（化工过程机械专业论文）双向自增强pvc管布袋法连续扩胀装置的实验研究.pdf

摘要 双向自增强p v c 管布袋法连续扩胀装置的实验研究 摘要 p v c o 管材具有成本低、性能高等优点，在许多国家也已经应 用多年。国际标准组织也发表了p v c o 标准一一i s o d i s l 6 4 2 2 2 0 0 6 。而国内至今尚无p v c o 管的工业化生产。 本课题利用前人设计的布袋法扩胀装置，以p v c u 管为原料， 进行了扩管实验。分析了扩胀失败的原因，针对这些缺陷，改进了设 备并调整了实验参数。讨论了接痕产生的原因并作出改进。通过短时 快速扩胀的方法生产出了无接痕的、表面光滑的、管径均匀的双向自 增强p v c 管。 为了提高扩胀压力，设计了使用高温水替代压缩空气作为扩胀介 质的扩张装置，以便于比较不同扩胀压力下制备的双向白增强p v c 管的力学性能。 通过调整牵引机的牵引速度制备了不同轴向拉伸比的双向自增 强管，并通过环向拉伸实验和内压爆破实验来衡量其力学性能的提 高。环向拉伸实验中，双向自增强p v c 管材的力学性能比进行取向 加工前有了较大的提高，其环向拉伸强度最高增幅已达到3 2 。同样 温度下的环向单向扩胀管只有2 5 。双向自增强p v c 管的弹性模量 也增长了3 0 3 3 ，但断裂伸长率降低了1 6 1 7 。内压爆破实验 中，爆破压力表现出的环向拉伸强度最高提高了2 8 7 5 。此外，实 北京化工大学硕士学位论文 验结果还表明，轴向拉伸比对环向拉伸强度也有影响。其他条件不变 时，环向拉伸强度随着轴向拉伸比的增加而增大。 关键词：双轴取向，聚氯乙烯管材，布袋扩胀，取向度，拉伸强度，轴向拉伸比 摘要 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nc o n t i n u o u se x p a n s i o ne q u i p m e n to f b i a x i a ls e l f - r e i n f o r c e m e n tp i p e sw i t hc l o t hb a g a b s t r a c t p v c op i p e sh a v es o m ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s ta n dh i g h s t r e n g t h ，s ot h e yh a v eb e e na p p l i e df o rm a n yy e a r si nm a n yc o u n t r i e sa n d i s oh a sp u b l i s h e dap v c - 0s t a n d a r di s o d i s16 4 2 2 2 0 0 6 b u tt h e p v c 一0p i p e sa r en o ta p p e a r e di nt h ed o m e s t i cm a r k e ts of a r e x p e r i m e n t sf o re x p a n d i n gp v c up i p e sh a v eb e e nc a r r i e db yt h e c o n t i n u o u se x p a n s i o ne q u i p m e n to fb i a x i a ls e l f - r e i n f o r c e m e n tp i p e sw i t h c l o t hb a g t h er e a s o n sf o rt h ee x p a n s i o nf a i l u r eh a v eb e e na n a l y z e d d e p e n d i n go nt h e s er e a s o n s ，w eh a v ei m p r o v e dt h ee q u i p m e n ta n dh a v e a d j u s t e dt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，h e a t i n gt i m e a n dp r e s s i n ga n ds e t t i n gt i m e w eh a v ed i s c u s s e dt h ec a u s e so ft h et r a c e a n df i g u r eo u tt h es o l u t i o nt oa v o i dt h et r a c e p i p e sw i t hs m o o t hs u r f a c e a n ds a m ed i a m e t e rh a v eb e e np r o d u c e di nan e w w a y o fr a p i de x p a n s i o n i no r d e rt or a i s