一种无熔接痕的小口径管材挤出成型方法及装置与流程

本发明涉及聚合物及其复合材料先进成型加工技术领域，特别涉及一种无熔接痕的小口径管材挤出成型方法及装置，属于高分子材料成型加工设备领域。

背景技术：

与金属管和水泥管相比，塑料管材具有比强度高、耐腐蚀性好、抗冲击及抗拉伸性能好等优点，同时由于塑料管材内壁光滑、摩擦系数小、流动阻力低、运输方便、安装简单等优势而在各行各业中得到广泛的应用。

管材挤出成型具有效率高、生产过程连续、对物料适应性广等优点，是目前塑料管材最常用的成型方法。管材挤出成型过程中物料在由螺杆及料筒组成的塑化系统中熔融塑化，依次通过定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置而得到制品。由于目前普遍采用的挤出机头中存在分流梭及支架，使得熔体经过分流梭或其支架时产生多股熔体然后再汇合，由于多股熔体的温度、压力等差异而在界面处不能完全融合形成缺陷，在管材表面产生熔接痕，降低了管材制品的环向强度及外观质量，极大地限制了作为塑料压力管材的应用。

国内外学者及生产企业采取了许多不同的方法来减少熔接痕对制品性能的负面影响，常用的方法主要包括：①提高熔体的流动性；②改变机头中熔体的流动形式；③优化机头的结构形状和尺寸。美国专利us5468808公开了一种将不同分子量聚丙烯共同使用减少熔接痕的方法，其中低分子量聚丙烯起到改善熔体流动性能的作用，而高分子量聚丙烯提供必要的力学性能；中国专利cn201410497381通过将具有不同流动性能的聚丙烯混合，显著地改善了熔接痕的强度，提高了管材性能；中国专利cn200810045785.9通过机头内口模与芯棒产生相对旋转运动对熔体产生剪切作用，同时对管材内、外壁分别冷却定型，提高熔接痕强度的同时对制品凝聚态结构进行调控，改善了制品性能。中国专利cn201110100814.9通过分流器将从挤出机出来的熔体按照管材的厚度要求分成四股熔体，每股熔体分别输送从而在管材的不同位置形成交错熔接痕实现管材自增强。

上述方法在一定程度上减少了熔接痕对制品性能的影响，但熔接痕仍然客观存于制品中，一旦由于熔接痕区域受失效，整个管材将报废。

由此可见,针对目前塑料管材成型方法及设备存在的不足,开发一种无熔接痕的管材挤出成型方法与装置对塑料管材挤出成型具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前常用管材制品挤出成型过程中熔接痕的存在而导致制品环向强度低、表面质量差等不足，提供一种无熔接痕的小口径塑料管材挤出成型方法，提高制品性能的同时减少管材壁厚、降低生产成本、延长管材的使用寿命及减少“白色污染”。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的高性能管材挤出成型装置。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种无熔接痕的小口径管材挤出成型装置，包括机架、电机、喷淋式冷却装置、滚轮式牵引机构、料筒、空心螺杆、芯棒、分流梭和支承盖；机架两端分别设有减速箱和芯棒驱动装置；电机通过联轴器与减速箱连接；减速箱内设有空心传动套；料筒的一端安装在减速箱端盖的一面上，喷淋式冷却装置及滚轮式牵引机构依次同轴安装在减速箱端盖的另一面外侧；料筒上设有料斗，料斗与料筒的内孔连通；料筒的内孔与减速箱的空心传动套同轴；料筒的另一端与支承盖连接；空心螺杆安装在料筒的内孔中，一端与减速箱的空心传动套间隙配合并通过平键连接，另一端伸入支承盖中；芯棒同心置于空心螺杆的内孔中，空心螺杆的内孔与芯棒形成圆环形空隙；芯棒安装在支承盖上，芯棒伸出支承盖与芯棒驱动装置连接；位于支承盖内的芯棒上加工出分流梭，分流梭为与芯棒同轴的两段锥体。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述芯棒通过深沟球轴承安装在支承盖上，深沟球轴承的外侧设有压盖；深沟球轴承的内侧设有隔热垫。

