（材料加工工程专业论文）长玻纤维螺旋在线复配增强塑料管材挤出成型过程研究.pdf

郑州大学博士学位论文 摘要 管材是重要的工程材料之一，塑料管材又以其优良的流体流动、耐腐蚀、 安装便捷等特性广泛地应用于各种工程之中。同时塑料管材由于基体材料、辅 助材料、成型工艺、成型设备及应用目的不同，而形成品种繁多、性能各异、 价格差异巨大的产品体系。为研制力学性能优良、工艺相对简单、成本低廉的 管材品种，本文提出了长玻纤维螺旋在线复配增强塑料管材挤出成型技术，并 进行了研究。主要完成工作如下： 1 基于对玻璃纤维增强塑料的宏观、微观及实验数据，推导了纤维增强塑 料的弹性模量、强度条件及纤维与基体界面脱粘的微观力学特征；分析了玻璃 纤维增强塑料的冲击破坏、剪切破坏机理和应力特征。 2 在对一般塑料管材成型过程和常用各形式机头分析的基础上，分析了塑 料管材强度的特点，即分子取向对强度的影响和内压作用下管材的径向、周向、 轴向应力分布情况，得出塑料压力管道的强度主要由圆周方向所控制，提高其 强度要在圆周方向增强。 3 设计了两种长玻纤维螺旋在线复配塑料管材挤出机头，并申报国家专 利及获得授权。其主要特征是，安装在现有通用的挤出机上，使用普通的聚合 物颗粒，在其塑化熔融后在线混合入一定长度的玻璃纤维，并使得熔体分子和 玻璃纤维沿所挤出圆形管材的管壁螺旋取向，生产出强度更高的管材，满足工 程实际的需要。 4 基于对p o i s e u i l l e 流动和c o u e t t e 流动的分析，推导出芯棒旋转式长 玻纤维螺旋在线复配管材挤出机头中混合熔体螺旋流速度场的解析表达式。由 非牛顿幂率流体参数，利用偏微分方程的数值解法，得出算例的速度场曲线。 5 在建立机头内熔体流动方程的基础上，进行了数值整体模拟算法分析。 同时利用a n s y s 程序，对两种新型机头内流场进行模拟计算，得出各关键截面 速度矢量的状态，证明两种新型机头的设计基本上是可行的，为进一步实体研 制提供了数据基础。 6 在对纤维增强塑料工艺过程分析基础上，研究长玻纤维在线复配的具体 工艺，主要为偶联剂处理和新型机头内塑料熔体与玻璃纤维混合机理。 关键词：玻纤增强塑料管材挤出成型，在线复配纤维取向螺旋流挤出机头 塑型查兰塑主兰垡笙苎一 a b s t r a c t t u b u l a rp r o d u c ti so n eo ft h ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gm a t e r i a l s p l a s t i ct u b u l a ri sw i d e l yu s e di nt h ea 1 1k i n d so fe n g i n e e r i n gb e c a u s e o fi t sg o o dp r o p e r t i e so ff l u i d i cc u r r e n t ，c o r r o s i o n p r o o f ，i n s t a l l i n g f a c i l i t ye c t a n db e c a u s et h ep l a s t i ct u b u l a ri sd i f f e r e n ti nt h em a t r i x m a t e r i a l s ，a i d e dm a t e r i a l s ，m o i d i n gt e c h n o l o g y ，t h ef a c i l i t yo fm o l d i n g a n dt h ep u r p o s eo ft h ea p p li c a t i o n ，t h ep l a s t i ct u b u l a ri sf o r m e di n t o t h ep r o d u c th i e r a r c h yi nw h i c ht h ek i n d so fp l a s t i ct u b u l a ra r em u l t i p l y ， t h ep e r f o r m a n c e so fp l a s t i ct u b u l a ra r ed i v e r s i t ya n dt h ep r i e eo fp l a s t i c t u b u l a ra r ed i f f e r e n t i no r d e rt od e v e l o pt h ek i n d so fp l a s t i ct u b u l a r w h o s em e c h a n i c a lp r o p e r t yi s v e r yg o o d ，w h o s em o l d i n gt e c h n o l o g yi s c o m p a r a t i v e l ys i m p l ea n dw h i c hi sc h e a p 。