et h e e x p a n s i o np r e s s u r e ，a d e v i c ew i t h h i g h t e m p e r a t u r ew a t e rt or e p l a c ec o m p r e s s e da i ra se x p a n s i o nm e d i u m h a sb e e nd e s i g n e d t h e r e b yw ec a nc o m p a r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p v c op i p e sw h i c ha r ep r o d u c e du n d e rv a r i o u s p r e s s u r e s b ya d j u s t i n gt h et r a c t i o ns p e e d s ，p v c - op i p e sw i t hd i f f e r e n ta x i a l i i i 北京化工大学硕士学位论文 s t r e t c h i n gr a t i o sh a v eb e e np r o d u c e da n dc o m p a r e di t s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb yt h eh o o ps t r e t c h i n ge x p e r i m e n ta n di n n e rb u r s t i n gp r e s s u r e e x p e r i m e n t t h er e s u l t s o ft h e h o o ps t r e t c h i n g t e s ts h o wt h a tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp v c 一0p i p e sw e r em u c hb e t t e rt h a nt h e n o n - e x p a n dp i p e s l a r g e s ti n c r e a s e da m p l i t u d eo ft h ep v c op i p e s h o o p s t r e t c h i n gs t r e n g t hw a s3 2 ，b u tl a r g e s t i n c r e a s e da m p l i t u d eo ft h e e x p a n d i n gp i p e sw i t h o u ta x i a ls t r e t c hw a so n l y2 5 t h eh o o py o u n g s m o d u l u so ft h ep v c 一0p i p e sh a si n c r e a s e db y3 0 - 3 3 ，b u tt h eh o o p e l o n g a t i o na tb r e a kh a sd e c r e a s e db y16 一17 t h er e s u l t so fb u r s t i n g p r e s s u r ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh i g h e s ti n c r e a s ea m p l i t u d eo ft h e i r h o o ps t r e t c h i n gs t r e n g t hw a s2 8 7 5 i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ea x i a ls t r e t c h i n gr a t i oi n f l u e n c eo nt h eh o o p s t r e t c h i n gs t r e n g t h t h eh o o pt e n s i l es t r e n g t hh a si n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n ga x i a ls t r e t c h i n gr a t i o k e yw o r d s ：b i a x i a lo r i e n t a t i o n ，p o l y ( v i n y lc h l o r i d e ) p i p e ， i n n e r - p r e s s i n ge x p a n s i o nw i t hc l o t hb a g ，o r i e n t a t i o ne x t e n t ，t e n s i l e s t r e n g t h ，a x i a ls t r e t c h i