[发明专利]一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法

说明书

本发明公开了一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法，通过对多级温控锥形取向装置(7)多级扩胀结构及多级温控单元的构建、芯棒(6)水平稳定定位结构的设计、多级温控锥形取向装置(7)表面高耐磨自润滑防腐纳米复合涂层的制作及双轴取向管材连续加工成型方法的建立，实现结晶性聚合物管材管壁分子同时沿环向和轴向发生均匀、稳定的高度取向，进而同步提升管材沿两个方向的力学强度，大幅改善管材耐压性能。

技术领域

本发明属于塑料管管材生产、加工设备领域，涉及一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置及方法。

背景技术

聚合物管材综合性能优异，广泛用于建筑给排水、燃气输送、电工电讯防护及农业灌溉等领域。目前，市场上已获得应用的聚合物管材主要有聚乙烯(PE)管、聚氯乙烯(PVC)管、聚丙烯(PP)管、聚丁烯(PB)管及丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)管等，其中以PE、PP及PB管为代表的结晶性聚合物管材在各种管材中所占比例达50％以上，且占有率呈逐年增长的态势。

在水/气输配领域，随管网输送压力增大、管道口径增加及对管网安全性要求的日益提高，对聚合物管材的耐压强度提出了更高要求。为此，PE、PP等结晶性聚合物管材专用原料的聚合技术已经历了长达数十年的发展，利用分子结构调控及聚合技术发展提升管材性能的相关研究已达较为完善的水平。诸多研究者还围绕该类聚合物管原料复合增强改性及多层复合管件加工技术开展了大量的研究工作，使其管道耐压强度得以进一步提升，如CN201910480309.8在PE管材原料中添加高密度聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳基复合材料、纳米硼纤维等增强填料，所制备的复合管材耐压强度可提升32％；CN202010098171.8采用多层钢丝缠绕工艺制备了内外管之间具有交错缠绕钢丝网格状增强结构的三层PE复合管，其具有高强、高耐压、耐腐蚀等优点；CN201620102483.0制备了一种由外到内依次为PPR层、玻纤增强层及PE内层的多层复合管材，显著提升了管材的耐压性能。由此可知，除聚合改性外，目前对于结晶性聚合物管材的增强改性主要采用在管原料中添加增强填料或在管材加工成型过程中形成纤维/钢丝缠绕层及金属衬层等方法，虽可使管材抗压性能得到一定提升，但增强填料、增强缠绕层及内衬层的引入使管材增重严重，且存在废旧管道回收分离困难等问题，限制了其更为广泛的应用。

发明内容

结晶性聚合物的取向自增强是应用特殊的成型方法使材料内部大分子沿一定方向有序排列或形成取向结晶，从而获得内在增强效应，不存在外增强体系普遍存在的界面问题及密度增高问题，可赋予材料更加优异的高强、轻质特性。为此，本发明的目的是针对现有技术的不足，设计构建了双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型的装置及方法，本发明的方法将轴向拉力施加于受热的固相聚合物管坯上，使管坯通过横截面积与坯料横截面积不同的口模及芯轴，迫使管壁不仅沿轴向延伸且沿径向扩胀，促使管壁分子同时形成沿环向及轴向方向的分子运动与取向，构成偏离轴向的双向取向结晶结构，同时由于固相加工可有效限制大分子松弛行为，因此可实现较熔体加工更为高效的对取向结构的定构作用，大幅度提升管材环向/轴向强度及耐压强度。

由于在固相口模拉伸扩径过程中，随管材直径逐渐扩大，结晶性聚合物管壁分子链取向程度与结晶度不断增大，大量结晶相的形成导致管壁分子受限作用增强，管壁变形能力减弱，管坯扩径困难，为此本发明设计了具有多级扩胀结构及多级温控单元的取向装置，以分段调控扩径取向温度等工艺条件，实现对管材管径的分阶段柔性扩胀。此外，考虑到具有单悬臂结构的芯棒长度较长、易悬垂而难以水平定位，设计了具有磁性的取向装置，通过两者之间形成的均匀的磁吸力场可实现芯棒与多级温控锥形取向装置的水平稳定定位，保持连续加工装置的同轴同心性。为进一步减小管坯扩径阻力，在多级温控锥形取向装置的表面还构筑了高耐磨自润滑防腐聚氨酯/聚四氟乙烯-石墨烯纳米复合涂层，有利于扩径顺利进行。本发明的目的由以下技术措施实现：

·本发明提供一种双轴取向结晶性聚合物管材连续加工成型装置