一种挤压模具及其内壁面涂布方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于成形交联聚乙烯管的挤压模具及其内壁面涂布方法。
背景技术
交联聚乙烯管广泛用于取暖管道、冷/热供水管、灌溉水管及工业用管。上述交联聚乙烯管是利用柱塞挤压(Ram Extrusion)方式(又称恩格尔工序，Engel Process)的挤出机，将乙烯和a-烯烃的共聚体及乙烯聚合物交联挤出而成。
图1为现有技术挤压模具的立体图。如图1所示，用于成形交联聚乙烯管的挤压模具11为一体型。
制造交联聚乙烯管时，保证管子挤出作业连续性的关键是涂布于模具内壁面的氟树脂，其用于减少上述模具内壁面和所挤出熔融树脂之间的摩擦力，以便容易进行管子挤出作业，若涂层受损或磨损，将划伤挤出的管子表面或增加表面的粗糙，最终不能成形管子，导致不能正常生产交联管产品。
现有模具内壁面涂布方法如下：用砂纸研磨模具内壁面并根据模具直径制作海绵块之后，首先沾湿以氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)高分子树脂之一的氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated Ethylene Propylenecopolymer：FEP)作为分散相制造的FEP搪瓷并插入模具，之后用模具长度左右的铁棒向下推海绵块，从而将其涂布于模具内壁面完成第一次涂布，之后在350-400℃的高温电炉中烧结5-20分钟并冷却；接着，通过上述沾湿于海绵块进行涂布的方法，将以氟碳聚合物之一的高分子全氟烷氧基(PerFluoro Alkoxy：PFA)树脂作为分散相制造的PFA氟树脂液，涂布于第一涂层上面之后，在350-450℃的高温电炉中烧结40-90分钟并冷却，从而完成涂布。
通过上述涂布方法获得的涂层，厚度薄，不均匀，以1.6m/分的速度生产最常用的外径20mm(KS M3357)规格管子为准，模具寿命为40-60小时，因模具寿命较短，管子的生产需经常更换模具，重新涂布模具内壁，所投入的人力、停产时间、不良率及不合格品废弃费用高。
之所以用现有方法涂布的模具内壁面涂层寿命较短，是因为熔融树脂的摩擦及交联反应所产生的高温、高压，将内壁面的涂层分解并向外挤出所致。这一点可以通过如下方法证明，即取交联管挤出成形时积累于模具前端的树脂进行IR及DSC分析，则会发现该树脂正是用于涂布的氟树脂，即PFA。
另外，为提高涂布模具内壁面时金属壁和氟树脂第一涂层之间的粘合力，在模具内壁面用砂纸研磨或喷砂(Sand Blast)方式提高糙面效应之后，涂布氟树脂。尤其是，上述喷砂方法的糙面效应，较砂纸研磨好，可延长氟树脂使用寿命，但此时模具内壁面的受损度也高，并会增加模具内径。从而导致最终交联聚乙烯管产品的外径及厚度增加，若使用一定时间(约6个月之内)，交联聚乙烯管的外径及厚度将超过KS及ISO所规定的尺寸，需重新制作模具。
【发明内容】
本发明的目的在于，克服现有技术之不足而提供一种挤压模具，其不仅具有耐久性好的涂层，且模具内壁面的重复涂布作业容易，降低交联聚乙烯管挤出成形所需费用。
本发明的另一目的在于，提供一种挤压模具内壁面涂布方法，其不仅能够形成耐久性好的涂层，且模具内壁面的重复涂布作业容易，降低交联聚乙烯管挤出成形所需费用。
本发明的上述目的及其他目的，可通过下述本发明实现。
为达到上述目的，本发明提供一种挤压模具，其特征在于：包括外管21及插入于上述外管21内部的内管22，且上述外管21及内管22可相互分离；而上述内管22包括法兰221及插入结合于上述法兰221的管子222，且上述法兰221和上述管子222也可相互分离。
优选地，上述内管22的法兰221，由其比重高于或等于上述管子222所用材料，且低于或等于上述外管21的材料制作而成。