n gr a t i o i v 符号说明 符号说明 密度，k g m 了 比热容j k g 口 周向应力，m m 轴向应力，m m 管材内径，m m 管材壁厚，m m 管材承受的内压, m p a 流量，l h 平均取向角 所需蓄能器的容积， 蓄能器的工作容积， 充气压力，p a 系统最低压力，砌 系统最高压力，p a 传热指数；等温时取n = l ；绝热时取n = 1 4 取向度 相对取向度 距离，m 超声波声速m s 时间差芦 p o d 万 p q 一秒 阳 玖 朋 肼 心 栉 f f s y 业 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：翅 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：丕远速 日期：丝笸：竺 导师签名：瞪l 日期：上兰雩二l 第一章绪论 1 1 聚氯乙烯管材的概况 1 1 1p v c 树脂的发展现状 第一章绪论 聚氯乙烯( p o l y v i n y lc h l o r i d e ，简称p v c ) 是种热塑性高聚物，就其自身 结构和外界条件而言，在任何情况下都不能结晶，被称为非晶态高聚物，又称无 定形聚合物。聚氯乙烯是目前世界上产量最大的热塑性合成材料之一。 近年来，世界p v c 树脂的生产能力稳步增长。2 0 0 5 年全世界p v c 树脂的总 生产能力为36 1 1 5 万t ，2 0 0 7 年增加到约43 4 1 5 万t ，同比增长约5 4 。亚洲 地区的生产能力为22 9 4 2t a ，约占总生产能力的5 2 8 4 【l 】。我国国民经济持续 快速增长，巨大的内需促进了国内聚氯乙烯飞速发展，2 0 0 4 年p v c 产能为6 6 4 万吨年，2 0 0 5 年产能猛增至9 7 2 万吨年，增幅高达4 6 4 。2 0 0 6 年产能又增至 1 2 8 4 万吨年，增幅达3 2 1 ，2 0 0 6 年p v c 产量为8 2 3 8 4 万t ，同比增长2 8 7 【z j 。 同样，世界p v c 树脂的消费量也在不断增加。2 0 0 1 年世界p v c 树脂的总消 费量为2 6 6 9 5 万t ，2 0 0 6 年消费量达到约3 3 5 2 2 万t ，同比增长约6 5 。其中亚 洲地区的消费量约占总消费量的4 5 1 。 我国p v c 树脂的消费主要分为两大类。一是软制品，约占总消费量的3 7 o ， 主要包括电线电缆、各种用途的膜( 根据厚度不同可分为压延膜、防水卷材、可折 叠门等) 、铺地材料、织物涂层、人造革、各类软管、手套、玩具、塑料鞋以及一 些专用涂料和密封件等。二是硬制品，约占总消费量的6 3 o 。主要包括各种型 材、管材、板材、硬片和瓶等。预计今后几年我国p v c 树脂的需求量将以年均约 7 1 的速度增长。2 0 1 2 年总消费量将达到约1 3 5 0 万吨，其中硬制品的年均增长 速度将达到约7 o 。而在硬制品中异型材和管材的发展速度增长最快，年均增 长率将达到约10 0 p j 。 1 。1 2p v c 管材的发展现状 塑料材料发展源于2 0 世纪，到今天已有很多品种，用于管道生产的主要有 l o 多种，主要产品有聚氯乙烯( p v c ) ，聚乙烯( p e ) ，聚丙烯( p p ) 。p v c 在1 8 7 2 年 被发现，是最早被发现的塑料管道材料，并于1 9 3 6 年开始工业化生产 4 1 。至今 p v c 仍是使用得最多的塑料管材料，并被广泛应用于化工生产、水产养殖业、矿 北京化工大学硕七学位论文 山通风、人畜引水工程、城市排水设施及电缆穿线管等领域。 近几年来，我国塑料管道行业发展迅速，已经成为世界塑料管道生产和应用 大国之一。目前，我国p v c 管材生产能力在2 0 0 万吨年以上，仅占塑料管总量 的5 0 左右，而在发达国家，p v c 管消费量一般占塑料管市场的7 0 8 0 【5 j 。 从以上数据可以看到，p v c 树脂和p v c 管都在我国的经济发展中起着重要作用， 并且还有逐年上升的趋势。p v c 在经历了约一百四十年的发展，如今已经遍布各 行各业，显示了其卓越的生命力。p v c 管道系统到今天已经有近7 0 年的发展历 史，因其具有高模量、高强度和较低价格等优点，一直是全世界大应用量的管道 系统之一，在现代社会的很多领域中得到了广泛的应用。所以p v c 管材的加工设 备的研究有很大的市场空间和经济效益，也符合我国科学发展观中可持续发展的 总体规划。 1 1 3 硬聚氯乙烯管( p v c - u ) 概述 硬聚氯乙烯管( p v c u ) ，是我国八五期间的科技成果，建设部1 9 9 6 年科技 成果重点推广产品。由于其制造过程中是不加增塑剂的，因而在i s o 标准中定义 为u n p l a s t i e i z e dp o l y v i n y lc h l o r i d e ，简称为p v c u 。也有资料上称为h a r dp o l y v i n y l c h l o r i d e ，简称为h p v c 。