i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n o l o g y i sb r o u g h tf o r w a r da n ds t u d i e dw h i c hi sa p p l i e dt oe x t r u s i o nt h el o n g f i b e r g l a s sr e i n f o r c e dp l a s t i c st u b u l a ra n dt h eo n l i n em i x i n gw i t hl o n g f i b e r g l a s s t h ef o l l o ww o r k sh a v eb e e nf i n i s h e d ： 1 i nt e r mo fm a c r o s c o p yv i e w s ，m i c r o s c o p yv i e wa n dt h ee x p e r i m e n t a l d a t ao fg l a s s f i b e rr e i n f o r e e dp l a s t i c s ，t h ee l a s t i cr a t i oa n di n t e n s i t y o ft h er e i n f o r c e d p l a s t i ca r ed e d u c e d ，t h em i c r o s c o p ym e c h a n i c a lp r o p e r t y o ft h es t i c k yp o i n to ft h ef i b e ra n db a s eb o d yi sa l s ed e d u c e d i m p a c t f a i l u r e ，t h em e c h a n i c s s h e a rf a i l u r ea n ds t r e s s f e a t u r eo ft h e g l a s s f i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s ti c sa r ea n a l y z e d 2 o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g t h e m o l d i n gp r o c e s so ft h eg e n e r a l p l a s t i ct u b u l a ra n da l lk i n d so fd i e ，t h ef e a t u r eo ft h ei n t e n s i t yo f t h ep l a s t i ct u b u l a ri s a n a l y z e d ，o nt h eo t h e rw o r d s ，t h ee f f e c to nt h e i n t e n s i t yb yo r i e n t a t i o no fm o l e c u l ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fr a d i a l s t r e s s ，c i r c l es t r e s sa n da x i a ls t r e s so ft u b u l a ra st h er e s u l to fi n n e r p r e s s u r e ，t h ec o n c l u s i o ni sm a d et h a tt h ei n t e n s i t yo fp l a s t i c p r e s s u r e t u b u l a rl i e do nt h e c i r c l e i n t e n s i t y ，s oc i r c l e i n t e n s i t y m u s tb e a b s l r a c t r e i n f o r c e dt oi n c r e a s et h ei n t e n s i t yo ft u b u l a r 3 t w on e wk i n d so fd i ea r ed e s i g n e da n dg e tt h en a t i o n a lp a t e n t t h ed i e sa r ep u tu s ei n t ot h ee x t r u s i o nt h ep l a s t i ct u b u l a ro n l i n em i x i n g w i t hl o n gf i b e r g l a s s t h ef e a t u r eo ft h ed i e sa r ef l o w i n g ：t h ed i ei s i n s t a l l e di nt h ep r e s e n tg e n e r a le x t r u d e r ：g e n e r a lp o l y m e rg r a n u l ei s u s e di nt h ee x t r u s i o np r o c e s s ：a f t e rm e l t i n gt h ep o l y