一种挤出双向自增强塑料管材的成型原理及方法 技术领域：
本技术涉及各种塑料管材制件的生产制造的原理方法，尤其是涉及塑料管材在其轴向和周向上同时实现自增强的挤出成型原理及方法。属塑料制件的生产制造技术领域。
背景技术：
随着国民经济和国家基础设施建设的不断发展，对大口径塑料管材的需求更加突出。在给水系统中，大口径管往往用做主管道，输送的流体压力相对较高，但此时由于受内压管的周向应力是其轴向应力的2倍，就必须将管材的壁厚设计得较厚才能满足其周向强度的要求。同时塑料管材毕竟是塑料制品，其刚度强度等都远不及铸铁管，因而其在工程安装使用中必须合理地进行支撑方能安全使用，尤其是横管，在管径小于50mm的小管径塑料横管安装中最多不超过半米就得使用一个支撑；而且塑料管尤其容易受到破坏，在室外综合管网交叉施工时，人工、机械器具足以对其造成不同程度破坏，甚至粉粹、断裂；管道回填时，塑料管材也常因管道部分架空或遭较大坚硬物压迫而破损。这些不利因素又要求管材的轴向刚度和强度越高越好，才能少用支撑，更不易被破坏。因此，为了提高管材的耐压强度和刚度，如采用普通方法的话就必须增大管材的壁厚。但是壁厚增大后又带来了由不均匀受热或冷却、固态相变时伴有的体积变化、各部分变形程度的差异及收缩阻碍等因素引起的附加内应力，这些附加内应力经过叠加之后将使管材的受力状况更加恶化。因此单纯依靠增加管材壁厚的方法将导致管材的内应力产生更加不利的叠加效应，而且由于壁厚增加用料增多导致的经济效益下降等因素也使得管材的壁厚不能任意增厚。而目前常规的塑料管材挤出成型方法还无法克服如此两难的困境。
发明内容：
本发明的目的在于克服目前常规的塑料管材挤出成型方法所生产的管材无法同时满足既薄壁、低成本、高效益又具有较高刚强度等的不足，提供一种能在同样壁厚且不添加任何其他增强剂的前提下同时提升管材周向和轴向强度的挤出成型方法。
本发明的目的是这样实现的：为了同时提升管材周向和轴向强度，而又不增加其壁厚和添加其他任何增强剂，则须在管材挤出成型过程中形成沿管材周向和轴向取向结晶的大分子、串晶及串晶互锁等聚合物的高性能凝聚态结构，其特点是在挤出成型过程中对成型的管材施加周向剪切和轴向拉伸的双向复合应力场，使聚合物大分子及大分子链等微观结构在此周向剪切轴向拉伸双向复合应力场的影响驱动下而形成沿管材周向和轴向取向结晶的大分子、串晶及串晶互锁等聚合物的高性能凝聚态结构，其工艺步骤为：
——原材料的除湿烘料
——原材料加入挤出机塑化
——熔融塑料经挤出机挤出
——塑料管材在双向复合应力场挤管模内的周向和轴向自增强成型
——冷却定型
——切割收取
本发明管材双向增强的机理是这样实现的：让塑料材料在挤出成型塑料管材的过程中通过一个剪切拉伸双向复合应力场，该复合应力场由一个特制的挤管装置产生并控制调节。在塑料管材的挤出成型过程中，熔融塑料依次通过该装置的剪切应力场和拉伸应力场，当熔体流经周向剪切应力场时，由于剪切旋转套筒的剪切诱导作用而产生线性晶核——原纤，线性晶核在剪切诱导的继续作用下不断生长、取向、有序排列而完成初次取向结晶过程，并形成初次取向结晶的串晶互锁结构。