一种大口径双向拉伸pvc管材的生产设备及工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备及工艺，设备主要包括锥形双螺杆挤出机、挤出机头、真空定径装置A、第一牵引装置、再加热装置、拉伸扩径成型装置、真空定径装置B和第二牵引装置，所述这些装置依次直线排列形成生产线，拉伸扩径成型装置是由充气杆、扩张囊、扩张定径模具和定型囊组成，扩张囊和定型囊都为环形囊状结构，扩张囊在充气杆作用下连续扩张与收缩，扩张囊每扩张一次，通过扩张囊外环圆弧面的滚动作用，使被扩管材前进一小段距离，从而使管材的每一点都可以受到环形扩张，通过第一牵引装置与第二牵引装置间的拉伸比，使管材轴向产生拉伸，本发明成功地实现了扩径管材的连续生产，管材热收缩小，轴向力学性能得到增强。
【专利说明】—种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备及工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大口径PVC管材的生产技术，特别是双向拉伸的设备及工艺，属于高分子材料挤出成型领域。
【背景技术】
[0002]目前国内使用的塑料管道主要有聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、无规共聚聚丙烯(PP-R)三种，其中PVC管道所占的份额最大，约占据了 70%的市场份额。由于传统PVC管材具有质轻、耐化学药品性优良、电绝缘性较好、施工简易和价格便宜等特点，所以其广泛地应用于许多领域。但是对于大口径管材而言，传统的PVC管材制造工艺难以达到大口径管材的强度要求，由于技术的限制，国内可以生产大口径管材的企业较少。而本发明可以实现管材的双向拉伸，不仅提高了管材的力学强度，也可以在满足同样的公称压力下使管材的厚度降低，从而可以有效地节约原料，降低企业的生产成本。
[0003]双向拉伸管材技术最早始于英国,60年代利兹大学的1.M.Ward教授对多种聚合物的拉伸片、棒、薄膜、管和中空容器进行了研究，但其生产只限于小尺寸制品的间歇生产，难以大规模工业化。经过几代人的不断努力，1993年双向拉伸管材连续生产技术在英国终于实现了工业化。目前生产双向拉伸管材的国家主要有:英国的BTG集团、荷兰的Wavin公司、芬兰的Uponor公司、希腊的A.G.PETZETAKIS及日本三菱化学公司等。
[0004]国内对于双向拉伸管材的研究起步较晚，虽然也取得了一些科研成果，但大多数生产方式非连续，对生产设备要求较高，生产的制品性能不稳定，并且国内没有关于此项技术应用于大口径管材的报道，本发明涉及的内容正好填补了国内在这一领域的空白。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种连续生产大口径PVC双向拉伸管材的技术方案。该装置先将挤出的管坯加热至高弹态，通过控制两个牵引装置的速比使管材产生轴向拉伸，通过扩张囊的连续扩张使管材产生环向扩张。高弹态下的聚合物在外力作用下产生的大形变，可以引起聚合物的取向，由于高分子在无取向时分子间主要靠范德华力连接，而取向之后则是靠C-C键的连接，所以在其取向方向上的力学性能可以得到很大的提高。通过双向拉伸生产出的管材在轴向和环向上均可以得到很好的力学性能。
[0006]实现上述目的的技术方案是:一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备，主要包括锥形双螺杆挤出机、挤出机头、真空定径装置A、第一牵引装置、再加热装置、拉伸扩径成型装置、真空定径装置B和第二牵引装置，所述这些装置依次直线排列形成生产线，在锥形双螺杆挤出机与挤出机头之间装有过滤网，从而使熔体以直线运动的方式进入分流锥，这样可以使熔体平滑通过而不产生滞留。挤出机头为管材成型机头，通常挤出机头通过其内部的分流锥将来自挤出机的熔体成型为管状的管坯，挤出机头有口模、芯棒和口模压板，口模压板将口模固定在挤出机头上，口模压板与挤出机头通过螺栓进行连接。PVC熔体经过滤网和挤出机头挤出后，经过真空定径装置A后形成被扩管材，在第一牵引装置的作用下进入再加热装置，从而使被扩管材达到高弹态而进入拉伸扩径成型装置。被扩管材经拉伸扩径成型装置扩张后，经第二牵引装置引出进行后续切割打包工序。
