用于制造过氧化物交联聚乙烯管材的螺杆式塑料挤出装置的制作方法

技术领域

本发明属于塑料机械技术领域，特别涉及一种用于过氧化物交联聚乙烯管材的螺杆式挤出装置。

背景技术：

同步交联过氧化物交联聚乙烯（PEXa）管的制造，所用原料为多种组分经精细掺混的聚乙烯树脂粉粒体及相应助剂的混合物，采用柱塞式挤出机，树脂粉粒体等物料经压缩输送形成塞流、经熔融塑化成型并同时完成交联反应。在这一过程中，随着交联过程的完成，聚乙烯的粘度急剧上升，不仅需要很大的挤出压力，并且经交联了的管胚只能做平行于挤出方向的整体移动，柱塞式挤出机挤出压力大，且只赋予物料以平行于挤出方向的单一的推力，因此可以满足这一要求。这种过氧化物的同步交联方法无“焦烧（过早交联）”之虑，因此可以使用半衰期分解温度较低，但无异味，卫生性能好的DTBP（二叔丁基过氧化物）等交联剂，可以适用于不同管径、不同壁厚的PEXa管的制造，尺寸精度高，能耗低，操作容易等。但受交联剂分解速度的制约，为了完成交联过程，只有很长的机头才可提供交联剂充分分解时间，因此挤出压力需要很大，生产速度极慢。且柱塞式挤出机的活塞往复运动，物料脉冲式压缩与输送，管壁松密程度有周期性变化，管壁中也存在有周期性变化的内应力。

普通螺杆式挤出机不能用于同步交联法制造PEXa管，这是由于普通螺杆式挤出机螺杆旋转所产生的平行于挤出方向的推力和旋转分力同时作用在PEXa管胚上，导致失去热塑性的PEXa管胚搅碎成碎屑。且普通螺杆的压缩比一般在4左右，挤出压力小，无力推动失去热塑性的PEXa管胚前进。

中国专利文献CN102139538A公开的采用后交联法制备过氧化物交联聚乙烯管材的方法，即采用螺杆式挤出机的后交联PEXa管的制造方法，生产速度可以很快，物料在挤出过程中熔融塑化成型为可交联的PEXa管胚，然后进行交联。理论上要求，物料在挤出熔融塑化成型阶段，不允许交联剂分解，也就是说，不允许可交联PEXa管胚发生交联反应。

这种后交联PEXa管的制造，物料的压缩与输送是连续的，管壁松密度是均匀的。而为了保证过氧化物交联剂在挤出过程中不过早分解，聚乙烯不过早交联（焦烧），必须使用高温过氧化物交联剂。据交联剂手册（日文中译本）介绍，DYBP［2，5-二甲基，2，5-（叔丁基，过氧基）-己炔-3］是HDPE唯一可用交联剂，但DYBP异味严重，卫生性能差。在保证HDPE熔融塑化并成型的过程中，也必须保证DYBP不过早的分解，最佳熔体温度为166℃到169℃，温度控制窗口极窄，操作难度极大，即使这样，也不可能做到DYBP绝对不分解，因为DYBP的开始分解温度为147℃，在挤出过程中发生“焦烧（过早交联）”是不可避免的，这对产品质量的稳定性是一种严重的隐患，为此挤出机连续运行一段时间后，必须停机清洗螺杆，机筒和机头等，浪费工时、能源，工人操作劳动强度大，废品率高等。并且制造较大口径PEXa管材尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种管壁松密程度均匀，卫生性能好，无“焦烧”之虑，可以适用于不同规格PEXa管制造和生产速度快的PEXa管的制造装置。为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下。

一种螺杆式塑料粉粒体高压挤出装置，包括自清式供料斗，螺杆式塑料挤出机，机筒出口设置的整流器，与所述整流器连接的直角机头，以及油循环恒温系统，所述油循环恒温系统设有加热和制冷部件，配以相应辅机，实现管壁松密程度均匀，卫生性能好，无“焦烧”之虑，可以适用于不同规格PEXa管制造和生产速度快的PEXa管的制造。

进一步，所述自清式供料斗，圆筒形或圆锥形料斗内装设有一搅拌桨，搅拌桨具有清扫料斗筒壁功能，使料斗中的中心“管道”保持“漏斗”流。

进一步，所述螺杆为锥型单螺杆，螺杆直径由大变小，螺槽由深变浅，压缩比100以上。

进一步，所述挤出机机筒出口设有整流器，所述整流器设计为“蜂窝煤”状，内设有多孔洞、所述孔洞之间为平行于其轴线的筋肋，被压缩了的粉粒体物料当其通过整流器时，粉体物料中所携带的旋转分力完全被蜂窝煤状整流器的孔壁筋肋所吸收，在平行于挤出方向的推力作用下，以不带有旋转分力的粉粒体塞流进入机头，开始熔融塑化成型交联，并推动成型了的PEXa管胚挤出口模。