本发明中的挤压模具中，在上述内管22的内壁面还包括，通过静电喷涂法将氟树脂粉末涂布及烧结而形成的氟树脂涂层。另外，在上述内管22内壁面，还包括通过将氟树脂溶液涂布及烧结而形成的第一涂层；及在上述第一涂层上，将氟树脂粉末通过静电喷涂法涂布及烧结而成的第二涂层。
另外，本发明提供一种挤压模具内壁面涂布方法，对包括可相互分离的外管21及内管22的挤压模具内壁面进行涂布，其包括如下步骤：(a)分离上述内管22之后，利用研磨法去除形成于上述内管22内壁面上的涂层的步骤；(b)在上述内管22内壁面，利用氟树脂粉末通过静电喷涂法涂布氟树脂层的步骤；及(c)烧结形成的上述涂层的步骤。
优选为，本发明中的挤出模具内壁面涂布方法，在通过静电喷涂法涂布氟树脂涂层的步骤之前，还包括：(d)利用氟树脂溶液，对涂层被去除的上述内管22的内壁面进行第一次涂布地步骤；(e)对所形成的上述第一涂层进行烧结的步骤。
优选为，上述内管22包括法兰221以及插入并结合于上述法兰221的管子222，且上述法兰221和上述管子222也可相互分离，上述管子222，在因其内壁面涂层反复形成和去除而导致其内径扩大至允许范围以上时被更换。
【附图说明】
图1为现有技术中的挤压模具立体图；
图2为现有技术中的挤压模具分解立体图；
图3及图4各为本发明中的挤压模具的分解及组装剖面图；
图5及图6各为本发明中的分离型内管的法兰及管子示意图。
*附图主要符号说明*
11：挤压模具
21：挤压模具的外管
22：挤压模具的内管
221：内管的法兰
222：内管的管子
【具体实施方式】
下面，对本发明进行详细说明。
图2为现有技术挤压模具分解立体图；图3及图4分别为本发明中的挤压模具的分解及组装剖面图；图5及图6分别为本发明中的分离型内管的法兰及管子示意图。
如图2至图4所示，本发明的挤压模具包括外管21及插入于上述外管21内部的内管22，且上述外管21及内管22可相互分离。另外，优选为，上述外管21及内管22可分离及结合，而且上述内管22的重量较轻。另外，为便于结合内管22，内管22和外管21的公差越大越好，但为了更好的热传递，取最小公差为宜。
根据如图1所示的现有技术，为交联聚乙烯管的生产，通常使用三天之后需对模具重复进行氟涂布作业，而现有一体结构的重量较重，而且在重复涂布时，去除已尽寿命的氟树脂的研磨作业难度较大，给作业者带来很多不便。因此，本发明将现有的一体型结构分离成上述外管21及内管22，优选为，只对重量较轻的内管22进行涂布，使重复涂布及烧结作业变得容易、简便。
上述内管22的厚度为1-10mm，优选为1-5mm，更优选为1-3mm。
另外，为便于与外管21之间的装卸，优选将上述内管22制作成具有中空部的结构(请参考图2)。
如图5及图6所示，本发明中的挤压模具的内管22，包括法兰221及插入结合于上述法兰221的管子222，且上述法兰221和上述管子222也可相互分离。
上述外管21可采用现有技术中的碳素钢(S45C)材料制作而成。外管21的材料可采用比上述碳素钢更具耐久性且重量轻的材料，但如使用不锈钢(SUS)制作外管，但因制作费用较高不实用，从价格方面考虑，使用上述碳素钢为宜。
上述内管22的管子222，优选为，采用与上述外管21及上述法兰221相同或更具耐久性的材料，如不锈钢(SUS)、碳素钢、氮化钢、铝或钛材料，尤其是采用耐久性及耐热性好的不锈钢材料制作而成，但也可采用较之上述外管21及上述法兰221更轻的材料，如钢管(STKM11A)制作而成。较之不锈钢，上述钢管具有价格上的优势。从性能方面考虑，优选为，上述法兰221采用与上述管子222相同的材料制作而成，但也可采用现有技术中的碳素钢(S45C)制作而成。一般而言，上述内管22的法兰221，由其比重高于或等于上述管子222的比重，且低于或等于上述外管21比重的材料制作而成。
本发明中的挤压模具，通过上述结构而容易完成挤出成形，尤其是容易进行交联聚乙烯管的挤出成形所需的在模具内壁面反复形成和去除涂层的作业，而且，若因反复形成和去除其内壁面涂层，导致管子内径扩大至允许范围以上时，可通过单独更换管子来继续工作，从而节省交联聚乙烯管挤出成形所需的费用。