[0007]拉伸扩径成型装置是整套设备的核心装置，它由充气杆、扩张囊、扩张定径模具和定型囊组成。扩张囊和定型囊都为环形囊状结构，扩张囊接近管坯的入口端的外环表面为弧度较小的圆弧面，扩张囊的内环表面为圆柱面，扩张囊内环表面的圆柱面长度小于扩张囊囊体的长度，扩张囊内环表面的圆柱面部分与充气杆固定，定型囊的外环表面为与被扩管材内径相匹配的圆柱面，定型囊的内环柱面的轴向长度大于或等于定型囊的外环柱面的轴向长度，定型囊的内环柱面与充气杆固定。扩张囊在充气杆的充气作用下连续扩张与收缩，从而对管材进行环形扩张，扩张囊每扩张一次，扩张区中的被扩管材前进一小段距离，从而使管材的每一点都可以受到环形扩张。扩张囊也可以设计为中空的圆柱形，圆柱的外环为一种较硬的橡胶或其他材料，其前后两个底面为一种质地较软的材料，充气扩张时，扩张囊随着被扩管材发生形变。
[0008]充气杆通过内螺纹与连接体连接，充气杆在扩张囊和定型囊部分都开有充气孔，有两个气管从挤出机头支架和连接体通过而进入充气杆，分别连接到扩张囊和定型囊。
[0009]一种连续生产大口径PVC双向拉伸管材的工艺流程为:
[0010]第一步:管材原料的配置。由于管材要进行双向拉伸，所以不采用商业用的加入了较多填料的管材，而使用自行配置的聚氯乙烯管材双向拉伸专用配方。PVC树脂选用管材生产常用的SG-5型树脂，与稳定剂、加工助剂等按照顺序投入到混合机中。高速混合到温度为60-70，°C转速为1000-1800转，然后低速搅拌来降低混合温度，以使其不会因温度过高而发生塑化结块现象，搅拌后成为熟料之后装入储料罐内放置备用。
[0011]第二步:塑化熔融挤出管坯。将原料加入双螺杆挤出机的料筒中，原料按一定的速率在挤出机内塑化、熔融。锥形双螺杆挤出机与挤出机头之间装有过滤网，可以使物料由旋转运动转变为直线运动，从而有利于熔体在挤出机头中的剪切和拉伸。挤出机头的压缩比为4-10，拉伸比为1.00-1.08，分流锥的扩张角为45° -60°，分流锥的长度为管材直径的1-1.5倍。分流筋的扩张角大于收缩角，分流筋的个数为3-6个。口模的长度为管材厚度的18-33 倍。
[0012]第三步:真空定径装置A中有许多的气室，带中心线的气室内侧有许多的小孔，气室里面是抽真空的，从而使管材内部压强大于外部，实现对管材的定径。不带中心线的气室内部有冷却水，对管材实现冷却定形。
[0013]第四步:再加热装置通过陶瓷外丝管和红外加热器对空气进行热辐射来实现管材的加热。设定的加热温度应该使管材达到粘弹态，一般设定为比其材料软化点高10°c左右，从而有利于后续的高弹扩张。
[0014]第五步:拉伸扩径成型装置是整套生产线的核心装置。拉伸扩径成型装置由充气杆、扩张囊、扩张定径模具和定型囊组成。扩张囊和定型囊都为环形囊状结构，扩张囊的外环表面为弧度较小的圆弧面，内环表面具有一段长度小于囊体长度的柱面，柱面部分与充气杆固定，定型囊的外环表面为与被扩管材内径相匹配的圆柱面，内环柱面为高度大于或等于外环柱面高度的柱面，内环柱面都与充气杆固定。充气杆在扩张系统段均匀的分布着直径为4-6mm的充气孔，充气杆通过充入空气和吸出空气实现对扩张囊的加压和减压。扩张囊在充气杆的作用下连续扩张与收缩。扩张囊每扩张一次，通过扩张囊外环圆弧面的滚动作用，使被扩管材前进一小段距离，从而使管材的每一点都可以受到环形扩张，在扩张囊的运动未达到最大位移的时候，充气杆已经开始吸气从而进入下一个扩张循环。定型囊一直处于充气状态，在定型囊的外侧有真空定径装置B，其结构与真空定径装置A相似，在定型囊和真空定径装置B的共同作用下可以对扩张管材起到保压定形的作用。
[0015]第六步:牵引装置由前后两个履带式牵引机组成，第一牵引机牵引被扩管材，第二牵引机牵引扩张管材。两者的速度比为1.1-1.9，由于两者的速度差，当管材被加热至高弹态时，可以使管材轴向产生1.1-1.9的拉伸比，最后得到的管材即为双向拉伸PVC管材。
[0016]上述方法中管材内部有用于双向拉伸的零部件，因而适合大型管材的生产。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]①创新性地设计了扩张囊的形状，这种在进行环向扩张时扩张囊外侧与管材同步运动的设计，成功地实现了扩径管材的连续生产。
[0019]②真空定径装置A与真空定径装置B提高了定型冷却的效率，使管材可以在较短的时间内冷却下来，减少了管材的热收缩。
[0020]③本发明通过控制先后两个牵引装置的速率比，使被加热至高弹态的管材产生轴向拉伸，增强了管材的轴向力学性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备布置图；
[0022]图2为本发明一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备的扩张囊收缩时的示意图；
