本發(fā)明涉及高分子材料擠出加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

超高分子量聚合物由于其具有極高的分子量，使得超高分子量聚合物制品具備普通高分子材料所不具備的優(yōu)異性能。例如，超高分子量聚乙烯樹脂制品的力學(xué)強(qiáng)度高、耐磨性能優(yōu)異、質(zhì)輕、環(huán)保、吸水率低，廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、食品機(jī)械、運(yùn)輸、冶金、煤炭等領(lǐng)域；超高分子量pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)在200℃以上的高溫下也能保持力學(xué)強(qiáng)度，還具有很強(qiáng)的韌性、耐磨性和抗沖擊性；而素有塑料王之稱的聚四氟乙烯，則具有耐高溫、摩擦系數(shù)極低的特性。

但超高分子量聚合物臨界剪切速率低，容易在很低的轉(zhuǎn)速下就發(fā)生熔體破裂，產(chǎn)品表面凹凸不平，因而生產(chǎn)效率低下。物料摩擦系數(shù)小，加料段易打滑，使物料無法沿軸向前推進(jìn)，易造成擠出不穩(wěn)定；同時(shí)，其熔體黏度高，呈現(xiàn)高彈態(tài)，分子鏈之間擴(kuò)散程度小，松弛時(shí)間長，容易產(chǎn)生熔接痕。

傳統(tǒng)超高分子量聚合物管材成型工藝有多種，包括固態(tài)擠出法、硬頂法、焊接法、粘接法、纏繞法等。通過硬頂法成型，得到的管材熔接強(qiáng)度高，但擠出速度極慢；當(dāng)擠出速度提高后，管材模頭內(nèi)由于不同料流間熔接不良，所以熔接痕問題凸顯，容易造成內(nèi)部缺陷，同時(shí)管材表面質(zhì)量控制困難。而傳統(tǒng)纏繞管材是在型材冷卻狀態(tài)下纏繞并用熱熔塑料粘接成整體的，因此纏繞管拼接處熔接強(qiáng)度低。通過焊接法、粘接法成型的，焊縫的強(qiáng)度不足原來的50％，容易造成斷裂而泄漏，因此不能滿足工業(yè)要求。

由此可見，針對(duì)目前超高分子量聚合物管材成型中存在的問題，開發(fā)一種生產(chǎn)效率高、內(nèi)應(yīng)力小、不同料流熔接強(qiáng)度高、無熔接痕的超高分子量聚合物管材成型方法及設(shè)備，對(duì)超高分子量聚合物材料的諸多優(yōu)異性能的進(jìn)一步開發(fā)與利用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法，該方法可實(shí)現(xiàn)在保證熔接強(qiáng)度較高的前提下，有效提高管材成型的生產(chǎn)效率。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法的超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型設(shè)備。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法，先利用擠出機(jī)主機(jī)將超高分子量聚合物原料塑化擠出，預(yù)成型為片材，再將片材送入管材成型輔機(jī)中卷繞成型為管材；

管材成型輔機(jī)包括機(jī)筒和設(shè)于機(jī)筒內(nèi)的芯軸，機(jī)筒內(nèi)壁分布有凹槽，芯軸的驅(qū)動(dòng)方式采用有源驅(qū)動(dòng)(即成型模具的芯軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng))，使機(jī)筒與芯軸之間形成容積周期性脈動(dòng)變化的腔體，片材卷繞后形成的熔體在腔體內(nèi)輸送的過程中，受到脈動(dòng)變化的壓縮與膨脹作用，促進(jìn)聚合物大分子鏈的擴(kuò)散、熔接及內(nèi)應(yīng)力釋放，從而保證了成型后管材的不同料流間的熔接強(qiáng)度，避免熔接痕。

所述片材進(jìn)入管材成型輔機(jī)時(shí)，片材的中線與機(jī)筒的進(jìn)料口中線之間形成夾角α，且式中db為機(jī)筒的直徑，w為片材的寬度。該夾角的設(shè)置，使得片材能夠在管材成型輔機(jī)的芯軸上卷繞并進(jìn)行無縫拼接。

