專利名稱：一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強塑料管材的成型原理及方法
技術(shù)領域：
本技術(shù)涉及各種塑料管材制件生產(chǎn)制造的原理方法，尤其是涉及塑料管材在其周
向上實現(xiàn)明顯自增強的半固態(tài)和固態(tài)擠出成型原理及方法。屬塑料制件的生產(chǎn)制造技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟和國家基礎設施建設的不斷發(fā)展，對大口徑塑料管材的需求更加突出。在給水系統(tǒng)中，大口徑管往往用作主管道，輸送的流體壓力相對較高，但此時由于受內(nèi)壓管的周向應力是其軸向應力的2倍，就必須將管材的壁厚設計得較厚才能滿足其周向強度的要求。因此，為了提高管材的耐壓強度，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)應力，這些附加內(nèi)應力經(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致管材的內(nèi)應力產(chǎn)生更加不利的疊加效應，而且由于壁厚增加用料增多導致的經(jīng)濟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。雖然近年來也開發(fā)了不少自增強塑料管材的方法，但是由于在這些方法中所獲得的自增強結(jié)構(gòu)和效果又由于其處在較高的溫度環(huán)境下而大量熔融回復而消失，因而改善效果始終不是特別明顯。

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、低成本又具有較高周向強度等的不足，特別是近年來所出現(xiàn)的新方法無法大量留存自增強結(jié)構(gòu)與效果的不足，提供一種能在同樣壁厚且不添加任何其他增強劑的前提下大幅度提升管材周向強度并將這些改善效果很好地保留下來的擠出成型方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的為了提升管材周向強度，而又不增加其壁厚和添加其他任何增強劑，則須在管材擠出成型過程中大量形成沿管材周向取向結(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)，而且將這些高性能凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)大量地留存于最終產(chǎn)品的微觀組織中。其特點是在所成型物料熔點溫度之下的溫度區(qū)間內(nèi)對擠出成型的管材施加周向剪切應力場，使聚合物大分子及大分子鏈等微觀結(jié)構(gòu)在此周向剪切應力場的影響驅(qū)動下大量形成沿管材周向取向結(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)并大量留存于制品的微觀結(jié)構(gòu)中。其工藝步驟為
——原材料的除濕烘料
——原材料加入擠出機塑化
—熔融塑料經(jīng)擠出機擠出—塑料管材在周向剪切應力場擠管模內(nèi)進行半固態(tài)及固態(tài)擠出自增強成型
3
——冷卻定型
——切割收取 本發(fā)明管材周向增強的機理是這樣實現(xiàn)的讓塑料材料在擠出成型塑料管材的過程中通過一個周向剪切應力場，該應力場由一個特制的擠管裝置產(chǎn)生并控制調(diào)節(jié)，而此裝置一直處在所成型物料熔點溫度之下的溫度場中。在塑料管材的擠出成型過程中，熔融塑料流經(jīng)周向剪切應力場時，該熔融塑料已經(jīng)冷卻成半固態(tài)和固態(tài)的混合物，且由于剪切旋轉(zhuǎn)套筒的剪切誘導作用而產(chǎn)生線性晶核一原纖，線性晶核在剪切誘導的繼續(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，并最終形成取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)。同時由于整個應力場都處在熔點溫度之下的溫度環(huán)境中，因而這些結(jié)構(gòu)一旦形成就大量在聚合物管材中保留下來而避免了在高溫熔融狀態(tài)下的大量結(jié)晶熔融和取向回復。它們與經(jīng)同樣原理大量保留下來的仍然沿著管材周向取向的大分子和結(jié)晶結(jié)構(gòu)一起共同促使管材的周向性能獲得增強改善。這就是本發(fā)明中聚合物管材能夠獲得周向明顯自增強的機理。
本發(fā)明將聚合物大分子的取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)增強產(chǎn)晶性能的原理應用于塑料管材的生產(chǎn)制造行業(yè)并通過低于熔點的溫度環(huán)境將這些性能大量地保留，因此，利用本發(fā)明方法生產(chǎn)的塑料管材，管材周向上的強度和模量都可明顯獲得增強，極大地提升了受內(nèi)壓管材對材料性能的現(xiàn)實需求。經(jīng)增強以后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)明設備投資少，原料成本低，生產(chǎn)費用低廉而制品性能特別優(yōu)良，具有較好的工業(yè)化前景。


