專利名稱：一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及各種塑料管材制件的生產(chǎn)制造的原理方法，尤其是涉及塑料管材在其
軸向和周向上同時實(shí)現(xiàn)自增強(qiáng)的擠出成型原理及方法。屬塑料制件的生產(chǎn)制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟(jì)和國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，對大口徑塑料管材的需求更加突 出。在給水系統(tǒng)中，大口徑管往往用做主管道，輸送的流體壓力相對較高，但此時由于受內(nèi) 壓管的周向應(yīng)力是其軸向應(yīng)力的2倍，就必須將管材的壁厚設(shè)計得較厚才能滿足其周向強(qiáng) 度的要求。同時塑料管材畢竟是塑料制品，其剛度強(qiáng)度等都遠(yuǎn)不及鑄鐵管，因而其在工程安 裝使用中必須合理地進(jìn)行支撐方能安全使用，尤其是橫管，在管徑小于50mm的小管徑塑料 橫管安裝中最多不超過半米就得使用一個支撐；而且塑料管尤其容易受到破壞，在室外綜 合管網(wǎng)交叉施工時，人工、機(jī)械器具足以對其造成不同程度破壞，甚至粉粹、斷裂；管道回填 時，塑料管材也常因管道部分架空或遭較大堅硬物壓迫而破損。這些不利因素又要求管材
的軸向剛度和強(qiáng)度越高越好，才能少用支撐，更不易被破壞。因此，為了提高管材的耐壓強(qiáng) 度和剛度，如采用普通方法的話就必須增大管材的壁厚。但是壁厚增大后又帶來了由不均 勻受熱或冷卻、固態(tài)相變時伴有的體積變化、各部分變形程度的差異及收縮阻礙等因素引 起的附加內(nèi)應(yīng)力，這些附加內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過疊加之后將使管材的受力狀況更加惡化。因此單純 依靠增加管材壁厚的方法將導(dǎo)致管材的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生更加不利的疊加效應(yīng)，而且由于壁厚增 加用料增多導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)效益下降等因素也使得管材的壁厚不能任意增厚。而目前常規(guī)的塑 料管材擠出成型方法還無法克服如此兩難的困境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前常規(guī)的塑料管材擠出成型方法所生產(chǎn)的管材無法同
時滿足既薄壁、低成本、高效益又具有較高剛強(qiáng)度等的不足，提供一種能在同樣壁厚且不添
加任何其他增強(qiáng)劑的前提下同時提升管材周向和軸向強(qiáng)度的擠出成型方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的為了同時提升管材周向和軸向強(qiáng)度，而又不增加其
壁厚和添加其他任何增強(qiáng)劑，則須在管材擠出成型過程中形成沿管材周向和軸向取向結(jié)晶
的大分子、串晶及串晶互鎖等聚合物的高性能凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是在擠出成型過程中對
成型的管材施加周向剪切和軸向拉伸的雙向復(fù)合應(yīng)力場，使聚合物大分子及大分子鏈等微
觀結(jié)構(gòu)在此周向剪切軸向拉伸雙向復(fù)合應(yīng)力場的影響驅(qū)動下而形成沿管材周向和軸向取
向結(jié)晶的大分子、串晶及串晶互鎖等聚合物的高性能凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，其工藝步驟為 ——原材料的除濕烘料 ——原材料加入擠出機(jī)塑化 ——熔融塑料經(jīng)擠出機(jī)擠出 ——塑料管材在雙向復(fù)合應(yīng)力場擠管模內(nèi)的周向和軸向自增強(qiáng)成型
——冷卻定型
——切割收取 本發(fā)明管材雙向增強(qiáng)的機(jī)理是這樣實(shí)現(xiàn)的讓塑料材料在擠出成型塑料管材的 過程中通過一個剪切拉伸雙向復(fù)合應(yīng)力場，該復(fù)合應(yīng)力場由一個特制的擠管裝置產(chǎn)生并控 制調(diào)節(jié)。