所述片材熔融后形成的熔體在腔體內(nèi)輸送的過程中，機(jī)筒外周還設(shè)有第一加熱器，通過第一加熱器的外加熱輔助作用，進(jìn)一步促進(jìn)聚合物大分子鏈的擴(kuò)散、熔接及內(nèi)應(yīng)力釋放。另外，在管材成型并送出管材成型輔機(jī)后，還可采用冷卻機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)依次對(duì)管材進(jìn)行冷卻定型和切割，最終得到標(biāo)準(zhǔn)的管材制品。

本發(fā)明一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型設(shè)備，包括相連接的擠出機(jī)主機(jī)和管材成型輔機(jī)，管材成型輔機(jī)包括機(jī)筒和設(shè)于機(jī)筒內(nèi)的芯軸，機(jī)筒內(nèi)壁分布有凹槽；機(jī)筒一端的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)料口，進(jìn)料口與擠出機(jī)主機(jī)連接，機(jī)筒另一端為出料口，出料口還連接有口模筒；芯軸包括相連接的軸體和軸頭，軸體位于機(jī)筒內(nèi)，軸頭位于口模筒內(nèi)。其中，進(jìn)料口為開設(shè)于機(jī)筒側(cè)壁上的矩形通孔，擠出機(jī)主機(jī)成型的片材直接由該進(jìn)料口進(jìn)入管材成型輔機(jī)中；機(jī)筒內(nèi)壁的各凹槽(該凹槽結(jié)構(gòu)可為軸向凹槽或螺旋凹槽)沿機(jī)筒圓周方向均勻分布于機(jī)筒內(nèi)壁上；芯軸為有源驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)芯軸，可提供驅(qū)動(dòng)力，使芯軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料前進(jìn)，保證長停留時(shí)間成型條件下成型流動(dòng)阻力減少，避免了因模頭長度大而能耗高、軸向壓力過大的問題。

所述軸頭包括相連接的漸變段和平直段，漸變段兩端分別與軸體和平直段連接，漸變段的直徑沿?cái)D出方向逐漸減小。也就是說，芯軸上，平直段的直徑小于軸體的直徑，且兩者之間通過漸變段進(jìn)行過渡連接。軸頭采用耐磨材料制作或進(jìn)行表面熱處理、涂層及滲層等技術(shù)以提高耐磨性，緩解由于芯軸與物料摩擦而表面磨損嚴(yán)重導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸偏差的問題。

所述口模筒的內(nèi)壁形狀與軸頭相同，口模筒與軸頭之間還設(shè)有耐磨襯套，耐磨襯套的外壁與口模筒的內(nèi)壁相接觸，耐磨襯套的形狀也與軸頭相同。耐磨襯套具有與機(jī)筒相通的進(jìn)口和出口，襯套的進(jìn)口與機(jī)筒的出料口相通，耐磨襯套與軸頭之間形成成型腔，該成型腔沿進(jìn)口朝向出口的方向上依次設(shè)置有相應(yīng)的漸變段和平直段，實(shí)現(xiàn)管材穩(wěn)定擠出及制品尺寸調(diào)整。

作為一種優(yōu)選方案，所述軸體的外圓柱面上，與機(jī)筒上進(jìn)料口對(duì)應(yīng)的一端設(shè)有斜棱。除此之外，芯軸上的其它部位為光軸，該軸體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，但片材進(jìn)入進(jìn)料口后，斜棱可對(duì)片材產(chǎn)生咬合作用，片材在斜棱的咬合作用下以一定角度卷繞到芯軸上，通過芯軸與機(jī)筒間形成體積脈動(dòng)變化的腔體，熔體受到脈動(dòng)變化的壓縮與膨脹作用，在外加熱的輔助作用下，促進(jìn)大分子鏈的擴(kuò)散與松弛及內(nèi)應(yīng)力釋放，有效消除熔接痕。