硬质聚氯乙烯典型的物理力学性能表现为热导率 0 0 2 - 0 1 w ( m ) ，比热容1 0 5 1 4 7 j ( g ) ，密度1 3 5 1 4 5 9 e m 3 【6 7 1 。其玻璃 化温度r 为7 5 左右，粘流温度t f 为1 7 0 左右。 硬质聚氯乙烯管具有以下优点【8 j ： ( 1 ) 具有良好的耐酸耐碱性、防渗透性。p v c - u 管材适用于各种流体的输送， 在埋地时它也不受土质和水质的影响，具有良好的防渗透性。p v c 材料不受水中 的氧和游离氯的影响，耐酸耐碱性强，性能受环境影响小。 ( 2 ) 拉伸和压缩性能强，且有一定的柔韧性。p v c - u 管材在2 0 时拉伸强度 可达4 8 m p a ，压缩强度可达6 5 m p a 以上，在压扁管径达1 2 时不会出现裂痕。 ( 3 ) 使用寿命长。p v c u 管材铺设在地下时，寿命可达5 0 年以上，而铸铁管 和混凝土管只有1 5 年- 2 5 年。 ( 4 ) 安装方便，施工造价低。p v c - u 管材质量轻，密度为1 3 8g e m 3 - 1 4 6 9 e m 3 ，是钢的1 5 ，混凝土的1 3 。一般每吨p v c u 管材可代替1 0 - 1 3 吨铸 铁管。由于质轻，所以它运输费用低，安装方便，节省施工费用，降低施工造价。 p v c u 管可以粘接，连接方便、施工迅速容易。1 9 9 6 年国家有关部门做过调查， p v c - u 管的安装费用约为钢管的6 0 左右，材料费为钢管的3 0 - 8 0 o ( 5 ) 流动阻力小。由于p v c u 管内壁光滑，流动阻力小，长期使用不结垢。 输水时p v c - u 管的摩擦系数是铸铁管的6 0 ，是混凝土管的5 0 ，输水能力较 2 第一章绪论 铸铁管提高2 5 一3 0 ，较混凝土管提高5 0 左右。 ( 6 ) 制造能耗低。制造p v c u 上水管比制造传统钢管节能6 2 - 7 5 ，l t , n 造 铸铁管节能5 5 一6 8 。例：生产1 0 0 k m 直径为1 1 0 m m 的p v c u 管所需能源为油 当量3 6 0 吨，而生产相同规格的铸铁管所选的油当量为4 9 0 吨，玻璃钢管所需能 源的油当量为4 5 0 吨。即生产p v c u 管的能耗为铸铁管的1 8 ，混凝土管的7 3 ， 玻璃钢管的8 0 o ( 7 ) 维护保养费用低。由于p v c u 管不会生锈，不用上漆，其维护保养费仅 为铸铁管的3 0 o ( 8 ) 安全卫生、环保。p v c u 饮用水管材由溶解试验证实不影响水质，可以 用作上水管。欧洲乙烯制品委员会的实验研究证明，废弃聚氯乙烯制品不容易分 解，对土壤、环境不会造成危害。美国纽约政府能源和发展局进行焚烧实验后发 现，城市固体垃圾中p v c 废弃物含量与二噫哄的形成没有必然的联系。 ( 9 ) 原材料来源充足、价格便宜。烧碱工业产生大量的氯气是生产p v c 的充 足原材料来源，并且同时解决了氯气的利用问题。 ( 1 0 ) 消耗石油资源少。每吨p v c 树脂消耗0 5 3 吨乙烯，而每吨p e 树脂消耗 乙烯1 0 5 吨一1 1 0 吨，即生产1 吨p e 树脂所消耗的石油可以生产2 吨p v c 。对 于石油资源相对不足，石油需求增长速度超过生产速度的中国来说，推广使用 p v c 管材，可以科学、合理地充分利用石油资源。 ( 1 1 ) 有良好的自熄性和阻燃性。 由于具有以上优点，所以p v c - u 管被广泛应用于居民住宅建筑业、化工生 产、水产养殖业、矿山通风、人畜引水工程、城市排水设施及电缆穿线管等领域。 此外，从价格方面考虑，石油价格暴涨使得在很多应用领域和p v c 管道系统 竞争的聚烃烯管道系统受到了严重的影响，而以煤为原料的p v c 因维持在较低价 格而增强了竞争力。最近有时会因为经济危机的影响，石油价格回落。但石油是 不可再生资源，又是各国争相储存的战略资源。加上我国具有丰富的煤炭、石灰 石资源这就为发展电石法p v c 提供了得天独厚的条件。这也是p v c 管不可忽略 的一个竞争优势。 进入2 1 世纪，p v c 管材面对诸多竞争对手，尤其是由于h d p e 等树脂性能 的明显进展( 如从p e 6 3 到p e 8 0 和p e l 0 0 ) ，p e 管材具有优异的韧性和抗水锤冲击 能力，以及各国环境保护组织对于氯元素的批评。但p v c - u 饮用水管材由溶解 试验证实不影响水质、不易形成水垢。p v c 管材相对于p e 管材更能阻止一些有 害有毒物质的渗透。p e 管材及p v c 管材在水及土壤中对某些污染物质的阻止情 况如表1 1 所示 3 北京化工大学硕士学位论文 表1 - 1p e 管材和p v c 管材对污染物质的阻止能力对比 t a b l e 1 - lt h ed i f f e r e n c eo f b e t w e e np ep i p ea n dp v cp i p ei nd e f e n s e sf r o mh a r m f u l e l e m e n t s 从性价比和表1 可以得出，p v c 管材具有许多的发展优势。 