m e rg r a n u l ei n t o p l a s t i cf l u i d ，f i b e r g l a s si nal e n g t hi sm i x e do n l i n ei n t ot h ep l a s t i c f l u i d ：m a k i n gt h ef l u i dm o l e c u l ea n df i b e r g l a s sh e l i c a lo r i e n t a t i o n a l o n gt h et u b e w a l1o ft h ee x t r u s i o nc i r c l et u b u l a rp r o d u c t s ot h e h i g h e r s t r e n g t ht u b u l a ri sp r o d u c e dt om e e tt h en e e d so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n g 4 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n go ft h ep o i s e u i l l ef l o wa n dc o u e t t e f l o w ，t h er e s o l u t i o ne x p r e s s i o no fh e l i c a lv e l o c i t yo ft h em i x t u r ef l o w i nt h ed i e si sd e d u c e d t h ed i e sw i t hr e v o l v i n gm a n d r a la r eu s e dt o t h ee x t r u s i o nt h ep l a s t i ct u b u l a ro n l i n em i x i n gw i t hl o n gg l a s s f i b e r t h e nt h e e x p r e s s i o na sp o w e rl a wf l o w ，w i t ht h en u m e r i c a lv a l u eo fp a r t i a l d i f f e r e n t i a lw a y ，t h ec u r v e so fv e l o c i t yf i e l do fe x a m p l e si s g i v e n 5 0 nt h eb a s i so ft h es e tu pt h ef l o we x p r e s s i o no ft h em e l ti nd i e ， t h ee x p r e s s i o ni sa n a l y z e dw i t ht h ew h o l en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a l g o r i t h m a n dt h ef l o wi nt h et w on e wk i n d so fd i ei sc a l c u l a t e dw i t ha n a l o g y m e t h o d w i t ha n s y s t h es t a t e so fv e l o c i t yv e c t o r q u a n t i t yo nt h es e v e r a lk e y s e c t i o n sa r ed e d u c e d s ot h ed e s i g no ft h et w on e wk i n d so fd i ei sp r o r e d t o5 ep r a c t i c a li nt h ee s s e n c ea n dt h a t p r o v i d e st h ed a t ab a s i sf o r d e v e l o p m e n to fs o l i dm a s s 6 o nt h eb a s i so f a n a l y z i n go f t h e t e c h n o l o g yp r o c e s so ff i b e r r e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c s ，t h es p e c i a lt e c h n o l o g yo fl o n g f i b e ro n l i n e m i x i n gi sr e s e a r c h e d e s p e c i a l l y ，t h ew a yt od e a lw i t ht h ec o u p l i n g a g e n t a n dt h em i x t u r em e c h a n i c so fp l a s t i c sm e l ta n dg l a s s f i b e r i nt h ed i