作為另一種優(yōu)選方案，所述軸體為光軸。即軸體的外圓柱面為光滑面，不設(shè)有任何斜棱或曲面。該軸體結(jié)構(gòu)簡單，加工簡便，適應(yīng)性強(qiáng)，且對(duì)物料無剪切作用，但對(duì)片材的咬合效果不如帶斜棱的軸體好。

所述擠出機(jī)主機(jī)與管材成型輔機(jī)之間形成夾角α，且式中db為機(jī)筒的直徑，w為片材的寬度。其中，擠出機(jī)主機(jī)與管材成型輔機(jī)之間形成的夾角即為片材的中線與機(jī)筒的進(jìn)料口中線之間形成夾角，該夾角的設(shè)置，使得片材能夠在管材成型輔機(jī)的芯軸上卷繞并進(jìn)行無縫拼接。

所述機(jī)筒外周設(shè)有第一加熱器，口模筒外周設(shè)有第二加熱器。除此之外，機(jī)筒上還設(shè)有第一溫度傳感器，口模筒上還設(shè)有第二溫度傳感器，通過第一溫度傳感器和第二溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)筒和口模筒內(nèi)的熔體溫度，將其反饋給設(shè)備的控制器，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)第一加熱器和第二加熱器的加熱溫度，使熔體溫度保持恒溫。

除了上述結(jié)構(gòu)外，管材成型輔機(jī)還包括冷卻機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、托輥支撐機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，冷卻機(jī)構(gòu)包括定徑套和水槽，口模筒的出口與定徑套、水槽依次連接。托輥支撐機(jī)構(gòu)包括托輥和托輥支撐架，托輥設(shè)于定徑套出口處的管材下方，托輥支撐架用于安置托輥。沿?cái)D出方向，切割機(jī)構(gòu)設(shè)于托輥支撐機(jī)構(gòu)的后方，對(duì)管材進(jìn)行自動(dòng)切割，實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)，效率高，得到端面整齊、光潔且定長的管材。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)和聯(lián)軸器，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與芯軸連接，驅(qū)動(dòng)芯軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

本超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法及設(shè)備中，先通過擠出機(jī)主機(jī)擠出片材，再將片材供應(yīng)到管材成型輔機(jī)，既可以降低擠出機(jī)主機(jī)的背壓，減少擠出機(jī)主機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸，同時(shí)可有效提高生產(chǎn)效率。

本超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法及設(shè)備中，將片材以一定的角度卷繞到管材成型輔機(jī)上擠壓成管材，通過機(jī)筒內(nèi)壁所設(shè)的凹槽，使芯軸與機(jī)筒間形成體積周期性變化的腔體，實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)壓縮釋放，并通過外加熱的輔助作用，促進(jìn)大分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，逐步釋放內(nèi)應(yīng)力，解決了傳統(tǒng)管材纏繞成型方法所帶來的熔接強(qiáng)度低的問題。

本超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法及設(shè)備中，管材成型輔機(jī)中的芯軸為有源驅(qū)動(dòng)，可保證長停留時(shí)間成型條件下減少成型流動(dòng)阻力，避免了因模頭長度大而能耗高，所需軸向壓力大的問題。

附圖說明

圖1為本超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中管材成型輔機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為管材成型輔機(jī)的主視圖(圖中帶有局部剖面示意圖)。

圖4為管材成型輔機(jī)的俯視圖(圖中帶有局部剖面示意圖)。

圖5為圖2中機(jī)筒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為機(jī)筒的的主視圖(圖中帶有局部剖面示意圖)。

圖7為圖6的a-a截面視圖。

圖8為實(shí)施例1中芯軸的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為實(shí)施例2中芯軸的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