圖1為本發(fā)明的塑料管材擠出成型工藝流程圖
圖2為本發(fā)明周向剪切應力場擠管原理示意圖
圖3為本發(fā)明自增強管材內(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，3.熔融塑料，4.測溫孔，5.溫度控制調(diào)節(jié)裝置，6. 口模，7.塑料管材，8.取向大分子，9.取向串晶，IO.取向串晶互鎖結(jié)構(gòu)。
具體實施例 在進行擠管生產(chǎn)前，通過溫度控制調(diào)節(jié)裝置5的溫度控制調(diào)節(jié)功能及測溫孔4內(nèi)熱電偶的溫度探測與反饋作用將整個周向剪切應力場擠管裝置置于所成型物料熔點溫度之下的溫度環(huán)境中直至整個裝置內(nèi)部的溫度都均勻一致后，開啟擠出機擠出熔融物料3，熔融塑料3流經(jīng)周向剪切應力場擠管裝置時已冷卻成固態(tài)與半固態(tài)的混合物，當此固態(tài)與半固態(tài)混合熔體流經(jīng)芯棒2的周向剪切應力場段時，由于剪切旋轉(zhuǎn)套筒1的剪切誘導作用而使熔融塑料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，并最終形成取向結(jié)晶的串晶互鎖結(jié)構(gòu)10。同時由于整個復合應力場都處在熔點之下的溫度環(huán)境中，因而這些結(jié)構(gòu)一旦形成就大量在聚合物管材7中保留下來。它們與經(jīng)同樣原理大量保留下來的仍然沿著管材周向取向的大分子8和結(jié)晶結(jié)構(gòu)9 一起共同促使管材的周向性能獲得明顯增強改善。
權(quán)利要求
一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強塑料管材的成型原理及方法，其特征在于其是在低于所成型物料熔點溫度的環(huán)境中及周向剪切應力場下實現(xiàn)擠管成型工藝，其工藝步驟為——原材料的除濕烘料——原材料加入擠出機塑化——熔融塑料經(jīng)擠出機擠出——塑料管材在周向剪切應力場下實現(xiàn)半固態(tài)固態(tài)周向自增強成型——冷卻定型——切割收取。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強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所述的一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強塑料管材的成型原理 及方法，其特征在于通過施加周向剪切應力場于擠管成型過程中而獲得具 有自增強功能的 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所述的一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強塑料管材的成型原 理及方法，其特征在于在周向剪切應力場中，由于周向旋轉(zhuǎn)剪切套筒的剪切誘導作用，高分 子聚合物通過周向的取向結(jié)晶分布來實現(xiàn)管材周向的自增強。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3和4所述的一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強塑料管材的成型 原理及方法，其特征在于整個的擠管成型過程都是處在一個低于所成型物料熔點溫度的溫 度場中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半固態(tài)及固態(tài)擠出周向自增強塑料管材的成型原理及方法，其特點是在所成型物料熔點溫度之下的溫度環(huán)境中的周向剪切應力場下實現(xiàn)半固態(tài)及固態(tài)擠管成型工藝，其工藝步驟依次為原料干燥，擠出機塑化，熔料擠出，半固態(tài)及固態(tài)擠出自增強成型，冷卻定型，切割收取。利用本發(fā)明方法生產(chǎn)的塑料管材，管材周向上的強度和模量都獲得了很好的增強，更優(yōu)化地配置了材料的性能，提升了受內(nèi)壓管材對材料性能的現(xiàn)實需求。經(jīng)增強以后，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)明設備投資少，原料成本低，生產(chǎn)費用低廉而制品性能特別優(yōu)良，具有較好的工業(yè)化前景。
文檔編號B29C47/24GK101746046SQ20081023717
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)明者李又兵, 沈洪雷, 申開智, 袁毅, 高雪芹 申請人:重慶工商大學