PE 管材用雙軸取向拉伸裝置

張友新，馮金茂，周慶國，曹世雄，王迪

( 浙江偉星新型建材股份有限公司，浙江 臨海 317000)

0 引言

隨著塑料管材的需求量大幅提高，塑料管材的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬。各國對(duì)塑料管材的性能也提出了更高的要求，如節(jié)省材料，提高管材的各方面性能必將是塑料管材研究的一個(gè)重要方向。取向拉伸增強(qiáng)技術(shù)是近年發(fā)展的一種新的塑料管材生產(chǎn)技術(shù), 即在生產(chǎn)過程中將管材沿軸向和環(huán)向都進(jìn)行拉伸取向 , 從而使管材軸向和環(huán)向的力學(xué)性能均得以增強(qiáng)。目前, 能夠進(jìn)行取向的塑料制品都已采用取向拉伸技術(shù) , 如雙向拉伸薄膜 ，拉伸中空容器，吹塑薄膜等[1]，塑料管材的雙向拉伸技術(shù)，其采用的生產(chǎn)方式是擴(kuò)張法雙向拉伸 , 經(jīng)過不同的分段溫控處理, 使管材溫度達(dá)到擴(kuò)張溫度, 然后在牽引力的作用下通過一個(gè)與擠出機(jī)相連的擴(kuò)張裝置 , 使管坯擴(kuò)張而成型。但是，現(xiàn)有技術(shù)的取向拉伸裝置，對(duì)管胚的外冷卻靠室內(nèi)自然冷卻，由于PE 聚合物的導(dǎo)熱性能較差，在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)被帶走，不能有效控制對(duì)管胚的外表面進(jìn)行冷卻，冷卻效果不佳，不能保證管材整體擴(kuò)脹的均勻性，使得拉伸后的管材存在壁厚不均勻，嚴(yán)重影響了管材的使用強(qiáng)度。另外，取向拉伸裝置通常為一種規(guī)格，配備一個(gè)取向頭，并且取向裝置整體不能前后移動(dòng)，這就這給更換規(guī)格和取向拉伸在最佳的溫度下拉伸位置帶來了困難。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，改進(jìn)提供了一種PE 管材用取向拉伸裝置，對(duì)管胚冷卻設(shè)置了可移動(dòng)外冷卻風(fēng)環(huán)，在取向裝置的移動(dòng)方面，設(shè)有外螺紋套管，是取向裝置能夠在螺紋上旋轉(zhuǎn)進(jìn)行前后移動(dòng)，是取向裝置和冷卻裝置, 能夠比較精確地控制管胚的各工藝參數(shù), 縮短了拉伸溫度的控制時(shí)間，保證了對(duì)PE 管材的徑向和軸向的均勻拉伸，從而提高了管材強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)取向裝置，生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品。通過大量實(shí)驗(yàn)證明，開發(fā)雙軸取向拉伸PE管材作為一種新型先進(jìn)技術(shù), 在提高管材性能的同時(shí)，可節(jié)約材料, 具有非常好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[2]。同時(shí)，雙向拉伸在增強(qiáng)管材的強(qiáng)度、耐熱性、模量以及抗沖擊性等方面具有顯著提高, 使其具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

1 取向拉伸的成型工藝分析

在PE 管材擠出成型取向拉伸過程中，最好在結(jié)晶開始熔融、分子鏈能夠運(yùn)動(dòng)的溫度下進(jìn)行拉伸。在這外力的作用下 ，分子從無序排列到有序排列的過程分子鏈由于實(shí)現(xiàn)了有序排列, 材料由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋裕?即材料沿分子取向方向的強(qiáng)度大幅增加。因此，對(duì)于取向拉伸溫度的控制尤為重要，直接影響到管材的質(zhì)量，現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)PVC-O 管材的軸向拉伸是容易實(shí)現(xiàn)的。并且取向拉伸裝置通常為一個(gè)取向裝置，一種產(chǎn)品規(guī)格尺寸對(duì)應(yīng)一種取向裝置，更換產(chǎn)品規(guī)格，需要變換整體取向拉伸裝置，生產(chǎn)效率比較低，而且，微調(diào)取向裝置不能前后移動(dòng)，冷卻的最佳位置難以確定。對(duì)于PE 的取向拉伸時(shí)，由于PE 聚合物的導(dǎo)熱性能較差，在管胚拉伸時(shí)使之管胚內(nèi)徑貼緊溫度較低的擴(kuò)張頭時(shí)，會(huì)形成較大的溫度梯度，制品的表層會(huì)快速冷卻，產(chǎn)生較低的結(jié)晶度。同時(shí)，管胚的外徑冷卻為自然冷卻，冷卻較慢，結(jié)晶度較高，在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)被帶走，是內(nèi)外冷卻不能得到平衡，冷卻效果不佳。并且，現(xiàn)有的取向拉伸裝置在擴(kuò)脹頭和冷卻方面存在自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上缺陷，取向頭為圓錐體形狀，管胚與圓錐體接觸面積比較小，內(nèi)冷卻效果比較差，不能保證管材整體擴(kuò)脹的均勻性，使得拉伸后的管材存在壁厚不均勻，嚴(yán)重影響了管材的使用強(qiáng)度。