当这些初次取向结晶的串晶互锁结构及聚合物的大分子与大分子链随后流经拉伸应力场时，初次取向结晶的串晶互锁结构及聚合物的大分子与大分子链又顺着拉伸应力场取向结晶，部分未初次取向结晶的聚合物大分子及大分子链就形成了与拉伸应力场方向(即管材的轴向方向)一致的初次取向结晶的串晶互锁结构，而已经初次取向结晶的串晶互锁结构及聚合物的大分子与大分子链在拉伸应力场的作用下虽然也向着拉伸应力场方向(管材的轴向方向)取向排列并深度结晶，但是当它们从管材周向方向逐渐向管材轴向方向倾斜靠近时，由于这些取向结晶结构地活动性还不足够强，使得熔体已经流过了拉伸应力场时而这些结构大部分还远没到达管材的轴向方向，因而形成了既不沿着管材的轴向也不沿着管材的周向的倾斜排列结构，并且这些结构在位置变换的过程中由于拉伸外场的作用进而进行着深度的取向结晶而形成二次取向结晶结构。当这些结构在聚合物管材中保留下来就获得了二次取向结晶串晶互锁结构。它们与被保留下来的仍然沿着管材轴向或周向的取向结晶结构一起共同促使管材的轴向和周向性能获得增强改善。这就是本发明中聚合物管材能够获得轴向和周向双向自增强的机理。
本发明将聚合物大分子的取向结晶结构增强产品性能的原理应用于塑料管材的生产制造行业，利用本发明方法生产的塑料管材，管材的强度和模量都同时获得了轴向和周向上的双向增强，消除了熔接痕缺陷，且管材周向上的强度与模量都可超过或接近其轴向上的强度与模量，更优化地配置了材料的性能，更好地满足了受内压管材对材料性能的现实需求。经增强以后，管材在轴向和周向上的取向程度也比常规管材的高，且增强管材的晶片厚度更厚，结晶度更高，因而耐热性也较常规管材有明显的改善。本发明生产效率高，设备投资少，原料成本低，生产费用低廉而制品性能优良，能满足工业化生产条件，具有较好的工业化前景与经济效益。
附图说明：
图1为本发明的塑料管材挤出工艺流程图
图2为本发明双向复合应力场挤管原理示意图
图3为本发明双向自增强管材内部的微观分子结构模型示意图
图中：1.剪切旋转套筒，2.芯棒剪切应力场段，3.熔融塑料，4.测温孔，5.温度控制调节装置，6.芯棒拉伸应力场段，7.芯棒口模成型段，8.塑料管材，9.口模，10.二次取向结晶串晶互锁结构，11.取向串晶互锁结构，12.锥形折叠链片状晶体，13.伸展链晶体。
具体实施例：
当熔体流经芯棒周向剪切应力场段2时，由于剪切旋转套筒1的剪切诱导作用而使熔融塑料3产生线性晶核——原纤，线性晶核在剪切旋转套筒1剪切诱导的继续作用下不断生长、取向、有序排列而完成初次取向结晶过程，并形成初次取向结晶的串晶互锁结构11。当这些初次取向结晶的串晶互锁结构11及聚合物的大分子与大分子链随后流经芯棒拉伸应力场段6时，初次取向结晶的串晶互锁结构11及聚合物的大分子与大分子链又顺着拉伸应力场取向结晶，部分未初次取向结晶的聚合物大分子及大分子链就形成了与拉伸应力场方向(即管材的轴向方向)一致的初次取向结晶的串晶互锁结构11，而已经初次取向结晶的串晶互锁结构11及聚合物的大分子与大分子链在拉伸应力场的作用下虽然也沿着拉伸应力场方向(管材的轴向方向)取向排列并深度结晶，但是当它们从管材周向方向逐渐向管材轴向方向倾斜靠近时，由于这些取向结晶结构的活动性还不足够强，使得熔体已经流过了拉伸应力场时而这些结构大部分还远没到达管材的轴向方向，因而形成了既不沿着管材的轴向也不沿着管材的周向的倾斜排列的结构，并且这些结构在位置变换的过程中由于拉伸外场的作用进而进行着深度的取向结晶而形成二次取向结晶串晶互锁结构10。它们与被保留下来的仍然沿着管材轴向或周向取向的结晶结构11一起共同促使管材的轴向和周向性能获得增强改善。