国外发达国家p v c 给水管材的用量仍在稳定增长。其根本原因在于技术创 新、技术进步。包括p v c 树脂的生产和p v c 管道创新技术的应用，特别是p v c 管道加工技术和工艺的创新，明显地改善了p v c 管道的经济性，并开拓了新的应 用领域。所以，我们必须通过提高管材性能的同时节约材料，来提高p v c 管材的 竞争力。 1 2 双轴取向聚氯乙烯( p v o - 0 ) 管材概述 双轴取向聚氯乙烯管道，英文缩写为o r i e n t e dp o l y v i n y ! c h l o r i d e ，简称 p v c o 。其最大特点是生产加工过程中在两个垂直方向管坯的轴向和环向一 一进行拉伸取向。大分子链同时在轴向和环向取向排列，提升了管材的整体性能， 同时减小了壁厚。 p v c 属于非结晶型的无定型塑料，由于分子中的“氯 具有较大的极性，因 此呈刚性，玻璃化温度较高，没有明确的熔点。这种性能的管材，与其它结晶型 的聚烯烃管材相比，较适合于进行双轴拉伸取向。 p v c 管材在成型过程中很容易进行轴向拉伸取向，我们只要增加管材牵引和 挤出的速比即可以实现这种取向。但这种轴向拉伸取向对管材的性能来讲是毫无 意义的，因为它虽然通过拉伸取向，增加了管材轴向的强度，但却降低了管材径 向即环向的强度，这对于塑料管材，尤其是给水管来说，是十分有害的，因为它 会大大降低管材的液压爆破强度，这也就是为什么管材的质量标准中要规定管材 的纵向回缩率一定要小于等于5 的道理【9 j 。 所以理想的拉伸取向应当是双向的，即双轴拉伸取向。通过双轴拉伸取向， 既增加了管材的轴向强度，同时也增加了管材的环向强度，也就是说，通过双轴 拉伸取向，提高了管材的整体性能。在管材材料强度增加的基础上，我们可以用 4 第一章绪论 降低管材壁厚，仍保持管材原有液压爆破强度的方法，来节省材料，降低产品的 成本。 研究开发p v c 0 管材，可以节约原材料资源，降低成本，提高产品性能， 具有明显的经济效益和社会效益。 1 2 1p v o , - - o 管的发展 2 0 世纪6 0 年代，英国利兹大学i m w a r d 教授等开始了聚合物拉伸自增强 的研究 1 0 , 1 1 】，开发了牵引拉伸、静压挤出、固相挤出，研究了p o m ，p e ，p v c ， p p ，p e t s ，p v d f ，p e e k 等多种聚合物的拉伸性能，进行拉伸片、棒、薄膜、 粗单丝、管、中空容器等研究。在早期的研究中，拉伸结构通过牵引拉伸获得。 这个方法的不足在于它仅局限于小尺寸制品的加工。为了弥补这个不足，针对尺 寸较大的自增强制品的成型，又引进了固相等静压挤出工艺。但采用以上方法使 聚合物取向，都需要有较大的塑性变形。静压挤出和柱塞挤出的局限使得它们难 以应用于大批量的商业生产。w a r d 等人于1 9 7 9 年作为一种间歇式工艺成功的开 发了口模拉伸技术。口模拉伸技术不存在以上限制，显示出巨大的商业潜力。8 0 年代开始此项技术进行小尺寸制品的试验研究，随后开始大批量生产，并可以生 产出较大规格的产品。英国曼彻斯特市的塑料加工制造商f r a n c e ss h a v e 于1 9 8 6 年开始研究设计连续化口模拉伸装置，可进行棒材、片材及管材的生产。1 9 9 3 年， 连续口模拉伸装置在英国投入生产，而近年来出现的双轴取向管连续口模拉伸装 置则代表了该技术的最新成就。目前采用连续化口模牵引技术生产双轴拉伸管的 厂家有：英国的b t g 集团、荷兰的w a v i n 公司、芬兰的u p o n o r 公司、希腊的 a gp e t z e t a k i ss a 及日本三菱化学公司。 最早开始工业化生产p v c o 管材的是英国y o r k s h i r ei m p e r i a lp l a s t i c s ( 现在的 u p o n o r 公司) 2 0 世纪7 0 年代早期，英国的约克郡皇家塑料( y i e ) 公司首先研制出 了高强度p v c 材料( h s p v c ) ，以传统名为“s u p e r p o l y o p r c 的p v c o 管材。进一 步的研究由位于威尔文花园市的皂家化学工业公司塑料分部进行。1 9 7 4 年在英国 建成第一条生产线。8 0 年代，此项技术开始工业化。1 9 8 7 年u p o n o r 管理y i p ， p v c o 管材开始在欧洲各地使用【l 卜1 3 】。 后来澳大利亚的v m i d e xt u b e m a k e r 公司在1 9 8 6 开始了p v c o 管材的生产， 并开始在横穿澳大利亚两百公里范围内使用。1 9 9 0 年美国的u p o n o r - e t i 公司得 到授权，1 9 9 1 年在全美境内安装实验装置，第二年开始正式生产。截至1 9 9 4 年， 已有几千英尺的管材在美国境内安装。