中间层纤维沿周向取向的三层塑料复合管的挤管机头的制作方法

本实用新型属于高分子材料加工装置技术领域，涉及一种管材挤出成型模具中的特种多层复合管挤出模具，特别涉及一种用于制备中间层纤维沿周向取向的三层塑料复合管的挤管机头。该挤管机头的特点是能使挤出的三层复合管中内层和外层为纯塑料，中间层为纤维增强塑料，且中间层的增强纤维能沿周向分布取向。使用该机头能在原材料不变情况下，提高挤出管材的承压强度和使用寿命，或在维持强度和寿命不变的前提下，使管材的壁厚减薄，节约原材料。

背景技术：

现有的单层玻纤增强管材容易出现玻纤外露、表面发毛的现象，不仅导致表面质量差，还会给流体输送带来较大的阻力。为了解决单层玻纤增强管材存在的问题，建设部发布的中华人民共和国城镇建设行业标准：纤维增强无规共聚聚丙烯复合管 (CJ/T258-2007)，定义了一种内层与外层为无规共聚聚丙烯(PP-R)材料，中间层为玻璃纤维增强PP-R复合材料的三层共挤出结构的复合材料管材。因该管材的纤维增强塑料中间层的内外表面都被纯料层覆盖，故可避免出现管材内外表面玻璃纤维外露，表面发毛不光的现象。但是在这种管材中间层的玻纤增强效果较差，达不到明显提高管材承压强度的目的。究其原因是因为在挤出成型过程中增强的玻璃纤维和高分子链是顺着挤出流动方向即管材的轴向取向，只是使管壁的轴向强度提高了，而管壁的周向强度却未得到明显提高。而根据受内压薄壁管材的受力分析表明，管壁的周向应力大约为轴向应力的两倍，即管壁强度最差的方向恰好是受力最大的方向。因而现有的玻璃纤维增强PP-R复合材料的三层共挤出结构复合管材在实际使用中纤维的增强作用不能充分地发挥出来。

作为目前报道的能够制备上述三层塑料管材的共挤机头设计(张友新，《模具工业》1996，NO.10.总188)中介绍了一种通过两台挤出机共挤三层塑料管材机头的模具设计，该机头考虑了直通式和直角式挤管机头的优缺点，进行了优化组合，其主要零部件包括人字流道连接器、分流套、隔层分流套、带阻尼分流器支架和芯棒。该机头可将通过两台挤出机塑化挤出后的同一种或不同种类的树脂，输送到该机头各自分配的流道中，通过流道沿圆周均匀分布后在机头内口模前方同时复合获得三层塑料管。但该挤出机头由于设计结构所限，当用于挤出制备上述纤维增强无规共聚聚丙烯三层复合管时，因其不可能改变中间层增强纤维及聚合物大分子链的流动方向，故只能制备沿挤出流动方向即轴向取向的管材。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种用于制备中间层纤维沿周向取向的三层塑料复合管的挤管机头，该机头不仅能使三层塑料复合管的中间含纤维增强层中的纤维和聚合物大分子链能够沿周向取向，还能使内层塑料的部分大分子链也沿周向取向，以明显提高管材耐压性能。

本实用新型提供的一种用于制备中间层纤维沿周向取向的三层塑料复合管的挤管机头，其特征在于该挤管机头包括机头颈、芯棒支架、分料圈、后机头体、前机头体、口模、压块、芯棒、旋转套、传动机构和电机，机头颈、芯棒支架、分料圈、后机头体、前机头体、口模和压块依次由连接件水平连接为一体；芯棒一端与芯棒支架相连支撑并悬臂位于依次连接的分料圈、后机头体、前机头体和口模形成的空腔内；旋转套由轴承活动固定位于后机头体、前机头体连接段的腔体内，并保持一定间隙同轴位于芯棒外；传动机构由链轮和链条构成，链轮有两个，一个固连在挤管机头的旋转套外，另一个固连于电机的输出轴上，链条穿过与后机头体相连处的前机头体一侧开的孔槽与两链轮相连。

以上挤管机头中所述旋转套的内壁可以设置凸起的筋，也可以不设置凸起的筋，但优选设置有至少2根凸起的筋，且其是沿旋转套周向均匀分布，以增加旋转套旋转时施加于塑料熔体的周向剪切效果。这些凸起的筋的长度可与旋转套等长，也可以略短，如略短，则凸起的筋偏向旋转套进口端。