e a r er e s e a r c h e d k e y w o r d s ：g l a s s f i b e rr e i n f o r c e d m o l d i n g ；o n l i n em i x i n g ： e x t r u s i o nd i e t h e r m o p l a s t i c s ：t u b u l a r ：e x t r u s i o n o r i e n t a t i o no ff i b e r ：h e l i c a l f l o w ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 塑料管材的特点与研究进展 对于一个现代化国家，遍布城乡象人的血管一样的各种管道网是保障社 会正常生产、生活，促进经济发展的基础设旌。塑料管材是高科技复合而成 的化学建材，而化学建材是继钢材、木材、水泥之后，当代新兴的第四大类 新型建筑材料。近年来，化学建材在我国取得了长足进步和迅猛发展，尤其 是新型环保塑料管材的广泛使用，掀起了一场替代传统建材的革命。即使在 已经建成密布塑料管网的发达国家，塑料管的应用量仍然在逐年增长。例如， 欧洲塑料管总用量从1 9 8 5 年的1 4 0 万吨增长到1 9 9 7 年的2 6 0 万吨，年均增 长7 1 ：美国塑料管总用量1 9 8 6 年是2 1 3 4 万吨，1 9 9 8 年达到3 4 6 5 万吨， 年均增长5 2 ，都超过同期国民经济的增长速度。我国塑料管的市场在过 去1 0 年里，平均每年增长2 0 ，到2 0 0 0 年已达到年总产量7 0 8 0 万吨。 根据我国化学建材“十五”规划和2 0 1 5 年发展规划，2 0 0 5 年全国新建的工程 中，建筑排水管道7 0 以上采用塑料管，建筑给水和热水供应管道6 0 以 上采用塑料管；2 0 1 5 年全国新建工程中，塑料管道使用率达8 5 以上。而 在发达国家塑料管材早己经被大量使用在各个领域，特别在欧洲得到了很好 的发展和成功的应用。其中最主要的应用领域之一是给水管网，占第二位的 是饮用水管领域。塑料管材是一个前景广阔的大产业，需要投入大力量进行 研究和开发。 1 1 1 塑料管材的特点 塑料管材随其材质及工艺配方相加工条件的不同而具有不同的物理性 能。因此，根据使用环境的不同，可选择不同类型的塑料管材。表1 - 1 是制 造各种塑料管使用材料的物理性能。根据加入各种不同辅料的数量其物理 性能将发生一定的变化。 塑料管材在国外已得到广泛应用，原因就在于塑料管比传统管材如铸铁 管、钢管、混凝土管有太多的优越性。表现在以下几个方面： ( 1 ) 在水力特性方面：由于塑料管内壁光滑，对于液体的阻力明显小于 郑州大学博士学位论文 混凝土管，因此，在同样的坡度下采用直径较小的塑料埋地管就可以达到设 计要求的流量；在同样的直径下，采用塑料埋地管可减少施工的工作量即可 适当提高坡度。 表1 1 生产塑料管一般材料的物理性能 t a b l e1 - 1p h y s i c a lp r o p e r t yo f g e n e r a lm a t e r i a lo f m a k i n g p l a s t i ct u b u l a r p e 低增强增强 物理性能 p v cc p v cp pa b s 密度聚酯环氧 密度( g c m ) 1 3 81 5 4o 9 30 9 11 0 41 5 01 8 0 拉伸强度( 2 3 c ，m p a ) 4 8 35 0 32 3 43 3 83 7 96 2 16 2 1 弹性模量( 2 3 ，m p a ) 3 1 1 02 5 2 04 8 01 0 3 02 5 2 09 0 08 9 6 0 压缩强度( m p a ) 6 61 7 0 不采用 5 95 31 3 11 3 1 燃烧性自熄自熄低低低低自熄 吸水性( 2 4 h ，2 3 c ，) 0 0 70 1 1o 0 10 0 30 3 3o 20 0 3 悬臂梁冲击强度 3 5 62 8 03 1 i9 _ 3 32 0 01 5 62 2 2 ( 无缺口2 3 。c ，k y m 2 ) 弯曲强度( m p a ) 1 0 09 71 95 96 91 3 11 7 2 平均分子量( 1o 3 ) 1 0 01 0 0 ( 2 ) 在密封性方面：塑料管的连接方法可靠。而混凝土管在保证密封性 方面是比较圃难的。国内绝大多数平接口混凝土管在连接处就靠抹圈混凝 土，现场施工中很难保证不泄漏。又因为是刚性连接管道，稍有移动( 如不 均匀沉降) ，连接处就被破坏。 ( 3 ) 在使用寿命、耐腐蚀性方面：塑料管的耐老化性、耐候性可达5 0 1 0 0 年。埋地排水管输送的生活污水、雨水常常带有腐蚀性，生产污水腐蚀 性更大，即便是室外的自然环境也有很大的腐蚀性，塑料管耐腐蚀性远远高 于金属管和混凝土管。尤其重要的是对pe 管来说，其卫生性已被国家列 入供水工程之用。 ( 4 ) 在铺设安装方面：塑料管的优越性更加显著。它质量轻、长度大、 接头少，可以有6 米、9 米、12 米甚至更长的一根。对于管沟和基础 的要求低，连接方便，施工快捷，费用小，对于城市拥挤地段、地质恶劣地 区，优势更为明显。 