以及荷兰的p o l v a 公司和法国的s e p e r e f 公司也相续生产并在其国内应用【1 4 】 目前，p v c 0 管材已经在英国、法国、荷兰、葡萄牙、美国、澳大利亚、南 5 北京化工大学硕十学位论文 非和日本等国家应用多年。美国、澳大利亚等国已经发布了p v c o 的产品标准， 国际标准组织也发表了p v c o 标准i s o d i s l 6 4 2 2 2 0 0 6 。 1 9 9 5 年，我国四川大学的蒋龙、申开智、吉继亮等人设计了动态挤管装置， 采用锥形型芯的旋转使管材环向取向，提高强度。李安定、袁毅等通过芯套旋转 和轴向拉伸作用制备出复合应力场下的双向增强h d p e 管材。北京化工大学的王 克俭研究了模头胀拉技术。浙江大学的益小苏、华南理工大学的黄汉雄教授等也 进行了有关聚合物取向增强材料的研究。2 0 0 3 年，四川大学杨明华教授等人研究 了p v c u 管材双轴取向自增强原理及生产装置，四川大学与福建亚通公司合作 研究双轴取向塑料管材的装置，获得专利0 3 2 3 3 7 1 1 6 和0 3 1 1 7 5 4 8 1 。2 0 0 5 年，北 京化工大学吴大鸣教授，王晓洁、杨凯、尤树波等人研究并设计了布袋扩胀法制 双向自增强塑料管材的相关装置，取得了一定进展。但是，总的来说，双向拉伸 塑料管材技术在我国尚属起步阶段，未达到工业化生产的程度，仍有很多的工作 有待进步研究【1 5 。2 。 1 2 2p v c - 0 的优势 表l - 2p v c o u 管和p v c - o 管壁厚的比较 t i t l e1 - 2c o m p a r i s o no fw a ut h i c k n e s sb e t w e e np v c - - up i p e sa n dp v c op i p e 上节提到，双轴取向聚氯乙烯( p v c - o ) 管材是通过特殊的取向加工工艺制造 的管材，这一加工工艺是把p v c o u 管材进行轴向拉伸和环向拉伸。通过双向拉 6 第一章绪论 伸，使管材中的p v c 长链分子在两个拉伸方向上规整排列，获得高强度高韧性、 高抗冲、抗疲劳的新型p v c 管材，性能远优于普通p v c u 管材。事实上，有不 少塑料制品在市场上的竞争优势就依靠取向加工带来的卓越性能，例如纤维、双 向拉伸薄膜、容器等。取向加工工艺一方面可以提高管材性能，另一方面可以减 少材料的消耗，是顺应可持续发展大方向的前沿技术。 由于p v c o 管材是将原来成型的p v c u 管材进行轴向拉伸和环向扩胀，所 以管材的壁厚较薄。表1 2 是g b t1 0 0 0 2 1 2 0 0 6 中规定的给水用p v c u 管材 标准和国际标准i s o1 6 4 2 2 2 0 0 6 规定的输水用p v c o 管材部分规格产品壁厚的 比较【2 2 2 3 1 。 从表1 2 中可以看出，同样承压能力的p v c o 给水管较p v c - u 给水管可减 少壁厚3 5 4 0 ，大大节约了材料，降低了成本。 下面我们再将抗冲击性能进行对比，如表1 3 所示 表1 3p v c o u 管和p v c - o 管的抗冲击性能比较 t i t l e l 3t h ec o m p a r i s o no fs h o c kr e s i s t a n c eb e t w e e np v c - up i p e sa n dp v c op i p e 管材外径 p v c - up v c - o ( 衄n ) 落锤重量( k g ) 冲击高度( m m ) 落锤重量( k g ) 冲击高度( 衄n ) 表1 3 可以看出，p v c u 给水管材通过双轴拉伸后，其冲击强度提高了1 0 倍多。这是因为p v c o 加工工艺是把由常用挤出方法生产的p v c u 管材的环向 扩胀。在扩胀过程中管材的直径增大，使分子在环向取向并带来强度和韧度两个 物理性能的实质性改善。大分子链取向加工产生薄片分层结构，是p v c o 韧度 高的关键。如果由于缺陷和点负载产生了裂纹，分层结构会阻碍裂纹在材料中通 过，裂纹在各层通过时由于应力集中的减少，裂纹扩展被有效地抑制。 1 3 几种有效的拉伸管材成型方法渊 自增强方法主要分为两大类【2 5 】：第一类是固相形变法，即在很大的形变作用 7 北京化工大学硕士学位论文 下，如超级拉伸、固相静压挤出、口模拉伸成型棒材或管材、滚压成型等，使高 分子材料产生很大的塑性变形( 晶区与非晶区) ，实现材料内部的分子高度取向。 第二类是熔体加工法，主要是通过对高分子熔体施加拉伸或剪切力场，如熔体拉 伸。 1 3 1 模头拉伸法邪明 口模冷却浴芯棒限位轴再热箱重载牵引履带 图i - i口模拉伸装置示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t i n u o u sd i ed r a w i n gr i g 目前，模头拉伸法为世界上普遍应用的管材双向拉伸增强方法。模头拉伸是 一种制造自增强管材制品的新方法，它是把长链分子沿管轴方向或环向进行有序 排列来实现自增强的。