本发明中的挤压模具，还包括形成于内管22内壁面的涂层。对其继续进行如下说明。
在对本发明的分离型结构的挤压模具内壁面进行涂布时，将单独分离内管22并对内管22内壁面进行涂布。因此，容易进行去除因交联聚乙烯管的挤出成形受损的涂层并形成新涂层的作业。
本发明中的模具内壁面涂布方法，包括如下步骤：(a)分离上述内管22之后，利用研磨法去除形成于上述内管22内壁面上的涂层的步骤；(b)在上述内管22内壁面，利用氟树脂粉末通过静电喷涂法涂布氟树脂层的步骤；及(c)烧结上述所形成的涂层的步骤。在此，优选为，在通过静电喷涂法涂布氟树脂涂层的步骤之前，还包括：(d)利用氟树脂溶液，对上述涂层被去除的内管22内壁面进行第一次涂布的步骤；(e)烧结上述所形成的第一涂层的步骤。
如在现有技术的说明中所述，在涂布模具内壁面时，首先为去除受损涂层而进行的现有研磨方式，因对模具内壁面的损伤较大，将增加模具内径。因此，现有一体型模具的寿命较短。
为此，本发明人曾申请韩国专利申请第2008-20375号(申请日：2008年3月5日)，“挤压模具及其内壁面涂布方法”。上述发明包括：挤压模具由可分离的外管及内管构成，在模具内壁面涂布新氟树脂层时，分离内管之后，将已形成于内管内壁面但在成形工艺中受损的涂层，在500℃以上的电炉中进行分解，从而去除上述涂层，之后形成新氟树脂涂层。即，该申请将涂布于内管22内壁面的受损氟树脂，用高温烧毁去除，从而解决上述问题。但是，上述利用电炉去除受损涂层的作业，有可能产生不利于环保的废气，且其作业时间较长。
因此，本发明人对上述专利申请进行改进而提出本发明，以在通过现有研磨方式完成去除受损涂层作业的同时，克服模具寿面短的问题。本发明将内管22构成为可分离的法兰221和管子222，从而在因成形作业导致模具达到寿命之后，无需更换整个模具，只单独更换管子222，确保成形作业的连续性。从而不仅节省上述更换所需时间及费用，而且通过只更换管子，节省整体挤压模具所需费用。
因此，本发明中的挤压模具内壁面涂布方法，首先通过研磨方式去除受损涂层。在此，研磨方式可采用砂纸研磨方式及喷砂方式，但较之砂纸研磨方式，喷砂方式所达到的糙面效应更好。
如上去除内管22内部的受损涂层之后，利用氟树脂溶液对上述内壁面进行第一次涂布。
上述氟树脂溶液，可为固体成分分散于溶液的分散溶液，可包括氟树脂及二乙二醇单丁醚、1，2，4-三甲苯、水等溶剂，上述氟树脂和溶剂的重量比可为30∶70至40∶60。
上述氟树脂的重量平均分子量为400,000至10,000,000。
上述氟树脂可为，与模具的粘合力强的FEP(Fluorinated EthylenePropylene copolymer：氟化乙丙烯共聚物)、PTFE(Polytetrafluoroethylene：聚四氟乙烯)、PFA(Perfluoro alkoxy：全氟烷氧基)树脂等。
上述第一次涂布的方法如下：将去除涂层的内管22放在易于进行第一次涂布的夹具上，利用一定大小的海绵沾湿氟树脂，即FEP Teflon(特弗隆)等并插入内管22后，用模具长度左右的铁棒向下推，从而将氟树脂涂布于内管22内壁面。
接着，烧结上述所形成的第一涂层。
上述烧结可通过通常的方法完成，例如，将完成涂布的模具，在烧结炉中以200-450℃的温度烧结3-40分钟之后，进行冷却。
接着，在上述烧结的第一涂层上，利用氟树脂粉末通过静电喷涂法进行第二次涂布。
本发明中，可省略上述第一次涂布步骤及烧结第一涂层的步骤，可在去除涂层的内管22内壁面直接进行上述第二次涂布。
优选为，上述第二次涂布所用的氟树脂为摩擦系数低，耐热性、耐磨性好的PFA(Perfluoro alkoxy)粉末。
上述静电喷涂法是将接地的被涂布物作为阳极，喷涂装置作为阴极施加高电压，形成两级之间的静电场，使涂布粒子微粒化从而进行涂布的方法。本发明可通过通常使用的静电喷涂法完成，例如，可采用如下方法：