进一步，所述直角机头，机头芯棒可以嵌入电热元件及温度传感器。

进一步，所述直角机头，机头芯棒可通过气体，例如氮气。

进一步，所述直角机头中与塑料接触的机头口模和芯棒表面喷涂特氟龙涂层。

进一步，所述螺杆、机筒和整流器外壁连接油循环恒温系统，具有油加热和油冷却功能，在挤出机中交联剂不分解，循环油温视所用交联剂的最低分解温度而定，对DTBP而言，循环油以不高于126℃为宜。

上述挤出装置还包括挤出管材的相应辅机，所述辅机包括管材定径、冷却、牵引、收集及控制装置，后交联用交联炉，二层结构阻氧TPEX管的制造所用“塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置”（参见US 9481006 B2）。

上述挤出装置可用于生产不同规格同步交联PEXa管、后交联PEXa管、二步法交联PEXa管、TPEX管和共挤出阻氧TPEX管。所述同步交联PEXa管，物料的输送与压缩是连续进行的，可高速挤出，无焦烧之虑，管壁松密度均匀。所述后交联PEXa管中的过氧化物交联剂为DTBP（二叔丁基过氧化物）或BIBP（双叔丁基过氧化二异丙基苯）。所述二步法交联PEXa管，其管坯在挤出机机头中完成初步交联，挤出口模后继续进行交联，交联路程长，过氧化物交联剂获得足够高的温度，足够多的热量和充分的时间。所述TPEX管，其组成包括：HDPE 20～40Phr，PERT 60～80Phr，BiBP 0.20～0.40Phr，1076 0.25phr，DLTDP 0.15phr，及其它助剂。所述共挤出阻氧PEX管材，采用EVOH/PO合金阻隔材料做阻氧层，采用本发明人的“塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置”（参见US 9481006 B2）制成。所述EVOH/PO合金，即乙烯乙烯醇共聚树脂/聚烯烃合金。

本发明的有益效果：

1、采用本发明装置，物料的输送与压缩是连续进行的，所得PEXa管材、TPEX管材、二层结构阻氧TPEX管材等，其壁厚松密度均匀，无周期性变化的内应力，管材性能优于柱塞式挤出机制造的PEXa管材。

2、整流器的采用，可有效消除螺杆式挤出机挤出物料中存在的旋转分力，从而保证了螺杆式挤出机制造同步交联（无焦烧之虑）PEXa管成为可能。

3、粉粒体的挤出，可以严格控制物料温度，物料在挤压/输送过程中，树脂不熔融、交联剂不分解，从而保证了可以采用无异味、卫生性能好的低分解温度交联剂。

4、使用本发明装置生产二步法交联PEXa管，采用初交联（同步交联）加后交联，机头可以缩短，挤出阻力降低，交联路程加长，交联剂得到充分的分解时间，因此可以实现高速挤出。

5、使用本发明装置生产二步法交联PEXa管，采用初交联（同步交联）加后交联，管内外均为热的惰性气体氛围，生产过程中无火灾隐患，管材内外表面也避免了热氧老化。

6、使用本发明装置生产二步法交联PEXa管，可以制造任意大口径PEXa管。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1是本发明挤出装置的结构示意图；

图2是本发明挤出装置的整流器断面示意图；

图3是本发明挤出装置的机头结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明挤出装置的结构示意图。图中，1，油循环泵；2，回油管；3，送油管；4，止推轴承；5，螺杆；6，挤出机出口连接法兰；7，挤出机机筒；8，供料斗；9，搅拌器；10，搅拌器马达；11，整流器连接法兰；12，整流器筒壁；13，整流器筋肋。

图2是本发明挤出装置的整流器断面示意图。图中，13，筋肋；12，整流器筒壁。

图3是本发明挤出装置的机头结构示意图，图中，101，芯棒电热器接线端子；102，机头连接法兰；103，芯棒通气孔；104，加热器；105，口模调整螺栓；106，机头体；107，芯棒；108，口模；109，口模压环；110，芯棒搬手口。