优选地，空心螺杆的螺棱与普通螺杆类似，内孔为阶梯状结构，靠近螺杆头的内孔直径较小，与芯棒组成管材的定型装置，另一端内孔直径较大。

优选地，所述喷淋式冷却装置主要由箱盖、喷头、导轮、箱架和箱体组成；箱体与箱盖组成冷却水槽，多个喷头间隔安装在箱盖上，箱体中设有导轮。

优选地，滚轮式牵引机构主要由牵引架、主动轮和从动轮组成；动轮和从动轮设置在牵引架上，主动轮和从动轮之间形成管材制品的通道。

优选地，电阻加热器通过螺钉固定在料筒的外壁上，其固定位置分别对应塑化系统的固体输送段、熔融段及计量段。

优选地，料筒的一端通过螺钉连接安装在减速箱端盖的一面上；料筒的另一端与支承盖通过螺钉连接。

优选地，所述分流梭表面光滑。

应用所述装置的无熔接痕的小口径塑料管材挤出成型方法：当电机转动时，空心螺杆在联轴器及减速器的带动下旋转，空心螺杆的螺棱与料筒的内孔形成塑化系统将来自料斗的物料熔融塑化，并定量、定温、定压地向螺杆头方向输送；在熔体压力作用下，熔体通过芯棒上的分流梭进入到由螺杆的内孔与芯棒所组成的环形空隙中，在环形空隙中形成形状与尺寸与制品基本一致的管坯；在熔体压力滚轮式牵引机构的牵引下实现管坯的连续挤出；空心螺杆上的温度分布为从螺杆头到进料段的温度逐渐降低，管坯得到定型与初步冷却，随后管坯进入喷淋式冷却装置中进一步冷却，得到管材制品。

本发明无熔接痕的小口径塑料管材挤出成型方法中，管材挤出方向与塑化时熔体流动方向相反，熔体无需经过芯棒支承装置的支架，实现了无熔接痕的管材挤出成型。

本发明与现有管材挤出成型方法及装置相比，具有如下优点：

1、无熔接痕的管材挤出装置轴向长度缩短，设备结构更紧凑，占地面积小，厂房投资成本低；

2、无熔接痕的管材挤出装置有效提高了管材制品的环向强度，在保证制品性能的前提下有利于减小管材的壁厚，减少塑料材料的用量，降低成本的同时减少白色污染；

3、通过螺杆与芯棒的相对运动，对管坯在圆周反向产生强度可控的复合剪切形变作用，从而对管材的结晶形态与取向结构进行调控，实现对制品性能的提高。

附图说明

图1为无熔接痕的小口径管材挤出成型装置的结构示意图。

图2为无支架芯棒与端盖连接结构示意图。

图3为空心螺杆的结构示意图。

图4为图3中a-a向剖视图。

图5为喷淋式冷却装置的结构示意图。

图6为滚轮式牵引机构的结构示意图。

图中示出：机架1、电机2、联轴器3、减速箱4、喷淋式冷却装置5、滚轮式牵引机构6、空心传动套7、料斗8、料筒9、空心螺杆10、加热器11、芯棒12、分流梭13、支承盖14、芯棒驱动装置15、隔热垫16、深沟球轴承17、压盖18、熔体19、管坯20、箱盖21、喷头22、导轮23、箱架24、箱体25、牵引架26、主动轮27、从动轮28和管材制品29。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1、2所示，一种无熔接痕的小口径管材挤出成型装置，包括机架1、电机2、喷淋式冷却装置5、滚轮式牵引机构6、料筒9、空心螺杆10、芯棒12、分流梭13和支承盖14；机架1两端分别设有减速箱4和芯棒驱动装置15；电机2通过联轴器3与减速箱4连接；减速箱4内设有空心传动套7，空心传动套7为减速箱的输出轴；料筒9的一端通过螺钉连接安装在减速箱4端盖的一面上，喷淋式冷却装置5及滚轮式牵引机构6依次同轴安装在减速箱4端盖的另一面外侧；料筒9上设有料斗8，料斗8与料筒9的内孔连通；料筒9的内孔与减速箱4的空心传动套7同轴；料筒9的另一端与支承盖14通过螺钉连接；空心螺杆10安装在料筒9的内孔中，一端与减速箱4的空心传动套7间隙配合并通过平键连接，另一端伸入支承盖14中；空心螺杆10的螺棱与料筒9的内孔形成塑化系统；芯棒12同心置于空心螺杆10的内孔中，空心螺杆10的内孔与芯棒12形成圆环形空隙，为管坯20的定型装置；芯棒12安装在支承盖14上，芯棒12伸出支承盖14与芯棒驱动装置15连接；芯棒12优选通过深沟球轴承17安装在支承盖14上，深沟球轴承17的外侧设有压盖18，用压盖18将深沟球轴承17固定在支承盖14上；深沟球轴承17的内侧设有隔热垫16，通过隔热垫16减少热量向芯棒驱动装置15方向传递。位于支承盖14内的芯棒12上加工出分流梭13，分流梭13为与芯棒12同轴的两段锥体：熔体在分流梭13的外表面与料筒9的内孔中形成薄的熔体层，促进了熔体与料筒的热量交换；同时由于熔体流动截面面积的变化对熔体产生压缩/膨胀作用，提高了塑化混合效果。由于分流梭13表面光滑，芯棒12安装在支承盖14上，无须常规管材挤出成型装置中支撑芯棒的支架类零部件，熔体流经分流梭13时不会形成多股流体，因而不会产生熔接痕。