第一章绪论 ( 5 ) 在综合经济性方面：塑料管的优势正在被越来越多的用户所认识。塑 料管的单价比混凝土略高，但国内外的实践经验证明，在正确的设计和施工条 件下，塑料埋地管的总工程造价常常低于传统的混凝土管。 塑料管也存在下列缺点，使应用受到一定的限制： ( i ) 耐热性差 ( 2 ) 热胀系数大 ( 3 ) 抗冲击性能较低 ( 4 ) 强度低，一般材料生产的管材不能承受较高的内压。 1 i 2 塑料管材研究与应用进展 制造高强度管材，普及塑料管材在国民经济和建设工程中的应用，是广大 从事聚合物成型专业的技术人员长期探索的目标。随着科学技术的发展，研究 人员利用各种方法和手段研制和开发了多种新型管材，使塑料管材的强度性能 得到大幅度的提高，塑料管材的应用范围得到迅速扩展。在研究管材的耐腐蚀、 抗老化、阻燃、大尺寸等性能时，研究提高管材的力学性能仍然是研究方向的 主旋律。提高塑料制品力学性能的途径主要有两种，一是化学方法，另一种是 物理方法，现综述如下： 化学方法 主要为开发研制新型的树脂材料，或把现有树脂品种进行交联、匹配、组 合成管材生产原料，制造出高强度管材。下面是几种比较成功的管材。 ( i ) 氯化聚氯乙烯管 氯化聚氯乙烯管材是由含氯量高达6 6 的所谓过氯乙烯树脂加工而得的一 种耐热性好的塑料管材。氯化聚氯乙烯树脂用p v c 树脂经氯化制得，随着树脂 中氯含量的增加其密度增大，软化点、耐热性和阻燃性提高，拉伸强度提高， 熔体粘度增大，而韧性和热稳定性降低。氯化聚氯乙烯管的耐热、耐老化、耐 化学腐蚀性优良，在沸水中也下变形，国外多用作热水管、废液管和污水管， 国内己用于电力电缆护套管。由于氯化聚氯乙烯树脂的软化点高，粘度大，热 稳定性低，所以对塑料配方、加工设备和加工工艺方面都提出了比p v c 更高的 要求，管材价格是p v c 管的2 倍。 ( 2 ) 高密度聚乙烯管 高密度聚乙烯管是一种有发展前途的产品，它以优秀的化学性能、韧性、 塑! ! ! 查堂堡主堂竺笙三兰 耐磨性以及低廉的价格和安装费受到管道界的重视，它是仅次于聚氯乙烯、 使用量占第二位的塑料管道材料。 h d p e 双壁波纹管挤出技术在2 0 世纪7 0 年代中期才发展成为成熟的技 术，它是一种用料省、刚性高、弯曲性优良，具有波纹状外壁、光滑内壁的 新颖管材。双壁管较同规格同强度的普通管可省料4 0 ，且具有高抗冲、高 抗压的特性，发展很快。在欧美发达国家中h d p e 双壁波纹管，在相当范围 内取代了传统的钢管、铸铁管、水泥管、石棉管和普通塑料管，广泛用作排 水管、污水管、地下电缆管、农业排灌管。 ( 3 ) 无规共聚聚丙烯( p p r ) 管 无规共聚聚丙烯管或三型聚丙烯管，是欧洲新近开发出来的新型塑料给 水管。这种管材的冲击韧性高，脆化温度低，在热介质内压作用下其强度衰 减慢，在7 0 。c 和1 m p a 压力下可以长期使用，可用于建筑物给水管道，特别 适用于给热水管道。生产这种管材不需要专门的和控制比较复杂而精确的生 产线，生产过程和施工过程中产生的废品可以回收再用，管材连接勿需专用 的昂贵铜管件，可以熔接，不能在管材和管件上直接铰丝，但达到同样强度 和寿命的管材的管壁较厚，管材的线膨胀系数较大原料价格较贵。 ( 4 ) 聚丁烯一1 管 聚丁烯一1 是一种半结晶热塑性塑料，密度接近于中低密度聚乙烯。聚 丁烯一l 管质轻、质软、耐热，耐磨、无毒无害、冲击强度很高，拉伸强度 与h d p e 管接近。聚丁烯一1 管具有独特的蠕变性能，能长期承受高负荷而 不变形。聚丁烯一l 管化学稳定性好，微生物不侵蚀，因此长时间输送、贮 存饮水也不会引起水质低劣。聚丁烯1 管司在0 到9 5 。c 之间安全使用。 聚丁烯一1 管是目前世界上最先进的自来水、热水和暖气排水管材之一。 美国戴维斯能源集团公司采用聚丁烯一1 管作热水管，据称它可以在8 6 。c 、 o 7 m p a 压力下连续使用。奥地利塑料协会安装了聚丁烯1 热水管，水温为4 5 5 0 ，有时达5 5 c 峰值，水压力0 1 3 m p a 。采暖期从1 0 月份到次年4 月 份，正常运转1 3 年后，取出部分管样观察其性能的变化。经过与同期存放 在避光地下室内末使用的管材相比较，两者的老化情况均难以察觉，清洗后 的表面不见裂纹，也没有氧化层。压力试验表明，经过1 3 年的使用，聚了 烯一1 管仍能符合美国有关部门对聚丁烯一1 管材的质量标准要求。这种管材 第一章绪论 的性能最优越，但是价格昂贵。 ( 5 ) 化学交联聚乙烯热收缩管 化学交联聚乙烯热收缩管具有“弹性记忆效应，加热到一定温度时可 径向收缩回复到原来的形状和尺寸。用于通讯电缆和管材接续的热收缩管在 其内壁涂覆一层热熔液，在热收缩管加热收缩的同时，热熔胶熔化起到密封 和增加连接强度的作用。为了改善聚乙烯大分子链伸直定向排列的扩胀拉伸 工艺性能，为了提高聚二烯热收缩管的耐热性、耐磨性、耐环境应力开裂性 和延长使用寿命，必须使聚乙烯大分子链问形成交联键。聚乙烯交联利交联 聚乙烯管坯的扩胀是热收缩管成型加工的关键环节，前者使线形聚乙烯大分 子链转变成三维网状分子结构，后者赋予聚乙烯材伴弹性记忆”效应，从 而使制品具有热收缩性。 ( 6 ) 硅烷交联聚乙烯( p e x ) 管 硅烷交联聚乙烯管生产技术是通过反应挤出成型机制出乙烯基硅烷接枝 聚乙烯可交联聚乙烯管材，再使硅烷接枝聚乙烯水解、缩合脱水而形成硅一 氧交联键从而制得硅烷交联聚乙烯管。生产方法有一步法和二步法两种。一 步法是指聚乙烯接枝反应与可交联聚乙烯管坯成型在同一台反应挤出成型 机上一次完成，而后在湿水浴中或水蒸气浴中进行水解和交联。二步法是先 在反应挤出造粒中制出硅烷接枝聚乙烯粒料和催化剂母料，然后将这两种粒 料按一定比例混合并在普通挤出成型机上挤塑可交联聚乙烯管坯，再将其水 解、交联而制得硅烷交联聚乙烯管材。 硅烷交联聚乙烯管具有优良的综合性能，特别是耐热性好、热强度高、 使用寿命长，在国外有大量使用的成熟经验，广泛用于各种冷热水工程。管 材生产工艺和设备比铝塑复合管简单，生产成本比铝塑复合管低。硅烷交联 聚乙烯管的连接要用专用铜制管件而不能用热熔连接和胶粘接，生产工艺要 求较高，采用一步法生产时需要专用生产设备，废品难以回收再用。 物理方法 物理方法制造高强度管材的途径可分为三种，一是几何造型法；二是多 层材料复合法；塑料原料物理改性法。 所谓几何造型法，是根据管材的受力特点，在管材的几何形状上研制的 合乎力学原理的管材造型。比较成功的产品有： 5 郑州大学博士学位论文 ( 1 ) 双壁波纹管 双壁波纹管是同时挤出两个同心管，再将波纹外管熔接在内壁光滑的内 管上而制成的。它具有光滑的内壁和波纹状外壁，因此，质轻而强度高，比 普通u p v c 管可节省4 0 6 0 的原料，技术经济性较好。目前，我国已 有数十家双壁波纹管生产厂家，产量较大的规格是d 5 1 m m d 1 0 2 m m 主要 用作通讯电缆护管、建筑排气管和农用排水管。国外双壁波纹管除用作排水 管外，还用作通风管和垃圾管等，一般外径在d 1 1 0 - - d 4 0 0 m m 之间，d s 0 0 m m 的双壁波纹管也能生产。这种管材的优点是整体性好，生产技术比较成熟， 管材质量有保证。缺点是只能生产l m 以下的小e 1 径管材，初次投资较大。 ( 2 ) 芯层发泡管及消声管 芯层发泡管是采用三层共挤出工艺生产的内外两层与普通u p v c 相同， 中间是相对密度0 7 0 9 低发泡层的一种新型管材。由于在结构上利用了材 料力学中工字型结构原理，并具有吸能隔声效果好的发泡芯层，所以它具有 下列优点。冲击强度显著提高，其环向刚性为普通硬质聚氯乙烯管的8 倍。 使用温度范围宽广，可在一3 0 1 0 0 下使用( 而一般硬聚氯乙烯管只能 在一1 5 6 0 下使用) ，而且温度变化时尺寸稳定性好。发泡芯层能有效 的阻隔噪声传播，更适用于高层建筑排水系统。隔热件好，比不发泡的实 壁管材传热效率低3 5 。发泡芯层使其内壁抗压能力大大提高。较实壁 管材可节省原料2 5 以上，口径愈大时节省原料更多。管材较径，便于运 输和安装。在弯折状态下的使用寿命比实壁管材要长1 0 年以上。 u p v c 消音管主要用作排水管，在其内壁带有若干条凸形螺旋线，使下 水沿着管内壁自由连续呈螺旋状流动，在排水管中央形成空气柱，使管内压 力降低1 0 ，通风能力提高1 0 倍，排水量增加6 倍，噪声比普通u p v c 排水管和铸铁管低3 0 4 0 d b 。u p v c 消音管与消音管件配套使用时，排水效 果更好。 ( 3 ) 径向筋管 美国波纹管( c o r m a ) 与管材精加工及设备公司( u p o n o r ) 联合开发了 直接加工径向筋管( 环状波纹管) 技木。该技木采用特殊模具和成型后续装 置，其产品又称超强筋环状波纹管。这是一种重型大口径管材，其特点是管 外壁上带有径向加强筋，但不是螺旋状的加强筋，因此它不像螺旋筋那样容 塑：皇堕堡 一 易被压破裂真正起到了提高管材环向刚度和耐压强度的作用，主要用于市政 工程中的排水。 ( 4 ) 螺旋缠绕红外焊接管 希腊p e t z e t a k i s 开发的重型大口径u p v c 管制造技术是以螺旋缠绕制管 技术为基础的。该技木先挤出成型空心矩形材，然后在螺旋缠绕的同时进行 红外焊接而制成大口径管材，口径可达到1 5 0 0 m m 。该技术的特点是口径由 螺旋缠绕芯轴直径决定，而芯轴直径可以设计的很大，即可以用较小的挤出机 生产口径很大的管材。大口径螺旋缠绕管主要用于城镇排水、农田排灌和厂 矿通风。 ( 5 ) 螺旋缠绕熔接高密度聚乙烯管 生产方法是先挤出型材，再将型材螺旋缠绕井熔接成整体管材。这种制 管技术的优点：便于根据需要生产不同直径的管材，其直径可达到3 m 之大； 管材的壁薄( 多为空芯) 、刚度高，达到相同强度时，塑料原料消耗比普通 实壁塑料管材减少一半；管材可在一定范围内任意弯曲，也便于运输。这种 制管技木的缺点：管材的熔接缝很长，操作上稍有失误就难保证质量；无金 属增强的螺旋缠绕熔接管在直径较大或承受外压负载较大时，需要缠绕的型 材具有较大的截面或者增加缠绕层数，使生产成本较高。该管材连接的主要 方法有两种，其一是用螺旋缠绕成型的套管加密封剂连接，其二是用在管材 顶端预埋电热丝进行电热熔接。该管材可用于城镇排水管道、农田排灌管道、 通风管道等，大口径的管材还可用于小型粮仓。 ( 3 ) 螺旋缠绕嵌接高密度聚乙烯管 在工厂生产出h d p e 型材，将型材在工厂或在工地螺旋缠绕成管材，缠 绕时型材相互嵌接，嵌接处加入熔融聚乙烯作粘接剂。