[0023]图3为本发明一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备的扩张囊刚达到最大扩张直径时的不意图；
[0024]图4为本发明一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备的扩张囊外侧与管材同步运动时的不意图。
[0025]图中:1_锥形双螺杆挤出机，2-挤出机螺杆，3-挤出机头，4-挤出机头支架，5- 口模压板，6-真空定径装置A，7-第一牵引装置，8-再加热装置，9-拉伸扩径成型装置，10-真空定径装置B，11-第二牵引装置，12-密封垫圈，13-定型囊，14-扩张囊，15-充气杆，16-真空气室，17- 口模，18-连接体，19-加热套，20-气嘴，21-分流锥，22-过滤网，23-被扩管材。
【具体实施方式】
[0026]本发明涉及本发明一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备及工艺，设备如图1所示，其主要包括锥形双螺杆挤出机1、挤出机头3、真空定径装置A6、第一牵引装置7、再加热装置8、拉伸扩径成型装置9、真空定径装置B10、第二牵引装置11，所述这些装置依次直线排列形成生产线。锥形双螺杆挤出机I内有挤出机螺杆2，挤出机头3为管材成型机头，通常挤出机头3通过其内部的分流锥将来自双螺杆挤出机I的熔体成型为管状的管坯，挤出机头3有口模17、芯棒和口模压板5，口模压板5将口模固定在挤出机头3上，口模压板与挤出机头通过螺栓进行连接，因为挤出机头3体积大且较重，由挤出机头支架4支撑着挤出机头3。下面通过成型工艺过程描述设备的组成及连接关系。
[0027]其主要的工艺路线为:
[0028] 如图1所示，首先进行管材原料的配置，PVC树脂选用管材生产常用的SG-5型树月旨，与稳定剂、加工助剂等按照顺序投入到混合机中。高速混合到温度为60-70°C，转速为1000-1800转，然后低速搅拌来降低混合温度，以使其不会因温度过高而发生塑化结块现象，搅拌后成为熟料之后装入储料罐内放置备用。将自行配制混合好的PVC原料加入锥形双螺杆挤出机I的料筒中，原料按一定的速率在挤出机螺杆2的作用下塑化、熔融。锥形双螺杆挤出机I与挤出机头3之间装有过滤网22，可以使物料由旋转运动转变为直线运动。塑料熔体进入挤出机头3之后在分流锥21的作用下环向分流，挤出机头3的流道截面积逐渐变窄，从而对挤出熔体有一定的拉伸作用。挤出机头3的压缩比一般为4-10，口模压板5将口模17固定在挤出机头3上。在挤出机头3的外侧有装有加热套19对挤出机头3进行加热。上述的步骤即为塑化熔融挤出管坯。真空定径装置A6中带中心线的真空气室16内侧有许多的小孔，气室里面是抽真空的，从而实现了管材的定径成型。不带中心线的气室内部有冷却水，对管材进行冷却。被扩管材23经过真空定径装置6A后冷却成为管还,其温度为50°C左右，在第一牵引装置7的牵引作用下被送入拉伸扩张成型装置9中。被扩管材23在再加热装置8的作用下被加热到120°C _150°C，使管坯处于粘弹态从而利于后面的管材扩张。充气杆15在扩张系统段均匀的分布着直径为4-6mm的充气孔，其通过充入空气和吸出空气实现对扩张囊14内部的加压和减压。压缩空气依次通过气嘴20、挤出机头支架
4、连接体18、充气杆15进入扩张囊14和定型囊13，充气杆15的末端有密封垫圈12使压缩空气不向外流出。扩张囊14在充气杆15的作用下连续扩张与收缩，扩张囊14每扩张一次，通过扩张囊14外环圆弧面的滚动作用，使扩张区中的被扩管材23前进一小段距离。扩张囊14的外侧与管材可以同时运动，在扩张囊14的运动即将达到最大位移的时候，充气杆15开始吸气从而进入下一个扩张循环。定型囊13 —直处于充气状态，在定型囊13的外侧有真空定径装置B10，其结构与真空定径装置A6相似，在定型囊13和真空定径装置BlO的共同作用下可以对扩张管材起到保压定形的作用。图2、图3、图4是被扩管材23在扩张囊14处被扩张的工作原理图。图2为扩张囊14收缩时的示意图，图3为扩张囊14刚达到最大扩张直径的示意图，图4为扩张囊14外侧与被扩管材23同步运动时的示意图。牵引装置由前后两个履带式牵引机组成，第一牵引装置7牵引被扩管材，第一牵引装置11牵引扩张管材。两者的速度比为1.1-1.9，由于两者的速度差，当管材被加热至高弹态时，可以使管材轴向产生1.1-1.9的拉伸比，最后得到的管材即为双向拉伸PVC管材。
【权利要求】
