傳統(tǒng)熱塑性塑料管材的擠出成型，熔體活動(dòng)方向平行于管材軸線(xiàn)，管壁中塑料大分子鏈沿平行于管材軸線(xiàn)取向，管壁的強(qiáng)度是軸向大于周向，而承壓管材的受力則是周向?yàn)檩S向的二倍，因而軸向和周向強(qiáng)度與軸向和周向應(yīng)力相悖。熱塑性塑料管材擠出涂覆成型將熔體活動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)為與管材軸線(xiàn)挨近筆直，塑料大分子鏈以沿管材周向取向?yàn)橹?，使塑料管材周向?qiáng)度大于軸向，使軸向、周向的強(qiáng)度和受力保持一致。

1、前語(yǔ)

熱塑性塑料管材創(chuàng)造至今，已有七十余年的前史，塑料管材的品種、用量、運(yùn)用技能和制作技能等都獲得驚人進(jìn)步。

可是，傳統(tǒng)熱塑性塑料管材的擠出成型，塑料熔體的活動(dòng)方向平行于管材軸線(xiàn)，七十余年來(lái)基本無(wú)變化。此舉帶來(lái)的壞處是：管壁中塑料大分子鏈?zhǔn)茄仄叫杏诠懿妮S線(xiàn)取向的，管壁的強(qiáng)度是平行于管材軸線(xiàn)方向大于筆直于管材軸線(xiàn)方向。這與承壓管材承受內(nèi)壓時(shí)管壁受力恰恰相反。根據(jù)承壓管材的受力分析，當(dāng)管材在承受內(nèi)壓時(shí)，管壁中沿圓周發(fā)生的應(yīng)力約為管壁中平行于管軸線(xiàn)所發(fā)生應(yīng)力的兩倍以上。

原本塑料的強(qiáng)度就比金屬低許多，塑料強(qiáng)度高的方向并未用于塑料管材強(qiáng)度需要高的環(huán)向管壁上，而是落在了相對(duì)而言強(qiáng)度要求不高的軸向上，這一現(xiàn)象的存在，無(wú)疑是一種很大的糟蹋。不同的塑料，這種各向異性不同的大小也不盡相同，如最簡(jiǎn)單取向的TLCP，當(dāng)選用注射成型時(shí)，平行于熔體活動(dòng)方向的強(qiáng)度高達(dá)筆直于熔體活動(dòng)方向的三倍左右，也就是說(shuō)，強(qiáng)度可達(dá)150MPa的TLCP，當(dāng)選用傳統(tǒng)擠出成型法制作管材時(shí)，其可利用強(qiáng)度缺乏50MPa。

中國(guó)專(zhuān)利CN101332667A公開(kāi)了一種長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)塑料管材擠出機(jī)頭，詳細(xì)涉及一種安裝在塑料擠出機(jī)上且具有長(zhǎng)玻璃纖維在線(xiàn)螺旋復(fù)配特點(diǎn)的塑料圓形管材擠出機(jī)頭。該設(shè)備具有玻璃纖維的輸入及纖維與熔體的混合分布設(shè)備和芯棒滾動(dòng)設(shè)備，該機(jī)頭的混合分布設(shè)備成功將一定長(zhǎng)度經(jīng)偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維輸入到已塑料化的塑料熔體中，并使玻璃纖維均勻地混合到其中，成為纖塑混合熔體。該機(jī)頭的芯棒滾動(dòng)設(shè)備完成了熔體在芯棒和口模間由沿芯棒軸線(xiàn)活動(dòng)到繞芯棒螺旋方向活動(dòng)的改動(dòng)，直至固化。上述設(shè)備擠出的塑料管材中，聚合物分子和長(zhǎng)玻璃纖維沿軸線(xiàn)的螺旋方向取向，大大進(jìn)步了管材的周向強(qiáng)度。