在这种缠绕嵌接的 h d p e 管材的外面可以再嵌入轧制成型的钢带以增加它的强度和刚性。这种 制管技术的优点：便于根据需要生产不同真径的管材，v i 径可达2 6 m ；可以 把h d p e 型材运输到工地现场缠绕嵌接成管材，可以最大限度地减少管接头。 其缺点是管材缠绕粘接缝很长，操作上稍有失误就难保证质量。 所谓多层材料复合法为充分利用塑料的耐腐蚀、寿命长、流体阻力小等 优点，直接进行金属高聚物的宏观复合，金属基体通过界面结合承受管材 所受内外压力，塑料基体在防腐蚀方面发挥作用。使管材既有金属的坚硬、 郑州大学博士学位论文 刚直不易变形、耐热、耐压、抗静电等特点，又具有塑料的耐腐蚀，不生锈、 不易产生垢渍、管壁光滑、容易弯曲、保温性好、清洁无毒、质轻、施工简 易、使用寿命长等特点。已推广的品种有： ( 1 ) 钢塑复合管 钢管与u p v c 塑料管复合的管材，使用温度上限为7 0 。c ，用聚乙烯粉 末涂覆于钢管内壁的涂塑钢管可在一3 0 到5 5 c 下使用。环氧树脂涂塑钢管 的使用温度高达1 0 0 ，可用作热水给水管管道。钢管复合管还广泛用于化 工和石油工业等领域。 日本积水化学公司开发出一种钢塑复合管( l p 管) ，其内层为u p v c 管，外层为钢管，钢管表面涂有环氧涂料保护层，u p v c 管和钢管之间充填 有聚氨酯泡沫塑料，以消除噪声，并提高隔热保温性和冲击强度，牢固粘合 内外不同材质的管材。这种复合管适用于高层建筑物。 金属管与塑料管之间结合能力是决定金属塑料复合管的耐压性和抵御 热应力的主要因素一定要使界面结合牢靠，形成分层不分体的宏观复合体 系。金属塑料复合管的复合技术是生产这种管材的关键技术。目前比较成熟 的复合技术有4 种。 拉挤技术。把稍超尺寸的塑料管预先涂上一层粘合剂，加热通过一特 定的模型，使塑料管直径被压缩小并被牵引入金属管，进人金属管后塑料管 恢复到原来的尺寸；形成一种与金属管紧密结合的塑料防腐衬里管。此法也 可以将粘合剂预先涂在金属管内壁。冷拔技术。把塑料管以松配合插人稍 大尺寸的金属管中，然后送入冷拨机：施加高压压缩金属管，使两者紧密贴 合。可以在金属管内壁开设无数个孔穴或微小的倒钩，使这些微小的触点镶 嵌于塑料管表面内，可提高复台管对热应力的抵御。发泡复合技术。该法 的要点是将塑料管插入金属管中，在两层间注人聚氨酯发泡塑料，使金属管 和塑料管紧密地结合在起。共挤复合技术。这是2 0 世纪9 0 年代由英国 和德国开发出的最新复合技术。将铝带通过四套冷弯模和两个成型辊形成圆 形管状搭接( 或对接) 在一起，用超声波焊接或氖弧焊接，然后通过挤出机 挤出内外层塑料管和粘合剂，再通过特制的共挤复合管机头将塑料管分别复 合在已焊接的铝管内外表面上。 ( 2 ) 铝塑复合管 第一章绪论 铝塑复合管，由五层组成。外壁和内壁为化学交联聚乙烯，中间为一层 厚约0 , 3 m m 薄铝板焊接管；铝管与内外层聚乙烯之间各由一层粘合剂牢固粘 结。这种结构的铝塑复合管具有质量 轻、强度高、耐腐蚀。耐高温、寿命 长、高阻隔性、抗静电、流阻小、不 回弹、安装简便等优良性能。其质量 仅为同种规格镀锌钢管的1 1 0 ；在常 温下爆破压力可达6 m p a ；可耐大多数 强酸强碱的腐蚀；可在9 5 湿度，小 于1 m p a 压力下长期工作。最高使用 温度可达1 1 0 ；使用寿命可达5 0 年； 图1 1 铝塑复合管的结构 f i g1 - 1s t r u c t u r eo f c o m p l e x t u b u l a r o f a l u m i n i a ma n dp l a s t i c 由于夹有铝层因而可使氧气渗透率达到零：聚乙烯的摩擦系数极小，对液 体的阻力仅为普通钢管的1 5 ，具有很好的输送能力。管径在3 2 m m 以下的 管材可成盘收卷，每卷长度可超过1 0 0 m 。由于铝层具有很好的可塑性，因 而可使管材很容易地伸直和弯曲；并保持不回弹；安装时不必套丝，截断、 连接十分容易。 目前在工业发达国家已广泛应用铝塑复合管，其主要用途是自来水管、 热水管、饮料和药液管等，还可用于要求抗静电的电磁波屏蔽管、矿山管和 燃气管等。 铝塑复合管的主要缺点：生产技术和设备都比较复杂；管材连接要用专 用铜制管件，不能用热熔连接和胶粘接；废品下能回收再用；生产成本较高。 所谓原材料物理改性增强法，就是在管材成型前或成型中加入增强纤维、 织物、毡等，提高管材强度。 ( 1 ) 玻璃钢管是玻璃纤维增强塑料管( f r p ) 的俗称。f r p 管是一种由 已固化的热固性树脂( 主要为不饱和聚酯树脂) 包围或环绕玻璃纤维增强材 料的复合结构管材。f r p 管按制作工艺分成两类，一类是采用长玻璃纤维缠 绕工艺制作，管壁较薄，可用作制造受内压的管道和制作承压罐，称为增强 热固性树脂管( r t r p 管) ；另一类是掺粉料( 主要为石英砂) ，采用短玻 璃纤维离心或长玻璃纤维缠绕工艺制作，称为增强塑料砂浆管( p r m p 管) ， 管壁略厚，环向刚度较大，可用作承受内、外压的堙地管道。f r p 管是一种 郑州大学博士学位论文 节约能源的管道，具有强度高、质量轻，耐腐蚀、不结垢、拆装简便、维修 容易等特点，并可承受较高内压和较大外压，可用于化工等工业管道，尤其 适用于中大口径的给水、排水管道。