实施例1

制造管壁松密度均匀，无焦烧之虑的同步交联PEXa管

将粉粒体高压挤出机、整流器、直角机头、油循环恒温系统安装好，与通常所用热塑性塑料管材生产线之定径、冷却、牵引、切割、收集装置等辅机衔接，接通水电气，形成一条完整的塑料管材生产线。油循环系统的油温设定为120℃，使粉体高压挤出机的机筒、螺杆及整流器筒壁温度稳定在120℃左右。机头及芯棒温度设定为240℃至250℃之间，采用下述配方（重量份）：

HDPE（粒径200～250微米）100

DYBP 0.15～0.25

TAlC（三烯丙基异氰脲酸酯）0.25～0.17

1076（β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸十八碳醇酯抗氧剂）0.2～0.35

DLTDP（硫代二丙酸双十二醇酯抗氧剂）0.2～0.15

其它助剂适量

物料按配方配比称量，掺混后投入螺杆式粉粒体高压挤出机的料斗8中，启动粉粒体高压挤出机，经整流后的物料在强大的推力作用下被挤入机头开始熔融塑化成型交联成PEXa管胚，并连续不断地沿管材轴线平行移动挤出口模，在牵引机的牵引下，进入冷却定径装置，完成PEXa管的制造。

按此工艺操作，所得PEXa管交联度可达85％左右，dn20x2之PEXa管生产线速度可达4米／分至8米／分，是采用柱塞式挤出机同步交联PEXa管生产线速度的2倍到5倍，但物料是连续压缩与输送的，管壁松密度均匀；因采用的是同步交联工艺，允许HDPE在熔融、塑化、成型的同时完成交联过程，无焦烧之虑，优于采用螺杆式挤出机的后交联工艺。

实施例2

制造管壁松密度均匀无异味无焦烧之虑同步交联PEXa管

将粉粒体高压挤出机、整流器、直角机头、油循环恒温系统安装好，与通常所用热塑性塑料管材生产线之定径、冷却、牵引、切割、收集装置等辅机衔接，接通水电气，形成一条完整的塑料管材生产线。油循环系统之油温设定为120℃，使粉体高压挤出机的机筒、螺杆及整流器筒壁温度稳定在120℃左右。机头及芯棒温度设定为230℃至240℃之间，采用下述配方（重量份）：

HDPE（粒径200～250微米）100

DTBP 0.40～0.50

1076 0.30～0.40

DLTDP 0.10～0.15

其它助剂适量

物料按配方配比称量，掺混后投入螺杆式粉粒体高压挤出机的料斗8中，启动粉粒体高压挤出机，经整流后的物料在强大的推力作用下被挤入机头开始熔融塑化成型交联成PEXa管胚，并连续不断地沿管材轴线平行移动挤出口模，在牵引机的牵引下，进入冷却定径装置，完成PEXa管的制造。

按此工艺操作，所得PEXa管交联度可达88％左右，因使用了卫生性能符合FDA规定的DTBP交联剂，管壁松密度均匀，管材无异味，卫生性能好，无焦烧之虑的dn20x2之PEXa管生产线速度可达4米／分至8米／分，是同步交联PEXa管生产速度的2倍至5倍。

实施例3

制造管壁松密度均匀无异味无焦烧之虑，大小口径高速挤出二步法交联PEXa管，将粉粒体高压挤出机、整流器、直角机头、油循环系统安装好，与交联炉和通常所用热塑性塑料管材生产线之定径、冷却、牵引、切割、收集装置等辅机衔接，接通水电气，形成一条完整的塑料管材生产线。油循环系统的油温设定为110℃，使粉体高压挤出机的机筒、螺杆及整流器筒壁温度稳定在110℃左右。机头及芯棒温度设定为210℃至230℃之间，芯棒中通入氮气，交联炉中温度设定为250℃，采用下述配方（重量份）：

HDPE（粒径200～250微米）100

DTBP 0.40～0.50

1076 0.30～0.40

DLTDP 0.10～0.15

其它助剂适量

物料按配方配比称量，掺混后投入螺杆式粉粒体高压挤出机的料斗8中，启动粉粒体高压挤出机，经整流后的物料在强大的推力作用下被挤入机头开始熔融塑化成型初步交联成PEXa管胚，并连续不不断地沿管材轴线平行移动挤出口模，在牵引机的牵引下，通过交联炉完成最终交联、通过冷却定径装置后，完成PEXa管的制造。