在塑料管材的擠出成型過程中，熔融塑料依次通過該裝置的剪切應(yīng)力場和拉伸 應(yīng)力場，當(dāng)熔體流經(jīng)周向剪切應(yīng)力場時，由于剪切旋轉(zhuǎn)套筒的剪切誘導(dǎo)作用而產(chǎn)生線性晶 核一一原纖，線性晶核在剪切誘導(dǎo)的繼續(xù)作用下不斷生長、取向、有序排列而完成初次取向 結(jié)晶過程，并形成初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)及 聚合物的大分子與大分子鏈隨后流經(jīng)拉伸應(yīng)力場時，初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)及聚合 物的大分子與大分子鏈又順著拉伸應(yīng)力場取向結(jié)晶，部分未初次取向結(jié)晶的聚合物大分子 及大分子鏈就形成了與拉伸應(yīng)力場方向(即管材的軸向方向)一致的初次取向結(jié)晶的串 晶互鎖結(jié)構(gòu)，而已經(jīng)初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)及聚合物的大分子與大分子鏈在拉伸應(yīng) 力場的作用下雖然也向著拉伸應(yīng)力場方向(管材的軸向方向)取向排列并深度結(jié)晶，但是 當(dāng)它們從管材周向方向逐漸向管材軸向方向傾斜靠近時，由于這些取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的活動性 還不足夠強(qiáng)，使得熔體已經(jīng)流過了拉伸應(yīng)力場時而這些結(jié)構(gòu)大部分還遠(yuǎn)沒到達(dá)管材的軸向 方向，因而形成了既不沿著管材的軸向也不沿著管材的周向的傾斜排列結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié) 構(gòu)在位置變換的過程中由于拉伸外場的作用進(jìn)而進(jìn)行著深度的取向結(jié)晶而形成二次取向 結(jié)晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些結(jié)構(gòu)在聚合物管材中保留下來就獲得了二次取向結(jié)晶串晶互鎖結(jié)構(gòu)。它 們與被保留下來的仍然沿著管材軸向或周向的取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)一起共同促使管材的軸向和 周向性能獲得增強(qiáng)改善。這就是本發(fā)明中聚合物管材能夠獲得軸向和周向雙向自增強(qiáng)的機(jī) 理。 本發(fā)明將聚合物大分子的取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)增強(qiáng)產(chǎn)品性能的原理應(yīng)用于塑料管材的 生產(chǎn)制造行業(yè)，利用本發(fā)明方法生產(chǎn)的塑料管材，管材的強(qiáng)度和模量都同時獲得了軸向和 周向上的雙向增強(qiáng)，消除了熔接痕缺陷，且管材周向上的強(qiáng)度與模量都可超過或接近其軸 向上的強(qiáng)度與模量，更優(yōu)化地配置了材料的性能，更好地滿足了受內(nèi)壓管材對材料性能的 現(xiàn)實(shí)需求。經(jīng)增強(qiáng)以后，管材在軸向和周向上的取向程度也比常規(guī)管材的高，且增強(qiáng)管材的 晶片厚度更厚，結(jié)晶度更高，因而耐熱性也較常規(guī)管材有明顯的改善。本發(fā)明生產(chǎn)效率高， 設(shè)備投資少，原料成本低，生產(chǎn)費(fèi)用低廉而制品性能優(yōu)良，能滿足工業(yè)化生產(chǎn)條件，具有較 好的工業(yè)化前景與經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為本發(fā)明的塑料管材擠出工藝流程圖 圖2為本發(fā)明雙向復(fù)合應(yīng)力場擠管原理示意圖 圖3為本發(fā)明雙向自增強(qiáng)管材內(nèi)部的微觀分子結(jié)構(gòu)模型示意圖 圖中1.剪切旋轉(zhuǎn)套筒，2.芯棒剪切應(yīng)力場段，3.熔融塑料，4.測溫孔，5.溫度控
制調(diào)節(jié)裝置，6.芯棒拉伸應(yīng)力場段，7.芯棒口模成型段，8.塑料管材，9. 口模，IO. 二次取向
結(jié)晶串晶互鎖結(jié)構(gòu)，ll.取向串晶互鎖結(jié)構(gòu)，12.錐形折疊鏈片狀晶體，13.伸展鏈晶體。
具體實(shí)施例 當(dāng)熔體流經(jīng)芯棒周向剪切應(yīng)力場段2時，由于剪切旋轉(zhuǎn)套筒1的剪切誘導(dǎo)作用而使熔融塑料3產(chǎn)生線性晶核——原纖，線性晶核在剪切旋轉(zhuǎn)套筒1剪切誘導(dǎo)的繼續(xù)作用下 不斷生長、取向、有序排列而完成初次取向結(jié)晶過程，并形成初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu) 11。