專利名稱：一種半固態(tài)及固態(tài)擠出雙向自增強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現(xiàn)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(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟和國家基礎(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(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 度的要求。同時塑料管材畢竟是塑料制品，其剛度強度等都遠不及鑄鐵管，因而其在工程安 裝使用中必須合理地進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 度和剛強度，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(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(fù)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、低成本又具有較高剛度與強度等的不足，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 前提下同時大幅度提升管材周向和軸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)的為了同時提升管材周向和軸向強度，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)，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和軸向拉伸的雙向復(fù)合應(yīng)力場，使聚合物大分子及大
3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)動下大量形成沿管材
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)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 ——塑料管材在雙向復(fù)合應(yīng)力場擠管模內(nèi)進行半固態(tài)及固態(tài)擠出自增強成型
——冷卻定型
——切割收取 本發(fā)明管材雙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)，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，由于剪切誘導(dǎo)作用而產(chǎn)生線性晶核——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，使得熔體已經(jīng)流過了拉伸應(yīng)力場時而 這些結(jié)構(gòu)大部分還遠沒到達管材的軸向方向，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而進 行著深度的取向結(jié)晶而形成大量的二次取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)。同時由于整個復(fù)合應(yīng)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(fù)。它們與經(jīng)同樣原理大量保留下來的仍然 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)品性能的原理應(yīng)用于塑料管材的 生產(chǎn)制造行業(yè)并通過半固態(tài)及固態(tài)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，管材的強度和模量都可明顯獲得軸向和周向上的雙向增強，極大地 提升了滿足受內(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(shè)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
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圖3為本發(fā)明雙向自增強管材內(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雙向復(fù)合應(yīng)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)雙向復(fù)合應(yīng)力場擠管裝置時已冷卻成固態(tài)與半固態(tài)的混合物，當(dāng)此固態(tài)與 半固態(tài)混合熔體流經(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，使得熔體已 經(jīng)流過了拉伸應(yīng)力場時而這些結(jié)構(gòu)大部分還遠沒到達管材的軸向方向，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而進行著深度的取向結(jié)晶而大量形成二次取向結(jié)晶串晶互鎖結(jié)構(gòu) 10。同時由于整個復(fù)合應(yīng)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8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軸向或周 向的取向結(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明顯增強改善。
權(quán)利要求
一種半固態(tài)及固態(tài)擠出雙向自增強塑料管材的成型原理及方法，其特征在于其是處在所成型物料熔點溫度之下的溫度環(huán)境中并在剪切拉伸雙向復(fù)合應(yīng)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——塑料管材在雙向復(fù)合應(yīng)力場下實現(xiàn)半固態(tài)及固態(tài)擠出雙向自增強成型——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)擠出雙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大量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所述的一種半固態(tài)及固態(tài)擠出雙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)擠出雙向自增強塑料管材的成型原 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的。
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)擠出雙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(yīng)力場中，由于周向旋轉(zhuǎn)剪切套筒的剪切誘導(dǎo)作用，高 分子聚合物通過大量的周向取向結(jié)晶分布來實現(xiàn)管材周向增強。
6. 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)擠出雙向自增強塑料管材的成型 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)作用而使高分子聚合物大量沿著軸向取向結(jié)晶分布來實現(xiàn)管材軸向增強。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5和6所述的一種半固態(tài)及固態(tài)擠出雙向自增強塑料管材的 成型原理及方法，其特征在于整個擠管成型過程始終處于所成型物料熔點溫度之下的溫度 環(huán)境中，因而熔融塑料在擠管成型過程中已冷卻至半固態(tài)與固態(tài)的混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及各種塑料管材制件的生產(chǎn)制造的原理方法，其特點是在所成型物料熔點溫度之下的溫度環(huán)境中的剪切拉伸雙向復(fù)合應(yīng)力場下實現(xiàn)半固態(tài)及固態(tài)擠管成型工藝，其工藝步驟為原材料干燥→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，管材的強度和模量都明顯獲得了軸向和周向上的雙向增強，更優(yōu)化地配置了材料的性能，明顯提升了受內(nèi)壓管材對材料性能現(xiàn)實需求的滿足程度。經(jīng)增強以后，管材在軸向和周向上的取向程度也明顯比常規(guī)管材的高，且增強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(shè)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B29C47/20GK101746041SQ20081023716
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(xué)