首先，将挤压模具放置于PFA氟树脂粉末涂布装置固定器。优选为，水平设置的固定器，设计成容易进行模具涂布的形状，且包括回收氟树脂粉末的回收装置。首先，向粉末喷嘴添加PFA氟树脂粉末之后，启动压缩机增加喷嘴的压力。之后，向所要涂布的内皮模具施加正电流，使其带+极，而向粉末喷嘴施加负电流，使被喷射的粉末带-极。之后，若喷射粉末，则带-极的粉末涂布于+极的模具，且为达到均匀涂布的效果，向模具内皮两侧方向重复涂布1-3次。
上述PFA粉末，可采用提高了耐热性的PFA粉末，优选为，采用可连续使用的最高温度为260-290℃且第二次涂布用PFA氟树脂固体成分为100的粉末。上述氟树脂的分子量可为400,000-10,000,000。
一般而言，现有技术所使用的PFA氟树脂溶液的平均固体成分比例为40-60重量％；重量平均分子量为400,000-10,000,000；可连续使用的最高温度为250-260℃。
若考虑到交联管成形时挤出模具温度为220-280℃，本发明中的第二次涂布用氟树脂具有适合的耐热温度。
静电喷涂时的电压为50,000-80,000V。
接着，烧结上述所形成的第二涂层。
上述烧结可通过通常的方法完成，例如，将完成涂布的模具，在烧结炉中以200-450℃的温度烧结30-300分钟之后，进行冷却。
优选为，涂布于上述内管22内壁面的涂层厚度为50-300μm。
如上所述，完成对模具内管22内壁面的涂布之后，将其插入外管21，并将该模具设置于交联管制作用挤出机，挤出最终产物交联聚乙烯管。
下面，为帮助理解本发明而提供实施例，但下述实施例仅用以说明本发明而非限制本发明。
[实施例]
实施例1
制作如图2所示的由可分离的外管21及内管22构成的挤压模具。另外，如图5及图6所示，内管22由可分离的法兰221和管子222构成。此时，上述外管21及法兰221由碳素钢(S45C)制作而成，而上述管子222由钢管(STKM11A)制作而成。第一次涂布采用与模具的粘合力较强的杜邦FEPTeflon，而第二次涂布采用摩擦系数低，耐热性、耐磨性好的杜邦PFA粉末。所使用的氟树脂分子量为400,000-10,000,000。
上述模具内壁面涂布方法如下：
1)利用喷砂法磨去模具内管22中的受损涂层，并吹入压缩空气完全去除涂层之后，利用丙酮擦净模具内管内壁面上的残留物，并吹入压缩空气使其完全干燥。
2)将完全干燥的内管22放置在易于进行第一次涂布的夹具上，并利用一定大小的海绵(20x 30mm)沾湿第一次涂布用的氟树脂FEP Teflon(杜邦FEP 958-203)并插入内管22后，用相当于模具长度左右的铁棒向下推入，从而将氟树脂涂布于内管22内壁面。
3)将涂布第一涂层的内管21，放入烧结炉烧结(烧结温度200-450℃，烧结时间3-40分钟)后，进行冷却。
4)将完成第一次涂布的内管22放在易于进行粉末喷涂的夹具之上后，通过静电喷涂法将第二次涂布用的氟树脂PFA粉末(杜邦MP-10)涂布在其上。
5)将涂布第二涂层的内管22，放入烧结炉烧结(烧结温度200-450℃，烧结时间30-300分钟)后，进行冷却。
将上述完成涂布的内管22插入模具的外管21，并利用其挤出交联聚乙烯管，从而制造出外观优良的管子。
实施例2
除了在实施例1中作为第一次涂布氟树脂采用PTFE(杜邦PTFE850-321)之外，利用与实施例1相同的方法涂布模具内管22的内壁面。
将将上述完成涂布的内管22插入模具的外管21内，并利用其挤出交联聚乙烯管，从而制造出外观优秀的管子。
实施例3
除了在实施例1中作为第一次涂布氟树脂采用PFA(杜邦PFA PR-901BK)之外，利用与实施例1相同的方法涂布模具内管22内壁面。
将上述完成涂布的内管22插入模具的外管21，并利用其挤出交联聚乙烯管，从而制造出外观优秀的管子。
实施例4
除了在实施例1中不形成第一涂层，直接在去除涂层的内管22内壁面，通过静电喷涂法涂布PFA粉末(杜邦MP-10)之外，利用与实施例1相同的方法涂布模具内管22内壁面。
将上述完成涂布的内管22插入模具的外管21，并利用其挤出交联聚乙烯管，从而制造出外观优秀的管子。