當(dāng)這些初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)11及聚合物的大分子與大分子鏈隨后流經(jīng)芯棒 拉伸應(yīng)力場段6時，初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)11及聚合物的大分子與大分子鏈又順著 拉伸應(yīng)力場取向結(jié)晶，部分未初次取向結(jié)晶的聚合物大分子及大分子鏈就形成了與拉伸應(yīng) 力場方向(即管材的軸向方向) 一致的初次取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)ll，而已經(jīng)初次取向 結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)11及聚合物的大分子與大分子鏈在拉伸應(yīng)力場的作用下雖然也沿著 拉伸應(yīng)力場方向(管材的軸向方向)取向排列并深度結(jié)晶，但是當(dāng)它們從管材周向方向逐 漸向管材軸向方向傾斜靠近時，由于這些取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的活動性還不足夠強(qiáng)，使得熔體已 經(jīng)流過了拉伸應(yīng)力場時而這些結(jié)構(gòu)大部分還遠(yuǎn)沒到達(dá)管材的軸向方向，因而形成了既不沿 著管材的軸向也不沿著管材的周向的傾斜排列的結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié)構(gòu)在位置變換的過程中 由于拉伸外場的作用進(jìn)而進(jìn)行著深度的取向結(jié)晶而形成二次取向結(jié)晶串晶互鎖結(jié)構(gòu)10。它
們與被保留下來的仍然沿著管材軸向或周向取向的結(jié)晶結(jié)構(gòu)11 一起共同促使管材的軸向 和周向性能獲得增強(qiáng)改善。
權(quán)利要求
一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法，其特征在于其是在剪切拉伸雙向復(fù)合應(yīng)力場下實(shí)現(xiàn)擠管成型工藝，其工藝步驟為——原材料的除濕烘料——原材料加入擠出機(jī)塑化——熔融塑料經(jīng)擠出機(jī)擠出——塑料管材在雙向復(fù)合應(yīng)力場下實(shí)現(xiàn)周向和軸向自增強(qiáng)成型——冷卻定型——切割收取。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法，其特征在 于該方法所成型的塑料管材具有沿管材周向和軸向取向結(jié)晶的大分子、串晶及串晶互鎖等 聚合物的高性能凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法，其特 征在于通過施加剪切拉伸雙向復(fù)合應(yīng)力場于擠管成型過程中而獲得具有自增強(qiáng)功能的聚 合物材料的高性能凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法，其 特征在于該方法成型時，熔融塑料是依次流經(jīng)周向剪切應(yīng)力場和軸向拉伸應(yīng)力場而獲得周 向和軸向的雙向增強(qiáng)的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3和4所述的一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法， 其特征在于在周向剪切應(yīng)力場中，由于周向旋轉(zhuǎn)剪切套筒的剪切誘導(dǎo)作用，高分子聚合物 通過周向的取向結(jié)晶分布來實(shí)現(xiàn)管材周向增強(qiáng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3和4所述的一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法， 其特征在于在軸向拉伸應(yīng)力場中，由于芯棒與口模之間的收斂流道的拉伸誘導(dǎo)作用，高分 子聚合物沿著軸向取向結(jié)晶分布來實(shí)現(xiàn)管材軸向增強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擠出雙向自增強(qiáng)塑料管材的成型原理及方法，其特點(diǎn)是在剪切拉伸雙向復(fù)合應(yīng)力場下實(shí)現(xiàn)擠管成型工藝，其工藝步驟依次為原料干燥，擠出機(jī)塑化，熔料擠出，雙向自增強(qiáng)成型，冷卻定型，切割收取。利用本發(fā)明生產(chǎn)的塑料管材，管材的強(qiáng)度和模量都同時獲得了軸向和周向上的雙向增強(qiáng)，管材周向上的強(qiáng)度與模量都可超過或接近其軸向上的強(qiáng)度與模量，更優(yōu)化地配置了材料的性能，更好地滿足了受內(nèi)壓管材對材料性能的現(xiàn)實(shí)需求。經(jīng)增強(qiáng)以后，晶片厚度更厚，結(jié)晶度更高，因而耐熱性也較常規(guī)管材有明顯的改善。本發(fā)明生產(chǎn)效率高，設(shè)備投資少，原料成本低，生產(chǎn)費(fèi)用低廉而制品性能優(yōu)良，能滿足工業(yè)化生產(chǎn)條件，具有較好的工業(yè)化前景與經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號B29C47/20GK101746044SQ20081023717
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者張 杰, 李又兵, 沈洪雷, 申開智, 袁毅, 高雪芹 申請人:重慶工商大學(xué)