以上挤管机头中所述的电机为调速电机，该电机的转速可在0～150转/分之间进行无级调节，用以改变管材增强纤维和大分子的取向方向和取向度。

以上挤管机头中还包括引料接头，引料接头有两个，一个连接于分料圈的进料口上，另一个连接在机头体Ⅱ一侧的进料口上。

该挤出机头使用时，熔融的塑料纯料一部分通过与分料圈相连的引料接头，经分料圈的环形流道进入芯棒外表面并均匀分布作为挤出管材的内层熔体，同时熔融的玻纤增强料进入机头颈后被芯棒支架的分流锥分流，依次通过芯棒支架、分料圈以及后机头体中设置的环形流道包覆在内层塑料纯料的熔体外，当两层熔体流经由电机、传动机构带动旋转的旋转套时，就会在旋转套与芯棒之间的环形流道中受到周向剪切，该周向剪切力不仅使紧靠旋转套的那层熔体中的增强纤维和部分大分子链改变了在流动场中形成的轴向取向而成为周向取向，且也使得内层塑料纯料熔体内的部分大分子链也改变了在流动场中形成的轴向取向而成为周向取向，并在压力下逐渐复合成为双层管坯；双层管坯在挤出压力的推动下运行至机头体Ⅱ的后半段时，由前机头体一侧的引料接头进入的熔融塑料纯料在螺旋分配器的螺旋槽中流动时沿轴向渐次溢出在圆周上均匀分布，并包覆在已取向的管坯上形成外层管坯，并在压力下，与已取向管坯复合形成三层管坯，再经口模调节管壁厚度后挤出。挤出的管坯在管材牵引机的强力牵引下，依次通过真空定径冷却水槽冷却定形，经管材切割机切成一定长度的成品管材。

从而本实用新型与现有技术相比，具有以下积极效果：

1、由于本实用新型提供的挤管机头中设置了转速可调的旋转套，该旋转套与机头芯棒同轴，当纤维增强的中层与纯料内层复合的管坯进入芯棒与旋转套之间时，受到沿圆周方向的强烈剪切，因而改变了挤出管材中增强纤维和部分大分子链原有的轴向取向，随着转速提高逐渐转变为沿圆周方向取向，使所获管材承受内压时受力最大的周向强度得到明显提高。

2、由于本实用新型在挤管机头中旋转套内壁上还设置了沿旋转套轴向均匀分布的凸起的筋，因而可进一步增强旋转套旋转时施加于纤维和塑料熔体的周向剪切效果，保证所获管材的周向强度得到更大的提高。

3、由于本实用新型提供的挤管机头的设计是采用了三层熔料逐步复合的方式，即先在后机头体的第一段中使中层纤维增强塑料熔体与内层纯塑料熔体复合形成双层管坯，然后在第二段完成纤维和部分大分子取向成为双层取向管坯，在第三段完成外层纯塑料熔体与已取向管坯复合形成最终的三层管坯，加之复合过程是在机头内的高压下进行的，因而保证了层与层间的粘结牢度。

4、由于本实用新型提供的挤管机头能够挤出加工纤维和塑料能沿周向取向的纤维增强复合材料的三层共挤出结构的管材，因而不仅弥补了现有三层沿轴向取向的复合管材存在的缺陷，而且也填补了目前尚未有可挤出加工能沿周向取向的纤维增强三层共挤出结构管材的加工设备的空白。

5、由于本实用新型提供的挤管机头中采用的电机为无极调速电机，可使旋转套的转速在0～150转/分之间调节，因而可加工制备不同周向取向度和取向方向的三层复合管材。

附图说明

图1为本实用新型提供的挤管机头的主视结构剖面示意图。

图2为本实用新型提供的挤管机头中旋转套的主视结构剖面示意图。

图3为本实用新型提供的挤管机头中旋转套的侧视结构剖面示意图。

图中，1-机头颈，2-芯棒支架，3-引料接头，4-分料圈，5-后机头体，6-轴承， 7-旋转套，8-链轮，9-螺钉，10-前机头体，11-压块，12-螺钉，13-口模，14-调节螺钉，15-芯棒，16-引料接头，17-销钉，18-螺钉，19-链条，20-电机，21-凸起的筋。

图4为本实用新型提供的挤管机头中旋转套旋转转速为30转/分下挤出制备(即应用例2)的复合管材纵横截面切片的偏光显微镜照片，其中左边为周向方向的照片，右边为轴向方向的照片。从照片中可以清楚的观察到管材中间层玻纤是明显沿周向取向的。

图5为本实用新型提供的挤管机头中旋转套旋转转速为0转/分下(即应用对比例1)挤出制备的普通复合管材横截面切片的偏光显微镜照片，其中左边为周向方向的照片，右边为轴向方向的照片。从照片中可以明确观察到管材的玻纤是沿轴向取向的情况。

图6为本实用新型提供的挤管机头中旋转套旋转转速为30转/分下挤出制备(即应用例2)的复合管材圆周方向的广角X射线衍射照片。从照片中可以清楚的观察到其Debye环表现为弧线状，说明在旋转挤出管材中，PPR晶体及大分子链在圆周方向有明显的取向。

图7为本实用新型提供的挤管机头中旋转套旋转转速为0转/分下挤出制备(即应用对比例1)的复合管材圆周方向的广角X射线衍射照片。从照片中可以清楚的观察到一系列完整的Debye环，说明在普通挤出管材中，PPR晶体及大分子链在圆周方向没有取向。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型所提供的挤出装置作进一步说明，但所给出的实施例不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的熟练技术人员根据上述本实用新型的内容和设计思想所作出的非本质的改进和调整也应属于本实用新型的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例给出的挤管机头挤管机头是由机头颈1、芯棒支架2、分料圈4、后机头体5、前机头体10、口模13、压块11、芯棒15、旋转套7、传动机构和电机20构成。

