2为芯棒绕外口膜的轴线旋转的转速，e为偏心距。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型做进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

基于动态延展的超高分子量聚合物管材轧制成型设备，如图1所示，包括拉伸流变挤出机和轧制成型模头。本实施例中，拉伸流变挤出机采用授权公告号为CN104002447B的发明专利所述的偏心转子挤出机，包括动力系统2、定子3和转子4，动力系统包括电机1。

轧制成型模头包括外口模5、芯棒6和设在外口模外圆周的温控系统，定子3与外口模5同轴线连接，芯棒6与转子4同轴线连接。

安装时，芯棒6的轴线O2与外口模5的轴线O1存在偏心距e。轧制成型模头沿流向依次分成的成胚区、压缩区和定径区；成胚区的芯棒和外口模的直径大于定径区的芯棒和外口模；压缩区的芯棒和外口模的直径逐渐减小，形成收敛的流道。芯棒具有直径渐变的形状，并且芯棒轴线与外口模轴线之间存在偏心距，芯棒沿挤出方向对应成胚区、压缩区和定径区分别为平直首段、渐变段和平直末段。外口模具有直径渐变的形状，沿挤出方向包括与芯棒对应的平直首段、渐变段和平直末段，压缩区的流道为收敛渐变流道。

动力系统2驱动转子4旋转运动，带动芯棒6的轴线O2以偏心距e为半径绕外口模5的轴线O1公转运动，转速为w2，同时芯棒6绕自身轴线O2自转运动，转速为w1，同步自转和公转的芯棒6形成径向的轧制作用。

基于动态延展的超高分子量聚合物管材轧制成型方法，先利用拉伸流变挤出机将超高分子量聚合物原料熔融塑化并将熔体强制输送至轧制成型模头的不均匀流道中。如图2所示，超高分子量聚合物熔体首先在轧制成型模头中形成壁厚非均匀的较大直径管状胚7；芯棒6的径向轧制作用使管状胚7壁厚较大的部分受到径向压缩作用下，沿周向不断延展直到管状胚7壁厚均匀，如图3-5所示。

如图3和图5所示，压缩区处外口模5和芯棒6之间的收敛流道还使管状胚7沿轴向延展，使管状胚7的壁厚在挤出方向(轴向)也趋于均匀。

管状胚7的熔体在轧制成型模头挤出过程中不断分布或同步受到压缩、延展的循环作用，使管状胚熔体压缩得更为密实，熔体的融合程度不断提高，最后在温控系统作用下定型轧制成型为壁厚均匀的管材制品。

实施例2

基于动态延展的超高分子量聚合物片材轧制成型设备，如图6所示，包括拉伸流变挤出机、轧制成型模头和片材压延辊组件，片材压延辊组件由两个反向旋转的片材压延辊8组成，两片材压延辊之间的间隙即为片材制品9成型厚度，且两压延辊间隙可调，如图7所示。

基于动态延展的超高分子量聚合物片材轧制成型方法，在实施例1的方法得到管状胚后在片材压延辊组件辊压下成型为片材制品9。

本实施例未提及部分同实施例1，此处不再赘述。

实施例3

基于动态延展的超高分子量聚合物纤维轧制成型设备，如图8所示，包括拉伸流变挤出机、轧制成型模头、片材压延辊组件、切割辊组件、轧制辊组件和牵引辊14；切割辊组件由带锥刀的切割辊10和无锥刀的切割辊15组成，带锥刀的切割辊的表面等距设有若干环向的锥形槽形成等距的锥刀，如图9所示；轧制辊组件由两轧制辊12组成，轧制辊的表面等距设有若干环向的圆弧槽，两个轧制辊之间的圆弧槽一一对应形成若干圆柱型的模腔，如图10所示。

基于动态延展的超高分子量聚合物纤维轧制成型方法，在实施例2的方法得到片材后，片材接着被切割辊组件切成许多等尺寸的条状胚11，条状胚11接着被轧制辊组件12的轧制作用下成型为圆形截面的纤维原丝13，继而在牵引辊14的拉伸作用下纺丝为纤维。

本实施例未提及部分同实施例2，此处不再赘述。

实施例4

基于动态延展的超高分子量聚合物膜制品轧制成型设备，如图11所示，包括拉伸流变挤出机、轧制成型模头和膜压延辊组件，膜压延辊组件由两个反向旋转的膜压延辊17组成，两膜压延辊间隙可调，且轧制成型模头开设通气孔19。

基于动态延展的超高分子量聚合物膜制品轧制成型方法，在实施例1的方法得到管状胚后将管状胚7前端封闭，从通气孔19往管状胚内通气，管状胚7被吹胀为膜泡16，膜泡被膜压延辊组件压成膜制品18。

本实施例未提及部分同实施例1，此处不再赘述。

基于动态延展的超高分子量聚合物轧制成型设备和成型方法，针对超高分子量聚合物的轧制成型，超高分子量聚合物的分子量越高，轧制成型的优势越明显；超高分子量聚合物是超高分子量聚合物原料也可以是未提高熔体流动性的超高分子量聚合物复合材料。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。