国外开发应用已有几十年历史，已形成 一些有独特工艺生产线的跨国公司，如用纤维缠绕法连续生产工艺的v e r c c 技术，最大管径可达d 。4 0 0 m m ，长度可达1 2m 以上；以掺粒料离心工艺制 作的h o b a s 技术，最大管径可达d 。2 4 0 0m m ，管长6 m 。 ( 2 ) 短切玻纤增强管，四川大学蒋龙、申开智利用旋转芯棒口模成功地挤出了 玻纤增强聚丙烯管。扫描电镜研究发现该玻纤管中玻纤沿管周向大量取向，并且取向 程度由内壁到外壁逐渐降低。强度测试表明该玻纤管的周向强度由普通挤出的 8 4 m p a 提高到现在的1 3 5 m p a 。由于玻纤的周向取向 挤出管材的出模膨胀及周向热 膨胀率皆有所降低。 1 2 提高塑料管材力学性能的研究方向 目前，塑料管材仍以p v c 、p e 为主导产品。近年来，p e 管作为城市给 水管和燃气管发展很快，增长速度远远超过p v c 管，主要是对用于管材的 聚乙烯材料不断地研究和改进，增强了聚乙烯管的优势。聚乙烯管料的发展 分为三代( 相当于p e 6 3 、p e 8 0 、p e l 0 0 ) ，最近有报道说已开发出第四代p e l 2 5 。 p e 管具有独特的柔韧性，它对铺设管道的基础适应能力强，最适于有地震 危险的地区，实践证明，p e 管是抗地震性最好的管道。1 9 9 5 年，日本神户 地震中，聚乙烯燃气管和供水管是唯一没有被破坏的管道。聚乙烯管的耐低 温性能远优于p v c 管，且对采用0 型密封圈的适应性更强。 其他类型的管材，虽有大量厂家生产，其力学性能也有很大改观，由于 原材料价格和复杂的成型工艺的限制，造成生产成本踞高不下。价格因素的 影响消费者的选择，- 在产量上还远不能与p v c 、p e 塑料管抗衡。研制力学 性能强并价格低廉的通用管材，已是广大塑料研究者和生产厂家的长期追 求。 为了达到上述目标，除积极发展新的合成树脂品种，以适合管材的要 求外，还应该在把现有树脂加工成塑料管材制品的过程中，利用化学方法或 物理方法改变塑料管材制品的一些性能，以达到预期的目的，这就是塑料改 第一章绪论 性技术。化学改性又分为接枝共聚改性、嵌段共聚改性、辐射交联改性等； 如上节所述的p e x 、p p r 等；一般来说，塑料物理改性技术要比合成+ 种 新树脂容易得多，尤其物理改性，在一般塑料成型加工厂都能进行，且容易 见效，因此塑料改性的研究逐渐得到了人们的重视。物理改性分为填充改性 ( 也可再分出增强改性来) 、共混改性等，如对管材有玻璃钢( f r p ) 管，已 经大量应用，价格尚高。热塑性玻璃纤维增强塑料( f r t p ) 用于管材制造， 也已开始研究，由于仅限于短切玻璃纤维粒料，在管材挤出成型中，其产品 的力学强度有所提高，但有缺点： ( 1 ) 该粒料的成本比较高； ( 2 ) 粒料中所含的玻纤长度有限，3 r n m 以下，并且在粒料的塑化熔融 和管材挤出过程中进一步破碎，管材成型时纤维长度仅有o 1 l m m ，很难大 幅提高管材强度； ( 3 ) 在管材挤出成型过程中，短切玻璃纤维沿管的轴向取向，对提高 管材的周向强度作用有限； ( 4 ) 对含玻纤的粒料的塑化和挤出，现有的挤出机不一定适用，螺杆 与筒壁之间的间隙就要进行大的调整或购置新的。 ( 5 ) 玻纤对螺杆与筒壁磨损也是管材生产商要考虑的问题。 所以，应用含短切玻纤的粒料，生产玻纤增强塑料管材，不是制造高强 度管材的有效方法，除了研究者在实验室的试验报告外，还未见到进行工业 化生产的报道。 因此，如希望研制成本低廉、强度高、工艺简单、可以推广应用的管材， 就要以通用的p v c 、p e 为基料，在线加入长玻璃纤维为增强材料，同时， 控制玻璃纤维在管材中的取向，符合管材在运行时的力学特点，最大限度地 利用材料的力学性能，是新型管材研制开发的方向。 为此，本文提出长玻纤维螺旋在线复配增强塑料管材挤出成型新技术的 概念。 1 3 长玻纤维在线复配增强管材挤出成型研究的技术路线 要实现长玻纤维螺旋在线复配增强塑料管材挤出成型，其技术的核心就 郏卅人学博士学位沦文 是设计一种新型挤出机头，安装在现有通用的挤出机上，使用普通的聚合物 颗粒，在其塑化熔融后在线混合入一定长度的玻璃纤维，并使得熔体分子和 玻璃纤维沿所挤出圆形管材的管壁螺旋取向，生产出强度更高的管材，满足 工程实际的需要。同时要求，工艺过程不能复杂，生产成本希望低于采用短 切玻璃纤维粒料。对此，本文认为长玻纤维在线螺旋复配圆形塑料管材挤出 成型技术的研究路线为： ( 1 ) 研究玻璃纤维增强塑料成型的技术要点，发展方向，为本文的研究 提供借鉴，保证本研究的先进性。 ( 2 ) 研究玻璃纤维增强塑料中玻纤与塑料基材的相互关系，玻璃纤维增 强塑料的破坏机理，对评估所研制的玻纤增强管材的强度提供理论基础。 ( 3 ) 研究承受内压管材在运行中的应力特征，对所研制的玻纤增强管材 中的玻璃纤维取向提出要求，以符合最大限度地利用材料的力学性能的研究 目的。 ( 4 ) 设计长玻璃纤维螺旋在线复配塑料管材挤出机头，安装在现有通用 的挤出机上，使用普通的聚合物颗粒，在其塑化熔融后在线混合入一定长度 的玻璃纤维，并使得熔体分子和玻璃纤维沿所挤出圆形管材的管壁螺旋取 向，生产出强度