本實(shí)施例一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型設(shè)備，如圖1所示，包括相連接的擠出機(jī)主機(jī)80(擠出機(jī)主機(jī)一端設(shè)有控制箱90)和管材成型輔機(jī)70，如圖2～圖4所示，管材成型輔機(jī)包括機(jī)筒1和設(shè)于機(jī)筒內(nèi)的芯軸2，如圖5～圖7所示，機(jī)筒內(nèi)壁分布有凹槽1-1；機(jī)筒一端的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)料口1-2，進(jìn)料口與擠出機(jī)主機(jī)連接，機(jī)筒另一端為出料口1-3，出料口還連接有口模筒3(口模筒端部還可設(shè)有擋環(huán)4)；如圖3或圖8所示，芯軸包括相連接的軸體2-1和軸頭2-2，軸體位于機(jī)筒內(nèi)，軸頭位于口模筒內(nèi)。其中，進(jìn)料口為開設(shè)于機(jī)筒側(cè)壁上的矩形通孔，擠出機(jī)主機(jī)成型的片材直接由該進(jìn)料口進(jìn)入管材成型輔機(jī)中；機(jī)筒內(nèi)壁的各凹槽沿機(jī)筒圓周方向均勻分布于機(jī)筒內(nèi)壁上；芯軸為有源驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)芯軸，提供驅(qū)動(dòng)力，使芯軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料前進(jìn)，可保證長停留時(shí)間成型條件下減少成型流動(dòng)阻力，避免了因模頭長度大而能耗高，軸向壓力過大的問題。

如圖8所示，軸頭包括相連接的漸變段2-21和平直段2-22，漸變段兩端分別與軸體和平直段連接，漸變段的直徑沿?cái)D出方向逐漸減小。也就是說，芯軸上，平直段的直徑小于軸體的直徑，且兩者之間通過漸變段進(jìn)行過渡連接。軸頭采用耐磨材料制作或進(jìn)行表面熱處理、涂層及滲層等技術(shù)以提高耐磨性，緩解由于芯軸與物料摩擦而表面磨損嚴(yán)重導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸偏差的問題。

如圖3所示，口模筒的內(nèi)壁形狀與軸頭相同，口模筒與軸頭之間還設(shè)有耐磨襯套5，耐磨襯套的外壁與口模筒的內(nèi)壁相接觸，耐磨襯套的形狀也與軸頭相同。耐磨襯套具有與機(jī)筒相通的進(jìn)口和出口，襯套的進(jìn)口與機(jī)筒的出料口相通，耐磨襯套與軸頭之間形成成型腔6，該成型腔沿進(jìn)口朝向出口的方向上依次設(shè)置有相應(yīng)的漸變段和平直段，實(shí)現(xiàn)管材穩(wěn)定擠出及制品尺寸調(diào)整。

如圖4或圖8所示，軸體的外圓柱面上，與機(jī)筒上進(jìn)料口對(duì)應(yīng)的一端設(shè)有斜棱2-11。除此之外，芯軸上的其它部位為光軸，該軸體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，但片材進(jìn)入進(jìn)料口后，斜棱可對(duì)片材產(chǎn)生咬合作用，片材在斜棱的咬合作用下以一定角度卷繞到芯軸上，通過芯軸與機(jī)筒間形成體積脈動(dòng)變化的腔體，熔體受到脈動(dòng)變化的壓縮與膨脹作用，在外加熱的輔助作用下，促進(jìn)大分子鏈的擴(kuò)散與松弛及內(nèi)應(yīng)力釋放，有效消除熔接痕。

如圖1所示，擠出機(jī)主機(jī)與管材成型輔機(jī)之間形成夾角α，且式中db為機(jī)筒的直徑，w為片材的寬度。其中，擠出機(jī)主機(jī)與管材成型輔機(jī)之間形成的夾角即為片材的中線與機(jī)筒的進(jìn)料口中線之間形成夾角，該夾角的設(shè)置，使得片材能夠在管材成型輔機(jī)的芯軸上卷繞并進(jìn)行無縫拼接。