其中机头颈1、芯棒支架2、分料圈4、后机头体5、前机头体10、口模13和压块11依次由连接件即螺钉9、12、18和销钉17水平连接为一体。芯棒15一端与芯棒支架2利用螺纹拧紧相连支撑并悬臂位于依次连接的分料圈4、后机头体5、前机头体10和口模13形成的空腔内。旋转套7由轴承6活动固定位于后机头体5、前机头体10连接段的腔体内，并保持一定间隙同轴位于芯棒15外。为了增加旋转套旋转时施加于塑料熔体的周向剪切效果，本实用新型还在旋转套7的内壁上设置有至少2根凸起的筋21，本实施例为8根，这8根凸起的筋21是沿旋转套7周向均匀分布，其长度可与旋转套同长，也可以略短，本实施例为略短，故所有凸起的筋均偏向旋转套进口端，见图2、3。挤出管材的偏心由位于压块11外侧的调节螺钉14通过调整口模13的周向位置来调节。挤管机头中还包括两个引料接头3、6，一个引料接头3连接于分料圈4的进料口上，另一个引料接头6连接在机头体Ⅱ10一侧的进料口上。传动机构由链轮8和链条19构成，链轮8有两个，一个固连在挤管机头的旋转套7外，另一个固连于电机20的输出轴上，链条1)穿过与后机头体5相连处的前机头体10一侧开的孔槽与两链轮8相连，本实施例的电机选用无级调速电机，该电机可在0～150转/分之间进行无级调节。

实施例2

如图1所示，本实施例给出的挤管机头是由机头颈1、芯棒支架2、分料圈4、后机头体5、前机头体10、口模13、压块11、芯棒15、旋转套、7传动机构和电机 20。本实施例与实施例1的不同之处在于旋转套的内壁上设置的凸起的筋21为2根，其余因与实施例1完全相同，故略去不述。

应用例1

本应用实施例是采用本实用新型实施例1所提供的挤管机头，在机头旋转套转速为15转/分的条件下加工制备的是基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管，即内层为纯无规共聚聚丙烯层，中间层为玻璃纤维增强的无规共聚聚丙烯层，外层为纯无规共聚聚丙烯层的三层复合管。该管的外径为Φ75mm，管壁总厚度为6.8mm，其中内层纯无规共聚聚丙烯层厚度为2.3mm，中间层玻纤增强无规共聚聚丙烯层厚度为2.5mm，外层纯无规共聚聚丙烯层厚度为2mm。所得三层复合管经测试周向强度35.4MPa，爆破压力6.27MPa，相对于应用对比例1的管材分别提高了41.6％和62.4％。

应用例2

本应用例是采用本实用新型实施例1所提供的挤管机头，在机头旋转套转速为 30转/分的条件下加工制备的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管，其结构、外径、管壁总厚度及各层厚度均与应用例1相同，故略去不述。所得三层复合管经测试周向强度36.3MPa，爆破压力6.73MPa，相对于应用对比例1 的管材分别提高了45.2％和74.4％。

应用例3

本应用例是采用本实用新型实施例1所提供的挤管机头，在机头旋转套转速为 60转/分的条件下加工制备的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管，其结构、外径、管壁总厚度及各层厚度均与应用例1相同，故略去不述。所得三层复合管经测试周向强度39.44MPa，爆破压力7.4MPa，相对于应用对比例1 的管材分别提高了57.8％和91.7％。

应用例4

本应用实施例是采用本实用新型实施例1所提供的挤管机头，在机头旋转套转速为60转/分的条件下加工制备的基于中间层为玻纤沿周向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管。与应用例1不同的是，本应用例复合管材的外径为Φ63，管壁总厚度为5.8mm，其中内层纯无规共聚聚丙烯层厚度为2mm，中间层玻纤增强无规共聚聚丙烯层厚度为2.1mm，外层纯无规共聚聚丙烯层厚度为1.7mm。所得三层复合管经测试周向强度35.5MPa，爆破压力6.96MPa，相对于应用对比例2的管材分别提高了 46.6％和86.1％。

应用对比例1

本应用对比例也是采用本实用新型实施例1所提供的挤管机头，但是在机头旋转套转速为0转/分的条件下加工制备的基于中间层为玻纤沿轴向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管，该玻纤增强的无规共聚聚丙烯三层复合管的外径、管壁总厚度及各层厚度均与应用例1相同，故略去不述。所得三层复合管的内层与中间层的无规共聚聚丙烯大分子和增强玻璃纤维均未沿周向取向；经测试周向强度25MPa，爆破压力3.86MPa。

应用对比例2

本应用对比例也是采用本实用新型实施例1所提供的挤管机头，但是在机头旋转套转速为0转/分的条件下加工制备的基于中间层为玻纤沿轴向取向的无规共聚聚丙烯三层复合管，该玻纤增强的无规共聚聚丙烯三层复合管的外径、管壁总厚度及各层厚度均与应用例3相同，故略去不述。所得三层复合管的内层与中间层的无规共聚聚丙烯大分子和增强玻璃纤维均未沿周向取向；经测试周向强度24.3MPa，爆破压力3.74MPa。