2 PE 管材用取向拉伸裝置

PE 管材用取向拉伸裝置的整體包括風(fēng)環(huán)、進(jìn)風(fēng)管連接口、依次連接在外螺紋套管上的錐體弧形擴(kuò)脹頭、支撐板、過渡冷卻套、螺紋堵頭，還包括依次連接的連接套管、外螺紋連接套管、內(nèi)螺紋連接套管、加長(zhǎng)外螺紋連接桿、堵頭、中心出風(fēng)管和進(jìn)風(fēng)堵頭，以及由外螺紋連接套管與中心出風(fēng)管構(gòu)成的進(jìn)風(fēng)通道和中心出風(fēng)管的中心出風(fēng)通道，以及依次與錐體弧形擴(kuò)脹頭連接不同管徑的變徑弧形擴(kuò)脹頭、變徑支撐板和變徑過渡冷卻套。該取向拉伸裝置，通過移動(dòng)風(fēng)環(huán)吹風(fēng)和調(diào)節(jié)風(fēng)量大小和對(duì)管胚進(jìn)行冷卻，以及通過外螺紋連接套管對(duì)取向拉伸裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管坯取向擴(kuò)張前、擴(kuò)張取向后溫度的有效控制，解決了快速對(duì)PE 管材取向拉伸溫度控制難的問題。在弧形擴(kuò)脹頭徑向設(shè)有多道出風(fēng)微孔，管胚拉伸時(shí)與弧形擴(kuò)脹頭接觸面積比較大，縮短了拉伸溫度的控制時(shí)間，保證了對(duì)PE 管材的徑向和軸向的均勻拉伸，從而提高了管材強(qiáng)度。

3 結(jié)合PE 管材用取向拉伸裝置附圖做進(jìn)一步的介紹

3.1 PE 管材用取向拉伸裝置的部件組成

如圖1，圖2 所示，PE 管材用取向拉伸裝置的部件組成有風(fēng)環(huán)1、進(jìn)風(fēng)管連接口2、錐體弧形擴(kuò)脹頭3、支撐板4、過渡冷卻套5、螺紋堵頭6、連接套管7、外螺紋連接套管8、出風(fēng)通孔9、內(nèi)螺紋連接套管10、出風(fēng)微孔11、 加長(zhǎng)外螺紋連接桿12、堵頭13、中心出風(fēng)管14、進(jìn)風(fēng)管堵頭15、進(jìn)風(fēng)通道16、出風(fēng)通道17、18 變徑弧形擴(kuò)脹頭、19 變徑支撐板、20 變徑過渡冷卻套。

圖1 PE 管材用取向拉伸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 為圖1 的基礎(chǔ)件上的變徑取向拉伸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 風(fēng)環(huán)

如圖1 所示件中的風(fēng)環(huán)，為移動(dòng)式冷卻風(fēng)環(huán)，風(fēng)環(huán)設(shè)有2～6 個(gè)進(jìn)風(fēng)管連接口，進(jìn)風(fēng)管連接口連接來源于進(jìn)風(fēng)軟管上，軟管在連接與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上，通過移動(dòng)式冷卻風(fēng)環(huán)的調(diào)節(jié)吹風(fēng)量的大小對(duì)管胚在取向拉伸時(shí)的溫度控制，是管胚的外表面冷卻在最佳的溫度位置節(jié)點(diǎn)上冷卻，實(shí)現(xiàn)了快速均勻冷卻。同時(shí)，應(yīng)注意風(fēng)環(huán)大小應(yīng)與管胚直徑相適應(yīng)，一般風(fēng)環(huán)內(nèi)徑為機(jī)頭直徑的1.5～2.5 倍[3]。