如圖4所示，機(jī)筒外周設(shè)有第一加熱器7，口模筒外周設(shè)有第二加熱器8。除此之外，機(jī)筒上還設(shè)有第一溫度傳感器9，口模筒上還設(shè)有第二溫度傳感器10，通過第一溫度傳感器和第二溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)筒和口模筒內(nèi)的熔體溫度，將其反饋給設(shè)備的控制器(即上述整機(jī)控制箱90)，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)第一加熱器和第二加熱器的加熱溫度，使熔體溫度保持恒溫。其中，控制箱90與現(xiàn)有擠出機(jī)的控制箱類似，通過其中的控制器對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行調(diào)溫和調(diào)速控制，控制器可采用plc實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

除了上述結(jié)構(gòu)外，管材成型輔機(jī)還包括冷卻機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、托輥支撐機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖3所示，其中，冷卻機(jī)構(gòu)包括定徑套11和水槽12，口模筒的出口與定徑套、水槽依次連接。托輥支撐機(jī)構(gòu)包括托輥13和托輥支撐架14，托輥設(shè)于定徑套出口處的管材17下方，托輥支撐架用于安置托輥。沿?cái)D出方向，切割機(jī)構(gòu)(圖中未示出)設(shè)于托輥支撐機(jī)構(gòu)的后方，對(duì)管材進(jìn)行自動(dòng)切割，實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)，效率高，得到端面整齊、光潔且定長的管材。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)15和聯(lián)軸器16，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與芯軸連接，驅(qū)動(dòng)芯軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。用于片材成型的擠出機(jī)主機(jī)可采用普通的擠出機(jī)，也可采用市面通用的拉伸流變擠出機(jī)等任何可以連續(xù)塑化擠出超高分子量聚合物片材的機(jī)構(gòu)。

本實(shí)施例通過上述設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型方法，先利用擠出機(jī)主機(jī)將超高分子量聚合物原料塑化擠出，預(yù)成型為片材，再將片材送入管材成型輔機(jī)中卷繞成型為管材；

管材成型輔機(jī)包括機(jī)筒和設(shè)于機(jī)筒內(nèi)的芯軸，機(jī)筒內(nèi)壁分布有凹槽，芯軸的驅(qū)動(dòng)方式采用有源驅(qū)動(dòng)(即成型模具芯軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng))，使機(jī)筒與芯軸之間形成容積周期性脈動(dòng)變化的腔體，片材卷繞后形成的熔體在腔體內(nèi)輸送的過程中，受到脈動(dòng)變化的壓縮與膨脹作用，促進(jìn)聚合物大分子鏈的擴(kuò)散、熔接及內(nèi)應(yīng)力釋放，從而保證了成型后管材的熔接強(qiáng)度，避免熔接痕。

其中，片材進(jìn)入管材成型輔機(jī)時(shí)，片材的中線與機(jī)筒的進(jìn)料口中線之間形成夾角α，且式中db為機(jī)筒的直徑，w為片材的寬度。該夾角的設(shè)置，使得片材能夠在管材成型輔機(jī)的芯軸上卷繞并進(jìn)行無縫拼接。

片材熔融后形成的熔體在腔體內(nèi)輸送的過程中，機(jī)筒外周還設(shè)有第一加熱器，通過第一加熱器的外加熱輔助作用，進(jìn)一步促進(jìn)聚合物大分子鏈的擴(kuò)散、熔接及內(nèi)應(yīng)力釋放。另外，在管材成型并送出管材成型輔機(jī)后，還可采用冷卻機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)依次對(duì)管材進(jìn)行冷卻定型和切割，最終得到標(biāo)準(zhǔn)的管材制品。

其中，超高分子量聚合物是分子量為一百萬以上的聚合物，如超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或超高分子量聚甲基丙烯酸甲酯等。

實(shí)施例2

本實(shí)施例一種超高分子量聚合物管材有源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)形變成型設(shè)備，與實(shí)施例1相比較，其不同之處在于，如圖9所示，軸體為光軸。即軸體的外圓柱面為光滑面，不設(shè)有任何斜棱或曲面。該軸體結(jié)構(gòu)簡單，加工簡便，適應(yīng)性強(qiáng)，且對(duì)物料無剪切作用，但對(duì)片材的咬合效果不如帶斜棱的軸體好。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍；即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。