可是，上述塑料管材中長(zhǎng)玻璃纖維周向排布是通過(guò)芯棒在口模中的旋轉(zhuǎn)完成的，需要外加驅(qū)動(dòng)動(dòng)力并設(shè)置相應(yīng)的傳動(dòng)設(shè)備(如芯棒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)鏈輪、芯棒旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈輪支架、芯棒旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈條、可旋轉(zhuǎn)芯棒與傳動(dòng)從動(dòng)鏈輪)，不只消耗能量且機(jī)頭結(jié)構(gòu)雜亂;另外，上述設(shè)備中一個(gè)無(wú)法克服的壞處是，熔體隨芯棒旋轉(zhuǎn)并被逐漸推出口模冷卻定型的過(guò)程中，管胚中存在著旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而管材除了必須進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)外，又增加了一種無(wú)謂的的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且這旋轉(zhuǎn)應(yīng)力將被凍結(jié)在管壁中，這是所有熱塑性塑料管材的擠出成型所不允許的;另外，大都塑料的擠出加工熔體溫度約為200℃左右，有的甚至高達(dá)400℃左右，塑料在擠出過(guò)程中的熔體壓力高達(dá)數(shù)兆帕至數(shù)十兆帕，填加了玻纖的聚合物熔體壓力必然更高，致使芯棒與軸承座之間的密封十分困難，簡(jiǎn)單構(gòu)成熔體走漏，影響設(shè)備的正常工作，并增加操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備損壞等狀況的發(fā)生。

2、熱塑性塑料管材的擠出涂覆成型

首要熱塑性塑料管材的成型，傳統(tǒng)辦法為擠出成型。如上所述，在擠出成型過(guò)程中，熔體活動(dòng)方向與管材軸線(xiàn)平行，大分子鏈也平行于管材軸線(xiàn)取向，管壁的強(qiáng)度是平行于管材軸向大于筆直于管材軸向。為進(jìn)步塑料管材功能，賦予其新的功能，常對(duì)塑料管材外外表進(jìn)行修飾加工，以進(jìn)步塑料管材的強(qiáng)度、韌性、彈性模量，或阻氧性、防靜電及導(dǎo)電性、阻燃性等。傳統(tǒng)的擠出涂覆辦法，熔體活動(dòng)方向也是平行于管材軸線(xiàn)的。

為改動(dòng)這一落后技能，曼瑞德自控系統(tǒng)公司申請(qǐng)了PCT專(zhuān)利，并獲美國(guó)授權(quán)，如圖2所示。選用這項(xiàng)專(zhuān)利技能，使塑料管材在擠出成型過(guò)程中，熔體活動(dòng)方向由平行于管材軸線(xiàn)改動(dòng)為筆直于管材軸線(xiàn)方向，塑料大分子鏈取向也由平行于管材軸線(xiàn)改動(dòng)為與管材軸線(xiàn)筆直，并與管材園周相切，管壁強(qiáng)度筆直于管材軸線(xiàn)方向大于平行于管材軸線(xiàn)，纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料管材亦將完成真實(shí)意義上的筆直于管材軸線(xiàn)方向上的增強(qiáng)。這個(gè)專(zhuān)利提供了一種改動(dòng)熔體活動(dòng)方向的關(guān)鍵技能，即含有導(dǎo)流板的擠出涂覆機(jī)頭及含有涂覆機(jī)頭的塑料管材涂覆成型設(shè)備。

由導(dǎo)流板兩邊發(fā)生的兩股熔體流，違拗、逆時(shí)針?lè)较蚧顒?dòng)，涂覆在芯管構(gòu)成的管胚外壁，熱塑性塑料的大分子鏈準(zhǔn)沿著管胚周向取向。在牽引機(jī)施于管材的軸向線(xiàn)速度的作用下，兩股熔體流將構(gòu)成穿插擺放，穿插視點(diǎn)由牽引速度與熔體流速?zèng)Q定。

熱塑性塑料管擠出涂覆成型設(shè)備(2、原料預(yù)處理設(shè)備;5、涂覆層供料擠出機(jī);6、擠出涂覆機(jī)頭;7、定徑冷卻設(shè)備;8、牽引設(shè)備;9、制品管卷取設(shè)備;10、芯管擠出成型機(jī))

熱塑性塑料管材擠出涂覆成型是這樣完成的：擠出涂覆機(jī)頭6中設(shè)有兩只導(dǎo)流板，由兩臺(tái)擠出機(jī)供料。一只導(dǎo)流板承受來(lái)自擠出機(jī)10熔融塑化的聚合物熔體并擠出成型芯管，另一只導(dǎo)流板承受來(lái)自擠出機(jī)5熔融塑化的聚合物熔體并擠出涂覆在芯管之外，經(jīng)冷卻定型可得制品管。