3.3 管胚的內(nèi)冷卻

如圖1 所示件中的進(jìn)風(fēng)通道的內(nèi)冷卻由來源鼓風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)，通過擠出機(jī)頭設(shè)有的內(nèi)進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)入錐體弧形擴(kuò)脹頭內(nèi)腔，穿過支撐板設(shè)有的進(jìn)風(fēng)孔到過渡冷卻套的內(nèi)腔進(jìn)行管胚冷卻、然后通過出風(fēng)通道設(shè)有的中心出風(fēng)管與連接機(jī)頭的出風(fēng)管將連續(xù)的熱風(fēng)排出。通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)量的大小，實(shí)現(xiàn)外冷卻和內(nèi)冷卻對(duì)管胚雙面冷卻的平衡。

3.4 取向拉伸裝置的移動(dòng)

如圖3 所示，外螺紋連接套管兩端設(shè)有外螺紋，其一端螺紋徑向設(shè)有相同間隔3～8 個(gè)出風(fēng)通孔，通過出風(fēng)通孔將冷卻風(fēng)進(jìn)入錐體弧形擴(kuò)脹頭和過渡冷卻套5 型腔里。為了使取向拉伸裝置可以前后的移動(dòng)，在螺紋連接套管的螺紋上連接著錐體弧形擴(kuò)脹頭、支撐板、過渡冷卻套構(gòu)成連接的一體式，沿著外螺紋連接套管上的螺紋，通過旋轉(zhuǎn)構(gòu)成連接的一體式取向拉伸裝置進(jìn)行前移或后退，是取向裝置能夠精確地控制管胚的各工藝參數(shù)。同時(shí)，外螺紋套管連接的加長(zhǎng)外螺紋連接桿，可以實(shí)現(xiàn)更換不同規(guī)格的管材，其將過渡冷卻套拆卸，依次連接變徑弧形擴(kuò)脹頭、支撐板、變徑過渡冷卻套，便實(shí)現(xiàn)了變徑后取向拉伸裝置的前后移動(dòng)。

圖3 外螺紋連接套管結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 錐體弧形擴(kuò)脹頭

如圖4 所示，錐體弧形擴(kuò)脹頭的圓弧上設(shè)有相同間隔2～6 并列圓弧槽，每列圓弧槽設(shè)有6～36 個(gè)出風(fēng)微孔，出風(fēng)微孔見圖5 放大示意圖，出風(fēng)微孔直徑小于圓弧槽。所述的錐體弧形擴(kuò)脹頭為圓弧形，在管胚拉伸時(shí)與弧形擴(kuò)脹頭接觸面積比較大，冷卻效果比較好，同時(shí)，多道出風(fēng)微孔的設(shè)計(jì)起到對(duì)管胚進(jìn)一步的冷卻，并且在管胚與取向拉伸裝置的外徑之間形成了一層冷卻風(fēng)膜，縮短了拉伸溫度時(shí)間，保證了對(duì)PE管材的徑向和軸向的均勻拉伸，從而提高了管材強(qiáng)度。

圖4 體弧形擴(kuò)脹頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 為圖4 的出風(fēng)微孔放大示意圖

3.6 變徑弧形擴(kuò)脹頭

如圖6 所示，變徑弧形擴(kuò)脹頭的兩端設(shè)有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋的一端連接著錐體弧形擴(kuò)脹頭，另一端連接著變徑支撐板和變徑過渡冷卻套，變徑過渡冷卻套的一端平面上均布設(shè)有2～4 個(gè)的螺紋堵頭。所述的變徑弧形擴(kuò)脹頭的圓弧上設(shè)有間隔相同2～6 個(gè)圓弧槽，每個(gè)圓弧槽內(nèi)設(shè)有6～38 個(gè)出風(fēng)微孔，出風(fēng)微孔的直徑小于圓弧槽。多道出風(fēng)微孔起到對(duì)管胚進(jìn)一步的冷卻，縮短了拉伸溫度時(shí)間。在更換不同管材規(guī)格時(shí)，將連接在過渡冷卻套拆卸，依次連接變徑弧形擴(kuò)脹頭，變徑支撐板和變徑過渡冷卻套，從而實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的變徑取向拉伸PE 管材。