比较例1
制作如图2所示的由可分离的外管21及内管22构成的挤压模具。上述内管22由不锈钢(SUS)材料制作而成，而上述外管21由碳素钢(S45C)制作而成。
上述模具内壁面涂布方法如下：
(a)将涂层受损的模具内管22内壁面，在500℃以上电炉中燃烧，并吹入压缩空气去除涂层之后，利用丙酮擦净模具内管22内壁面上的残留物，并吹入压缩空气使其完全干燥。
(b)将完全干燥的内管22放在易于进行第一次涂布的夹具上，并利用一定大小的海绵(20x 30mm)沾湿第一次涂布用的氟树脂FEP Teflon(杜邦FEP 958-203)插入内管22后，用相当于模具长度左右的铁棒向下推入，从而将氟树脂涂布于内管22内壁面。
(c)将涂布第一涂层的内管21，放入烧结炉烧结(烧结温度为200-450℃，烧结时间为3-40分钟)后，进行冷却。
(d)第二次涂布，将PFA氟树脂液(杜邦PFA857-210)通过上述沾湿于海绵涂布的方法涂布后，进行烧结(烧结温度为200-450℃，烧结时间为3-40分钟)并冷却，之后再次涂布同样的氟树脂液并烧结(烧结温度为200-450℃，烧结时间为30-300分钟)。将上述完成涂布的内管22插入模具的外管21，并利用其挤出交联聚乙烯管。
[实验例]
将上述实施例1至实施例4及比较例1中所涂布的模具安装在挤出机，并在下述条件下进行交联聚乙烯管挤出成形相关的量产实验，其结果如下表1所示：
-挤出机温度条件：十字头100-130℃
接合器140-180℃
模具210-280℃
心轴170-250℃
-管子规格：外径20mm(KS M3357)
-管子挤出速度：1.2-2.0m/分
[表1]
项目 试验方法 单位 KS规格 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 比较例1 交联度 KS M3357 ％ 75以上 80-85 80-85 80-85 80-85 80-85 管内压蠕 变 KS M3357 通过规 定时间 通过 通过 通过 通过 通过 通过 耐热性 KS M3357 ％ 3％以下 2％以下 2％以下 2％以下 2％以下 2％以下 抗拉强度 KS M3357 Kg/cm2 210 210 210 210 210 210 总涂布所 需时间 * 小时 不足3小 时 不足3小 时 不足3小 时 不足3小 时 5小时以 上
*涂布交联管挤出用的模具所需时间
另外，利用其涂布方法，重复涂布上述实施例1及比较例1的模具时，所获得的交联聚乙烯管的外径变化结果，如表2所示：
下述实验结果为，挤出1小时后，取10个500mm长度的管子，测得的外径平均值。
[表2]
项目 涂布一次 涂布二次 涂布四次 涂布六次 涂布八次 涂布十次 研磨法 (管外径mm) 20.01 20.04 20.10 20.20 20.25 20.37 高温电炉法 (管外径mm) 20.02 20.01 20.00 20.02 20.03 20.01
项目 涂布一次 涂布二次 涂布四次 涂布六次 涂布八次 涂布十次 表面状态 良好 良好 良好 良好 良好 良好
从上述表1及表2可知，多次重复上述用于制造交联聚乙烯管的挤出成形作业之后，作为其产品的交联聚乙烯管的外径及厚度，在本发明实施例中，第一次去除受损涂层及形成新涂层之后，增加10-50μm；而在使用五次之后，只更换管子部分继续挤出作业，从而制造出外径和厚度均匀的交联聚乙烯管。另外，较之比较例1，本发明中的各实施例涂布所需时间更短。
上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形，而这些修改、变形不脱离本发明的技术范围。
工业上的实用性
本发明中的挤压模具，在其内管内壁面形成将氟树脂粉末通过静电喷涂法涂布及烧结而成的具有优异耐久性的氟树脂涂层，而且，通过分离型结构，尤其是减轻内管的重量，为重复涂布作业提供方便，而其内管，通过只更换可分离的管子，从而降低交联聚乙烯管的挤出成形所需费用。