将加热至一定温度( 低于熔点或软化点) 的坯料在牵引力的 作用下，以一定的速度通过一个锥形芯模或模头，从而形成一定截面尺寸且在拉 伸方向具有较高模量的高强度管材。模拉法是一种获得大取向度的方法之一。它 适用于环型、棒状、矩形、工字型、槽形等异型截面或者变截面的连续、任意长 制品的生产。模头拉伸法又分为两种，一种为单轴拉伸( 又称等孔拉伸) ，单轴拉 伸利于管材的轴向性能的提高，而对环向性能无任何提高，甚至出现下降。模头 拉伸实为一种双向拉伸，不仅利于管材轴向性能的提高，而且也利于管材周环向 性能的改善。 模头拉伸法对设备的要求较高。为了使生产的双轴取向管能够达到较高的质 量要求，必须采用合理的芯模颈部均衡装置，例如芯棒限位轴和口模支持物，使 芯棒和口模保持一定的同心度，而保证管材壁厚的均匀性；在紧挨锥形扩胀芯棒 末端处，安装效率较高的冷却装置，以减小管的横各收缩，保证直径和壁厚达到 要求的尺寸；选择适当的口模形状，调节管壁和壁厚，达到最佳的设计要求；合 理调节拉伸速度、拉伸力、温度的高低来扩大适用材料范围和加工范围，优化产 8 第一章绪论 品质量。 模头拉法的优点是可以避免普通二次加工过程出现的制品内应力较大、产品 性能均匀性不易控制的缺点，有利于提高制品质量。但是模头拉伸法实施起来比 较困难，特别是扩孔拉伸更是如此。从拉伸结果看，无论怎样变更芯模直径，增 大芯模扩胀角，拉伸管的轴向性能总是高于环向性能，这正是模头拉伸法的不足 之，处。 1 3 2 锥形管扩胀法捌 1 2 鹅变换涫1 3i 争却废漕；4 ，5 牵引i ；6 臂垤定形套隋；7r 张定彤套两j d 旋塞 图l - 2 锥形管扩胀拉伸装置简图 f i g i - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n i c a lp i p ed r a w i n gf a c i l i t y 锥形管扩胀拉伸法也是一种有效的双轴拉伸塑料管的生产方法。该方法与口 模拉伸具有一定的相似之处。图1 2 为资料报道的希腊a g p e t z e t a k i ss a 的 p v c u 双轴取向管生产工艺流程。图中，管坯定型套筒6 为薄壁金属筒，它的一 头与机头芯棒相连，外径与芯棒大小相同，套管内有螺旋盘管，当外界循环泵输 入的热润滑油经机头芯棒中心孔进入套筒内盘管时，可维持和调节套筒壁温。套 筒另一端有旋塞，旋塞上有间隙允许润滑油溢出到旋塞表面与管材内壁之间，旋 塞的另一端与扩胀套筒同心相连。扩胀套筒的前端为锥形，后部为柱形。定型套 筒内通过的润滑油约1 1 0 ，热交换池的温度为1 0 0 1 1 0 。管经过热交换池 后，均匀冷却到1 1 0 左右，在图l 一2 中牵引辊4 的牵引下，以v l 的速度前进， 并进入扩胀套筒；经扩胀套筒扩口后的管材受到牵引辊5 的牵引，以v 2 的速度 前进。通过选择v l 他，可实现固定的拉伸比。通过选择适当的管机头和扩胀套 筒，选择径向拉伸比d d ( d 为拉伸前的管内径，d 为扩胀拉伸后的管内径) 。 经 过双向拉伸后的管材在冷却水池3 中被迅速定型和定向。 1 3 3 高压水成型【冽 9 北京化工大学硕士学位论文 热调节槽扩张限制辊喷淋冷却槽扩张塞 图l - 3 高压水成型装置简图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y d r a u l i cp r e s s u r ed r a w i n gr i g 高压水成型装置简图如图1 3 所示。其最主要特点就是引入环向柔和、轴向 硬高的扩胀装置，既可以保持水压，又可以达到轴向力的平衡。扩胀用的高压热 水被在固定的堵头和扩胀堵头之间，其内部的压力远低于液压爆破水平。管坯在 加热槽加热到合适的温度后进入扩胀区域。扩胀区域前端的分布塞通过拉杆固定 在管材中部。除了密封，它还控制着高压热水的流入及与另外一段低压热水的平 衡。后面的扩胀塞与分布塞连接，在保持压力的同时，在管材表面形成均匀的液 膜来减少摩擦。堵塞外部为特殊的聚合物材料，具有较低分子量，并具有较高的 剪切强度。 1 3 4 旋转挤出成型3 1 】 1 芯棒冷却水管；2 链轮；3 轴承座；4 密封装置；5 加热圈； 6 平板；7 熔体；8 加热圈；9 口模板；1 0 芯棒；1 1 压力调节装置。 图1 - 4 旋转挤出成型装置简图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o t a t i n gd i ed r a w i n g sr i g 通过挤出机头的旋转装置，使聚合物在熔融状态产生取向。分为芯棒旋转、 l o 第一章绪论 口模旋转及芯棒口模相对旋转三种。依靠成型管材内表面的芯棒旋转形成的环向 剪切力场，使管材沿环向取向，从而实现管材环向白增强的方法。剪切控制技术 和旋转挤出成型技术可以使塑料管材的环向强度超过了轴向强度，并且可以有效 地消除管材的融接痕，减少缺陷的产生。 