电阻加热器11通过螺钉固定在料筒9的外壁上，其固定位置分别对应塑化系统的固体输送段、熔融段及计量段，与控制系统配合满足物料塑化输运过程中固体输送段、熔融段及计量段的温度要求。

如图3和4所示，空心螺杆10的螺棱与普通螺杆类似，内孔为阶梯状结构，靠近螺杆头的内孔直径较小，与芯棒组成管材的定型装置，通过该成型装置得到与管材制品形状、尺寸基本相同的管坯20；另一端内孔直径较大，用于减少内孔与管坯的摩擦力同时避免管坯冷却过程中热量向螺杆传递，保证塑化效率及稳定性，管坯在定型装置中得到定型及初步冷却。

如图5所示，喷淋式冷却装置5主要由箱盖21、喷头22、导轮23、箱架24和箱体25组成；箱体25与箱盖21组成冷却水槽，多个喷头22间隔安装在箱盖21上，箱体25中设有导轮23，用于支承和引导管坯20；从喷头22出来的水对管坯20进行进一步的冷却；箱体25设在箱架24上。

如图6所示，滚轮式牵引机构6主要由牵引架26、主动轮27和从动轮28组成；动轮27和从动轮28设置在牵引架26上，主动轮27和从动轮28之间形成管材制品29的通道；通过主动轮27摩擦力的作用为已初步定型的管材制品29提供一定的牵引力和牵引速度，实现制品的牵引。管坯进入喷淋式冷却装置5中进一步冷却后形成管材制品29；管坯20只是与管材制品29形状及尺寸基本相同。

无熔接痕的小口径管材挤出成型过程如下：当电机2转动时，空心螺杆10在联轴器3及减速器4的带动下旋转，空心螺杆10的螺棱与料筒9的内孔形成塑化系统将来自料斗8的物料熔融塑化，并定量、定温、定压地向螺杆头方向输送；在熔体压力的作用下，熔体17通过芯棒12上的分流梭13进入到由螺杆10的内孔及芯棒12所组成的环形空隙中，在环形空隙中形成形状与尺寸与制品基本一致的管坯20；在熔体压力滚轮式牵引机构6的牵引下实现管坯的连续挤出；由于空心螺杆10上的温度分布为从螺杆头到进料段的温度逐渐降低，因而管坯得到定型与初步冷却，随后管坯进入喷淋式冷却装置5中进一步冷却，得到形状、尺寸、性能都满足使用要求的管材制品29，最后再切割堆放得到需要的制品。

参照图1、图2可以看出，与常规管材挤出成型方法及设备不同的是，一方面芯棒12及分流梭13通过轴承固定在支承盖14上，因而无需支架类零件来支撑芯棒；另一方面塑化时熔体沿螺槽向螺杆头方向流动而管坯从螺杆头向螺杆尾部移动，成型过程中管材挤出方向与塑化时熔体流动方向相反，熔体流经分流梭13时不会形成多股流体，因而在形成管坯时不会形成熔接痕，从而实现了无熔接痕管材的挤出成型。本发明管材中无熔接痕，有效提高了管材制品的环向强度，可在保证制品性能的前提下减小管材的壁厚，降低成本的同时减少白色污染。

同时，本发明充分利用了空间，的管材挤出装置轴向长度缩短，设备结构更紧凑，厂房投资成本低；本发明定型套(空心螺杆)内孔与芯棒的相对运动，对管坯在圆周反向产生强度可控的剪切形变作用，有利于管材凝聚态结构的调控，丰富了管材制品性能的调控手段。

本发明芯棒可以由电机驱动在螺杆内孔中旋转，芯棒与螺杆同向旋转或反向旋转从而在管坯内壁的圆周反向产生剪切强度可控的剪切形变，对聚合物管材的凝聚态结构进行调控，提高管材的强度尤其是环向强度。