熱塑性塑料管材的生產(chǎn)過(guò)程是靠牽引機(jī)的牽引力將管胚引出口模進(jìn)入定徑冷卻設(shè)備的，在牽引力的作用下，導(dǎo)流板構(gòu)成的兩股相向而行的熔體流將繞芯棒呈螺旋軌跡被拉伸構(gòu)成了網(wǎng)狀，可稱(chēng)為穿插復(fù)合。螺旋角的大小由擠出速度與牽引速度之比確認(rèn)，其中環(huán)向強(qiáng)度等于軸向強(qiáng)度的2倍的螺旋角(穿插復(fù)合角)為抱負(fù)的視點(diǎn)。圖6中制品管實(shí)踐為四層結(jié)構(gòu)，四層中的大分子鏈沿管材園周取向。

3、熱塑性塑料管材擠出涂覆成型的運(yùn)用

TLCP具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱、高抗沖、高耐磨、高阻燃、高阻隔、耐腐蝕、低蠕變、低熱導(dǎo)等特點(diǎn)，功能超群?？墒瞧浯蠓肿渔湗O易取向，制品各向異性嚴(yán)重，熔接縫強(qiáng)度與非熔接縫處強(qiáng)度相差懸殊，約束了該產(chǎn)品的廣泛運(yùn)用。選用熱塑性塑料管材擠出涂覆成型技能擠出涂覆成型TLCP管材，或許TLCP/TP合金管材，TLCP的棒狀大分子將挨近筆直于管材軸線(xiàn)取向，這種取向?qū)⑹滓w現(xiàn)在管材的周向強(qiáng)度上，并且熔接縫強(qiáng)度低的壞處將被穿插復(fù)合所補(bǔ)償。

3.1TLCP輸汽管道

    用于運(yùn)送較高溫度的蒸汽時(shí)，與金屬管材比較，可以節(jié)約很多防腐費(fèi)用和保溫費(fèi)用，運(yùn)用壽命長(zhǎng);與傳統(tǒng)擠出成型法比較，管材承壓能力可進(jìn)步一倍以上。

3.2TLCP原油集輸管道

    與金屬管材比較，可以節(jié)約很多防腐費(fèi)用、很多伴熱保溫費(fèi)用，運(yùn)用壽命長(zhǎng);與傳統(tǒng)擠出成型法比較，管材承壓能力可進(jìn)步一倍以上。

3.3TLCP/TPU合金油井抽油襯管

    可習(xí)慣5000公尺以?xún)?nèi)油井采油，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越UHMWPE襯管的2500公尺和PEX襯管的3500公尺。

3.4TLCP/PO合金阻氧塑料管

    耐水性、耐熱性、阻隔功能、力學(xué)功能等優(yōu)秀，二層結(jié)構(gòu)，功能超越選用EVOH五層結(jié)構(gòu)阻氧塑料管，廢料回收簡(jiǎn)單。(1、制品塑料管;2、原料處理設(shè)備;3、送管機(jī);4、管材外表預(yù)熱等離子處理設(shè)備;5、擠出機(jī);6、擠出涂覆機(jī)頭;7、定型冷卻設(shè)備;8、牽引機(jī);9、涂覆了TLCP/PO合金層的阻氧塑料管)

送管機(jī)3和引管機(jī)8線(xiàn)速度持平，將需外表改性或許增加新功能的半制品管如需涂覆阻氧層的PEXb管、PEXc管和同步交聯(lián)PEXa管等的半制品置于半制品管放卷機(jī)1上，經(jīng)送管機(jī)3和引管機(jī)8拖動(dòng)放卷，并進(jìn)入管材外表處理設(shè)備4中對(duì)管材外表處理，處理的辦法為等離子體處理、電暈處理，或許火焰處理等，經(jīng)外表處理過(guò)的半制品管進(jìn)入涂覆機(jī)頭6中，與通過(guò)原料處理設(shè)備2和涂覆層擠出機(jī)5熔融塑化的聚合物熔體集合。在涂覆機(jī)頭6中，熔體以與半制品管軸線(xiàn)筆直，并沿與半制品管外壁相切順逆時(shí)針?lè)较蚧顒?dòng)，被涂覆到半制品管的外外表后進(jìn)入定型冷卻水箱7冷卻定型，最終得到外外表經(jīng)擠出涂覆改性的管材阻氧層的阻氧管，并被收集到制品收卷機(jī)9上。