135 真空成型 萄定气强 1 进料装置：2 加热炉；3 密封装置； 4 扩胀定径装置：5 充气装嚣：6 收料装置， 图卜5 真空成型装置简图 f i 9 1 - 5s c h e m a t i c d i a g r a mo f v a c u u m m o l d i n g r i g 双向拉伸管材的环向扩胀与热收缩管的扩胀存在相似之处，故这里借鉴了热 收缩管扩管的真空成型技术。真空成型方法有连续成型和分段成型两种，主要用 于生产小u 径管材。被扩管加热到一定温度后进入扩胀套，管材内部为常雎，外 部为负压，在真空的作用下产生扩胀。扩胀方法简单，扩胀倍数大，但轴向收缩 大。除此之外，热缩管生产中应用的重力扩胀法、枷袋扩胀法都可以考虑应用到 管材的环向拉伸中。 本课题就是借鉴了热收缩管生产中的布袋扩胀法。 36 辊压成型【删 辊压成型也被称为旋转成型、剪切旋转成型或流动成型，是一种用旋转推进 的冷成型方法。辊压成型最早金属成型加工巾广泛应用，在聚合物加工中与此类 似的有冷辊加工的片材。辊压成型又分向前和向后两种方法( 如图1 - 6 ) 。试验装置 包括双电机驱动的辊筒和防扭曲装置。管坯通过一个旋转的芯棒，壁厚或管坯外 径减小，长度变大，内径保持不变。通过材料显著的塑性变形，改变了材料的内 部结构。由于材料的加工硬化，使其硬度、屈服应力、拉伸强度都得到提高。 北京化工大学硕士学位论文 鞔籀 燧幼移内 卜一 葛捧土的缍辫 涮灏潍。 糌瞥 1 4 论文选题的意义和目的 聚合物增强技术是聚合物材料科学研究与应用领域中最为活跃、应用最为广 泛的方向之一。作为聚合物增强技术中最重要分支之一的聚合物自增强技术在传 统的增强技术基础上提出了新的发展方向，是一项应用前景十分广阔的技术。迄 今为止，聚合物的拉伸双向拉伸自增强技术，在凝胶纺丝、片材、薄膜等的研究 比较成熟，并已经广泛应用。 双向自增强p v c 管材，与普通管材相比，同样承压能力下壁厚更薄，并且 有着更好的力学性能。所以无论是从节省材料的角度，还是从性能提高的角度来 说，都具有重要的研究价值。对双向自增强p v c 管的研究符合我国的可持续发展 战略路线。p v c 0 管的双轴取向技术的研究与生产目前在国外己经成熟，许多国 家也开始了开始工业化生产，但是在国内的研究还是比较缓慢的。因此布袋法双 向自增强p v c 管的连续扩胀设备的研究有重要的理论意义和实际应用价值。 本论文的目的是完善连续扩胀设备，制造出无缺陷的p v c 0 管并讨论其力 学性能的变化。主要包括在前人的研究成果上，以p v c u 管为原料，改进并设 计可以连续生产双向自增强p v c 管的生产线装置，实现p v c u 按照指定轴向扩 胀比和环向扩胀比连续的扩胀。并且实验各种工艺参数，确定各个因素对双向自 增强管力学性能的影响。使布袋法双向自增强p v c 管的连续扩胀装置具有可工业 化生产的雏形。制造无缺陷的p v c 0 管，对其进行力学性能测试，讨论变化规 律。 1 5 本课题的研究内容 1 2 第一章绪论 第一，在前人的研究成果上，以p v c u 管为原料，改进并设计可以连续生 产双向自增强p v c 管的生产线装置，实现p v c u 按照指定轴向扩胀比和环向扩 胀比连续的扩胀。布袋作为本套设备的关键部件直接影响扩胀的质量。改进和完 善布袋。 第二，为了获得最大的取向度以及最佳的力学性能，确定生产p v c 一0 管的 最佳工艺参数。影响双向自增强p v c 管连续扩胀的工艺参数包括加热温度、加热 时间、充气保压时间以及扩胀压力等。 第三，制备双向自增强p v c 管，并进行环向拉伸实验和内压爆破实验。讨 论其双轴取向前后的力学性能差异。 第四，接痕问题是从项目一开始就存在的遗留问题。不仅影响管材的外观， 而且增加了阻力系数，削弱了管材的强度。探讨接痕产生的原因，完善操作流程 和工艺参数，解决接痕问题。 第五，设计水扩胀装置，进一步探讨各种工艺参数对扩胀管力学性能的影响。 通过柱塞式计量泵和蓄能器提供压力，使用8 0 摄氏度的水作为扩胀介质，使扩 胀压力和扩胀介质的温度也作为一种工艺参数成为可能，进一步探讨影响取向度 的因素。 第六，探讨使用超声波测量p v c 0 管取向度的问题。 1 6 本课题的难点 第一，现在用的双向自增强p v c 管的生产设备是由王晓洁，杨凯和尤树波在 吴大鸣教授的指导下完成的，设备设计过程中经过了大量的计算和论证，是一套 大而复杂的设备。但在进行连续扩胀过程中，有些没考虑到的因素影响到了p v c 管的成型，导致了生产时不能实现连续扩胀和制成的管后半段会出现扩胀不完全 现象。这些需要通过理论来查找影响因素，并通过试验来查找原因，排除不利因 素，改善设备。 第二，接痕问题是从项目一开始就存在的遗留问题。前几届的师兄师姐们也 都做了大量的相关实验，为接痕情况的改善做了大量的工作，为接痕问题的解决 提供了许多参考和经验。要想彻底解决管坯多次扩胀搭接处的接痕问题，不仅需 要理论上查找原因，而且需要实践与理论相结合，进行大量实验做归纳总结。 第三，水扩胀设备还只是一个构思，将其实现可能会遇到未知的难题。 1 3 第二章双轴取向技术及其原理 第二章双轴取向技术及其原理 2 1 普通塑料管材的