热塑性塑料管材挤出涂覆成型

传统热塑性塑料管材的挤出成型，熔体流动方向平行于管材轴线，管壁中塑料大分子链沿平行于管材轴线取向，管壁的强度是轴向大于周向，而承压管材的受力则是周向为轴向的二倍，因此轴向和周向强度与轴向和周向应力相悖。热塑性塑料管材挤出涂覆成型将熔体流动方向旋转为与管材轴线接近垂直，塑料大分子链以沿管材周向取向为主，使塑料管材周向强度大于轴向，使轴向、周向的强度和受力保持一致。

1、前言

热塑性塑料管材发明至今，已有七十余年的历史，塑料管材的品种、用量、应用技术和制造技术等都取得惊人进步。

然而，传统热塑性塑料管材的挤出成型，塑料熔体的流动方向平行于管材轴线，七十余年来基本无变化。此举带来的弊端是：管壁中塑料大分子链是沿平行于管材轴线取向的，管壁的强度是平行于管材轴线方向大于垂直于管材轴线方向。这与承压管材承受内压时管壁受力恰恰相反。根据承压管材的受力分析，当管材在承受内压时，管壁中沿圆周产生的应力约为管壁中平行于管轴线所产生应力的两倍以上。

本来塑料的强度就比金属低很多，塑料强度高的方向并未用于塑料管材强度需要高的环向管壁上，而是落在了相对而言强度要求不高的轴向上，这一现象的存在，无疑是一种很大的浪费。不同的塑料，这种各向异性差别的大小也不尽相同，如最容易取向的TLCP，当采用注射成型时，平行于熔体流动方向的强度高达垂直于熔体流动方向的三倍左右，也就是说，强度可达150MPa的TLCP，当采用传统挤出成型法制造管材时，其可利用强度不足50MPa。

中国专利CN101332667A公开了一种长玻纤增强塑料管材挤出机头，具体涉及一种安装在塑料挤出机上且具有长玻璃纤维在线螺旋复配特点的塑料圆形管材挤出机头。该装置具有玻璃纤维的输入及纤维与熔体的混合分布装置和芯棒转动装置，该机头的混合分布装置成功将一定长度经偶联剂处理的玻璃纤维输入到已塑料化的塑料熔体中，并使玻璃纤维均匀地混合到其中，成为纤塑混合熔体。该机头的芯棒转动装置实现了熔体在芯棒和口模间由沿芯棒轴线流动到绕芯棒螺旋方向流动的转变，直至固化。上述装置挤出的塑料管材中，聚合物分子和长玻璃纤维沿轴线的螺旋方向取向，大大提高了管材的周向强度。

但是，上述塑料管材中长玻璃纤维周向排布是通过芯棒在口模中的旋转实现的，需要外加驱动动力并设置相应的传动装置(如芯棒转速调节链轮、芯棒旋转传动链轮支架、芯棒旋转传动链条、可旋转芯棒与传动从动链轮)，不仅消耗能量且机头结构复杂;另外，上述装置中一个无法克服的弊端是，熔体随芯棒旋转并被逐渐推出口模冷却定型的过程中，管胚中存在着旋转应力，因此管材除了必须进行直线运动外，又增加了一种无谓的的旋转运动，并且这旋转应力将被冻结在管壁中，这是所有热塑性塑料管材的挤出成型所不允许的;另外，多数塑料的挤出加工熔体温度约为200℃左右，有的甚至高达400℃左右，塑料在挤出过程中的熔体压力高达数兆帕至数十兆帕，填加了玻纤的聚合物熔体压力必然更高，致使芯棒与轴承座之间的密封十分困难，容易造成熔体泄漏，影响设备的正常运转，并增加操作者劳动强度，有时甚至会导致设备损坏等情况的发生。

2、热塑性塑料管材的挤出涂覆成型

主要热塑性塑料管材的成型，传统方法为挤出成型。如上所述，在挤出成型过程中，熔体流动方向与管材轴线平行，大分子链也平行于管材轴线取向，管壁的强度是平行于管材轴向大于垂直于管材轴向。为提高塑料管材性能，赋予其新的功能，常对塑料管材外表面进行修饰加工，以提高塑料管材的强度、韧性、弹性模量，或阻氧性、防静电及导电性、阻燃性等。传统的挤出涂覆方法，熔体流动方向也是平行于管材轴线的。

为改变这一落后技术，曼瑞德自控系统公司申请了PCT专利，并获美国授权，如图2所示。采用这项专利技术，使塑料管材在挤出成型过程中，熔体流动方向由平行于管材轴线转变为垂直于管材轴线方向，塑料大分子链取向也由平行于管材轴线转变为与管材轴线垂直，并与管材园周相切，管壁强度垂直于管材轴线方向大于平行于管材轴线，纤维增强的热塑性塑料管材亦将实现真正意义上的垂直于管材轴线方向上的增强。这个专利提供了一种改变熔体流动方向的关键技术，即含有导流板的挤出涂覆机头及含有涂覆机头的塑料管材涂覆成型装置。

由导流板两侧产生的两股熔体流，依顺、逆时针方向流动，涂覆在芯管形成的管胚外壁，热塑性塑料的大分子链准沿着管胚周向取向。在牵引机施于管材的轴向线速度的作用下，两股熔体流将形成交叉排列，交叉角度由牵引速度与熔体流速决定。

热塑性塑料管挤出涂覆成型装置(2、原料预处理装置;5、涂覆层供料挤出机;6 、挤出涂覆机头;7、定径冷却装置;8、牵引装置;9、成品管卷取装置;10、芯管挤出成型机)