按此工艺操作，所得PEXa管交联度可达88％左右，管壁松密度均匀，管材无异味，卫生性能好，dn20x2之PEXa管生产线速度可达14米／分至30米／分。高于后交联PEXa管生产线速度，是同步交联PEXa管生产速度的10倍至15倍。管内外壁氧化诱导期相近，生产过程中无火灾隐患，管材规格dn10～dn500，甚至更大，机头长度可比同步交联法的机头缩短。

实施例4

制造热塑性交联聚乙烯（TPEX）管

将粉粒体高压挤出机、整流器、直角机头、油循环恒温系统安装好，与通常所用热塑性塑料管材生产线之定径、冷却、牵引、切割、收集装置等辅机衔接，接通水电气，形成一条完整的塑料管材生产线。油循环系统的油温设定为120℃，使粉体高压挤出机的机筒、螺杆及整流器筒壁温度稳定在120℃左右。机头及芯棒温度设定为240℃至260℃之间，采用下述配方（重量份）：

HDPE 20～40，

PERT （耐热聚乙烯）60～80，

BIBP 0.20～0.40，

1076 0.25，

DLTDP 0.15，

其它助剂适量。

物料按配方配比称量，掺混后投入螺杆式粉粒体高压挤出机的料斗8中，启动粉粒体高压挤出机，经整流后的物料在强大的推力作用下被挤入机头开始熔融塑化成型交联成TPEX管胚，并连续不断地沿管材轴线平行移动挤出口模，在牵引机的牵引下、通过冷却定径装置后，完成TPEX管的制造。

按此工艺操作，所得TPEX管交联度可控制在3％以内，管材无异味，耐热性能和蠕变性能优于PERT II，与PEXa接近，但具有热塑性，管材可以热熔焊接，废品可以热熔回收。dn20x2之TPEX管生产线速度可达15米／分至40米／分。

实施例5

制造二层结构阻氧TPEX管

将粉粒体高压挤出机、整流器、直角机头、油循环恒温系统安装好，机头出口端加装“塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置”（参见US 9481006 B2），与通常所用热塑性塑料管材生产线之定径、冷却、牵引、切割、收集装置等辅机衔接，接通水电气，形成一条完整的热塑性塑料管材生产线。油循环系统之油温设定为120℃，使粉体高压挤出机的机筒、螺杆及整流器筒壁温度稳定在120℃左右。机头及芯棒温度设定为240℃至250℃之间，采用实施例4配方，物料按配方配比称量，掺混后投入螺杆式粉体高压挤出机的料斗8中，启动粉体高压挤出机，经整流后的物料在强大的推力作用下被挤入机头，开始熔融塑化成型交联成TPEX管胚。阻氧层采用EVOH/PO合金金阻隔材料做阻氧层，采用“塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置”（参见US 9481006 B2）制成。

塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置，主机各段温度设定为140℃，170℃，210℃，210℃，物料按配方配比称量，掺混后投入塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置之主机的料斗中，启动塑料管材涂覆机头及含有塑料管材涂覆机头的塑料管材涂覆装置主机，口模挤出的为二层结构阻氧TPEX管胚，经定径、冷却等过程，得二层结构阻氧TPEX管，氧气透过量小于DlN4726规定值的0.32g/m2·d。

对比例1

采用柱塞式挤出机及相应辅机，按下述配方（重量份）生产同步交联PEXa管，

HDPE（粒径200～250微米）100

DTBP 0.45

1076 0.40

物料按配方配比称量，掺混后投入柱塞式挤出机的料斗中，挤出机各段温度设定为50℃～80℃，170℃～180℃，240℃～260℃，按此工艺操作，管材dn20x1.9生产线速度1.1米／分至1.5米／分，交联度88％左右，柱塞式挤出机脉冲式对物料压缩与输送，造成管壁松密程度明显不均匀。

对比例2

采用螺杆式挤出机，加红外交联炉及相应辅机，按下述配方（重量份）生产后交联PEXa管，

HDPE（粒径200～250微米米）100

DYBP 0.42

1076 0.40

物料按配方配比称量，掺混后投入平行双螺杆挤出机的料斗中，熔体温度严格控制在166℃ ～169℃，按此工艺操作，管材dn20x2.0生产线速度14米／分至16米／分，交联度80％以上。管材有异味，卫生性能差，规格小于dn50，管内外壁交联度明显低于管壁中间层交联度。

采用一种螺杆式塑料粉粒体高压挤出机及过氧化物交联聚乙烯管材高速制造装置，配套相应辅机，亦可用于高粘度的PTFE、UHMWPE等的管材、棒材、板材及异型材的挤出成型，和普通热塑性塑料管材的挤出成型。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。