圖6 變徑弧形擴(kuò)脹頭的結(jié)構(gòu)示意圖

4 取向拉伸裝置的實(shí)施過程及原理

PE 管材用取向拉伸裝置的實(shí)施過程及原理，如圖1，圖2 所示。實(shí)施時(shí)，物料從機(jī)頭口模擠出管胚，管胚經(jīng)過取向拉伸裝置的內(nèi)部進(jìn)風(fēng)通道和外部風(fēng)環(huán)的吹風(fēng)對(duì)管坯外表面冷卻，是管胚的內(nèi)、外溫控得到冷卻平衡，并通過外螺紋連接套管兩端設(shè)有的內(nèi)螺紋，一端連接套管，另一端帶有出風(fēng)通孔連接著內(nèi)螺紋連接套管，內(nèi)螺紋連接套管連接外螺紋連接套管和加長(zhǎng)外螺紋連接桿。加長(zhǎng)外螺紋連接桿另一端連接著內(nèi)螺紋堵頭和進(jìn)風(fēng)管堵頭，進(jìn)風(fēng)通道通過外螺紋連接套管的出風(fēng)通孔將風(fēng)充滿型腔，充滿型腔后的冷卻風(fēng)通過中心出風(fēng)管的中心設(shè)有通孔，從出風(fēng)通道與連接設(shè)置來源的機(jī)頭出風(fēng)口排出。出風(fēng)通道其一端設(shè)有卡槽，卡槽在螺紋堵頭和加長(zhǎng)外螺紋連接桿之間匹配連接構(gòu)成進(jìn)風(fēng)通道和出風(fēng)通道。在更換不同管材規(guī)格時(shí)，將過渡冷卻套拆卸，依次連接變徑弧形擴(kuò)脹頭，變徑支撐板和變徑過渡冷卻套，從而實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的變徑取向拉伸PE 管材。為了制得理想的高質(zhì)量的取向拉伸管材，在拉伸取向過程中，溫度、拉伸比、拉伸速度等工藝參數(shù)的控制非常重要。在控制對(duì)于管胚的取向拉伸通常在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg至熔融溫度Tm之間進(jìn)行，在給定的拉伸比和拉伸速度下，適當(dāng)降低拉伸溫度，分子伸展形變會(huì)增大，黏性會(huì)減小，有助于提高取向度，但溫度過低會(huì)降低分子鏈段的活動(dòng)能力，不利于取向，而過的高溫度容易拉斷。另外，取向拉伸之后的管材應(yīng)迅速降溫，以保持高分子鏈的定向程度。

5 結(jié)束語

（1）通過風(fēng)環(huán)的吹風(fēng)和調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，是管胚的外表面冷卻能控制的在最佳的溫度位置節(jié)點(diǎn)上冷卻，縮短了冷卻時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速冷卻，內(nèi)冷卻由來源鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)取向裝置冷卻，實(shí)現(xiàn)了管胚的雙面均勻冷卻。

（2）外螺紋套連接套管和加長(zhǎng)外螺紋連接桿，使取向拉伸裝置實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，使外冷卻和內(nèi)冷卻對(duì)管坯取向擴(kuò)張前、擴(kuò)張取向后溫度能夠有效控制，解決了快速對(duì)PE 管材取向拉伸溫度控制難的問題。

（3）取向拉伸裝置的弧形擴(kuò)脹頭的設(shè)計(jì)，是管胚拉伸時(shí)與弧形擴(kuò)脹頭接觸面積比較大，提高了冷卻效果，多道出風(fēng)微孔的設(shè)計(jì)是管胚得到了進(jìn)一步冷卻，縮短了拉伸溫度時(shí)間，保證了對(duì)PE 管材的徑向和軸向的均勻拉伸，從而提高了管材強(qiáng)度。

（4）不同規(guī)格的更換，以錐體弧形擴(kuò)脹頭為基礎(chǔ)連接件，將過渡冷卻套拆卸，安裝上變徑弧形擴(kuò)脹頭、變徑支撐板和變徑過渡冷卻套，變實(shí)現(xiàn)了變徑取向拉伸PE 管材。