热塑性塑料管材挤出涂覆成型是这样实现的：挤出涂覆机头6中设有两只导流板，由两台挤出机供料。一只导流板接受来自挤出机10熔融塑化的聚合物熔体并挤出成型芯管，另一只导流板接受来自挤出机5熔融塑化的聚合物熔体并挤出涂覆在芯管之外，经冷却定型可得成品管。

热塑性塑料管材的生产过程是靠牵引机的牵引力将管胚引出口模进入定径冷却装置的，在牵引力的作用下，导流板形成的两股相向而行的熔体流将绕芯棒呈螺旋轨迹被拉伸形成了网状，可称为交叉复合。螺旋角的大小由挤出速度与牵引速度之比确定，其中环向强度等于轴向强度的2倍的螺旋角(交叉复合角)为理想的角度。图6中成品管实际为四层结构，四层中的大分子链沿管材园周取向。

3、热塑性塑料管材挤出涂覆成型的应用

TLCP具有高强度、高模量、高耐热、高抗冲、高耐磨、高阻燃、高阻隔、耐腐蚀、低蠕变、低热导等特点，性能超群。但是其大分子链极易取向，制品各向异性严重，熔接缝强度与非熔接缝处强度相差悬殊，限制了该产品的广泛应用。采用热塑性塑料管材挤出涂覆成型技术挤出涂覆成型TLCP管材，或者TLCP/TP合金管材，TLCP的棒状大分子将接近垂直于管材轴线取向，这种取向将主要体现在管材的周向强度上，并且熔接缝强度低的弊端将被交叉复合所补偿。

3.1 TLCP输汽管道

用于输送较高温度的蒸汽时，与金属管材比较，可以节省大量防腐费用和保温费用，使用寿命长;与传统挤出成型法比较，管材承压能力可提高一倍以上。

3.2 TLCP原油集输管道

与金属管材比较，可以节省大量防腐费用、大量伴热保温费用，使用寿命长;与传统挤出成型法比较，管材承压能力可提高一倍以上。

3.3 TLCP/TPU合金油井抽油衬管

可适应5000公尺以内油井采油，远远超过UHMWPE衬管的2500公尺和PEX衬管的3500公尺。

3.4 TLCP/PO合金阻氧塑料管

耐水性、耐热性、阻隔性能、力学性能等优秀，二层结构，性能超过采用EVOH五层结构阻氧塑料管，废料回收容易。(1、成品塑料管;2、原料处理装置;3、送管机;4、管材表面预热等离子处理装置;5、挤出机;6、挤出涂覆机头;7、定型冷却装置;8、牵引机;9、涂覆了TLCP/PO合金层的阻氧塑料管)

送管机3和引管机8线速度相等，将需表面改性或者增加新功能的半成品管如需涂覆阻氧层的PEXb管、PEXc管和同步交联PEXa管等的半成品置于半成品管放卷机1上，经送管机3和引管机8拖动放卷，并进入管材表面处理装置4中对管材表面处理，处理的方法为等离子体处理、电晕处理，或者火焰处理等，经表面处理过的半成品管进入涂覆机头6中，与经过原料处理装置2和涂覆层挤出机5熔融塑化的聚合物熔体汇合。在涂覆机头6中，熔体以与半成品管轴线垂直，并沿与半成品管外壁相切顺逆时针方向流动，被涂覆到半成品管的外表面后进入定型冷却水箱7冷却定型，最终得到外表面经挤出涂覆改性的管材阻氧层的阻氧管，并被收集到成品收卷机9上。

采用装置和TLCP/PE合金，可以制造二层结构阻氧PEX管、阻氧PERT管;采用图7装置和TLCP/PP(或PB-1)合金，可以制造二层结构阻氧PB-1管和阻氧PP管等。

3.5 多层结构管材

多层挤出涂覆成型时，很容易实现功能层的复合，如煤矿井下用聚乙烯管中的排水管，各层主要性能和功能要求如下：

内层芯管：主要要求阻燃性、耐磨性，为减少大量阻燃剂降低内层管的力学性能，可以以少量不燃的TLCP树脂取代部分高密度聚乙烯树脂，阻燃剂添加量减少，HDPE又被TLCP增强了，也提高了内层管的耐磨性。

中间层管：主要要求阻燃性、力学性能，可以以较多不燃的TLCP树脂取代高密度聚乙烯树脂，阻燃剂添加量减少较多，HDPE又被TLCP增强了。

外层管：主要要求阻燃性、防静电，为减少大量阻燃剂降低外层管的力学性能，可以以少量不燃的TLCP树脂取代部分高密度聚乙烯树脂，阻燃剂添加量减少，HDPE又被TLCP增强了，即使是不能不添加的防静电剂，对外层管的力学性能的影响也会大大降低。

为了消除添加量较多TLCP造成的原料成本提高，各层配方中添加晶须是十分有效且必要的，此外还可以使材料起到增强、增刚、增韧和提高燃烧温度、降低发烟量等作用。各层均添加有TLCP和晶须，采用热塑性塑料管材挤出涂覆成型装置制造的多层复合煤矿井下用聚乙烯管材的周向强度得到提高，其壁厚减薄的余地较大，可进一步降低管材成本。

4、结语

热塑性塑料管材挤出涂覆成型，改变了传统挤出成型大分子链取向，克服了CN101332667A旋转芯棒机头存在的不足，装置无运转件，无需格外密封，不会增加设备运转故障率;二股熔体流顺逆时针相向而行，管胚不会旋转，亦不存在旋转内应力;增加了管材周向强度，提高了管材的承压能力。该技术适用于绝大多数热塑性塑料管材的制造。