1.一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备，其特征在于:主要包括锥形双螺杆挤出机、挤出机头、真空定径装置A、第一牵引装置、再加热装置、拉伸扩径成型装置、真空定径装置B和第二牵引装置，所述这些装置依次直线排列形成生产线，在锥形双螺杆挤出机与挤出机头之间装有过滤网；挤出机头有口模、芯棒和口模压板，口模压板将口模固定在挤出机头上，口模压板与挤出机头通过螺栓进行连接；PVC熔体经过滤网和挤出机头挤出后，经过真空定径装置A后形成被扩管材，在第一牵引装置的作用下进入再加热装置，被扩管材达到高弹态而进入拉伸扩径成型装置；被扩管材经拉伸扩径成型装置扩张后，经第二牵引装置引出进行后续切割打包工序。
2.根据权利要求1所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备，其特征在于:拉伸扩径成型装置是由充气杆、扩张囊、扩张定径模具和定型囊组成，扩张囊和定型囊都为环形囊状结构，扩张囊接近管坯的入口端的外环表面为弧度较小的圆弧面，扩张囊的内环表面为圆柱面，扩张囊内环表面的圆柱面长度小于扩张囊囊体的长度，扩张囊内环表面的圆柱面部分与充气杆固定，定型囊的外环表面为与被扩管材内径相匹配的圆柱面，定型囊的内环柱面的轴向长度大于或等于定型囊的外环柱面的轴向长度，定型囊的内环柱面与充气杆固定。
3.根据权利要求2所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备，其特征在于:扩张囊为中空的圆柱形，圆柱的外环为一种较硬的橡胶，其前后两个底面为一种质地较软的材料，充气扩张时，扩张囊随着被扩管材发生形变。
4.根据权利要求2所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备，其特征在于:充气杆通过内螺纹与连接体连接，充气杆在扩张囊和定型囊部分都开有充气孔，有两个气管从挤出机头支架和连接体通过而进入充气杆，分别连接到扩张囊和定型囊。
5.采用权利要求2所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产设备进行管材生产的工艺，其特征在于:第一步:选用PVC树脂与稳定剂、加工助剂等按照顺序投入到混合机中，高速混合到温度为60-70，°C转速为1000-1800转，然后低速搅拌来降低混合温度，搅拌后成为熟料之后装入储料罐内放置备用；第二步:将原料加入锥形双螺杆挤出机的料筒中，原料按一定的速率在锥形双螺杆挤出机内塑化、熔融，经挤出机机头得到管坯；第三步:真空定径装置A中有许多的气室，带中心线的气室内侧有许多的小孔，气室里面是抽真空的，从而使管材内部压强大于外部，实现对管坯的定径，不带中心线的气室内部有冷却水，对管坯实现冷却定形得到被扩管材；第四步:再加热装置通过陶瓷外丝管和红外加热器对空气进行热辐射来实现被扩管材的加热，设定的加热温度比PVC混合料软化点高10°C左右；第五步:扩张囊在充气杆的作用下连续扩张与收缩，扩张囊每扩张一次，通过扩张囊外环圆弧面的滚动作用，使被扩管材前进一小段距离，从而使管材的每一点都可以受到环形扩张，在扩张囊的运动未达到最大位移的时候，充气杆已经开始吸气从而进入下一个扩张循环，定型囊一直处于充气状态，在定型囊的外侧有真空定径装置B，其结构与真空定径装置A相似，在定型囊和真空定径装置B的共同作用下可以对扩张管材起到保压定形的作用；第六步:当管材被加热至高弹态时，通过第一牵引装置与第二牵引装置间的拉伸比，使管材轴向产生拉伸，最后得到扩张管材成品，进行后续切割打包。
6.根据权利要求5所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产工艺,其特征在于: 锥形双螺杆挤出机与挤出机头之间装有过滤网，可以使物料由旋转运动转变为直线运 动。
7.根据权利要求5所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产工艺，其特征在于:挤出机头为管材成型机头，挤出机头的压缩比为4-10，分流锥的扩张角为45° -60°，分流锥的长度为管材直径的1-1.5倍。分流筋的扩张角大于收缩角，分流筋的个数为3-6个，口模的长度为管材厚度的18-33倍。
8.根据权利要求5所述的一种大口径双向拉伸PVC管材的生产工艺，其特征在于--第一牵引机牵引被扩管材，第二牵引机牵引扩张管材，两者的速度比为1.1-1.9。
【文档编号】B29C31/00GK104149354SQ201410364723
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】焦志伟, 史聪, 谭晶, 阎华 , 安瑛, 丁玉梅, 杨卫民 申请人:北京化工大学