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大直径塑料管道成型工艺的研究进展
点击:176 日期:2017-8-14 15:33:29

摘要: 目前,大直径塑料管道的成型方法主要是挤出成型和缠绕成型,国内外的学者也发明了注塑-挤出成型和组装成型等方法。然而,利用这些成型方法成型大直径管道均存在一定的局限性。针对这些成型方法的局限性,本文提出了一种基于增材制造技术与传统挤出成型工艺的大直径塑料管道成型新工艺,即聚合物熔体喷射堆砌成型,并对该工艺进行了简单的介绍。
        随着经济和社会的发展,各种运输领域对管道输送能力的要求越来越高,大直径管道的应用领域逐渐扩大,广泛应用于埋地排水管、雨水利用工程、燃气输送、输水工程、引水工程、排海管道、农业灌溉管道等。大直径管道相比于普通管道,其运输量、连续性等优点更为明显,这也使得其在管道运输业中占据主导地位。研发生产强度高、质量轻、耐磨性好、耐冲击、耐腐蚀的大直径塑料管材依然是未来塑料行业和管道运输业的主要发展方向之一[1-2]。
        目前,大直径管道的生产主要是采用挤出成型和缠绕熔接成型的方法。此外,国内外一些研究人员也发明了其他一些成型大直径塑料管道的方法,例如注塑-挤出成型和分部制造再组装成型。然而,利用这些成型方法成型大直径管道均具有一定的局限性,例如工艺复杂、成型更大直径困难、设备投资成本高、模具加工困难及成本高等。
        近年来,增材制造技术在原理上也可用于大直径管道的成型。因此,本文提出了一种基于增材制造技术与传统挤出成型方法的大直径塑料管道新型成型工艺,即聚合物熔体喷射堆砌成型。
1 挤出成型
        管材的挤出成型模具的截面形状为圆环状,挤出成型管道时,一般塑料管道的周向强度小于轴向强度。
        挤出成型管材具有连续成型、生产量大、生产效率高、设备简单、成本低、操作方便、制品内部组织均匀紧密、制品尺寸稳定准确等优点。然而,采用挤出成型方法成型大直径管道也存在一定的不足之处。目前,采用挤出成型方法只能挤出最大直径2 000 mm的管道,成型更大直径塑料管道存在成型困难、耐压能力差、环刚度低、成本高以及成型的灵活性差等问题。其中,最主要的问题是管道的耐压能力、环刚度等力学性能差,国内外学者也分别从管道自增强、使用复合材料、改变管壁结构等方面去提高挤出成型管道的力学性能。
1.1 研究管道自增强,提高其周向强度
        2005年,四川大学申开智课题组[3]提出在剪切-拉伸复合力场自增强管材。该课题组自行设计制
造了双向复合应力场挤管装置,并在常规生产工艺条件下高效地生产出了径向和轴向性能同时得到增强的高密度聚乙烯(HDPE)管。HDPE管材分子在剪切拉伸双向复合应力场的作用下发生了取向,管材的强度和模量都同时获得了轴向和径向上的双向增强,从而使管材的力学性能获得了双向自增强。而且,管材的强度和模量在径向上的增强效果都比在轴向上好,使得管材径向上的强度和模量均超过了轴向上的强度与模量,满足了对管材承压性能的要求。此外,HDPE管材分子还发生了诱导结晶,这也促进了管材性能的双向自增强。
        2009年华南理工大学陈开源等[4]利用电磁动态塑化挤出机同时附加螺旋芯棒式管材机头实现管材自增强。在振动力场的作用下,聚丙烯(PP)管材分子的结晶度得到了提高,分子链的取向以及晶体的形态得到了改善,从而使得PP管材的周向强度和轴向拉伸屈服强度都得到了提高,实现了管材的双向自增强。振动力场对PP管材的力学性能产生了重要的影响,使管材的爆破压力得到了明显的提高,同时,管材的轴向拉伸屈服强度也得到了明显提高,从而获得双向自增强的管材。2009年北京化工大学董维煜等[5]利用布管扩胀法生产出聚氯乙烯(PVC)双向拉伸自增强管材。他们先将布管套在充气杆上并加以固定,然后再将被扩管套在布管上;将被扩管加热到一定温度软化后,通过充气杆向布管内通入一定压力的压缩空气或水等流体,使布管向外完全胀开,从而使得套在布管上的被扩管受到内压而被扩胀;冷却后即可得到已经拉伸取向的管材。实验证明,双向扩胀的PVC管材的力学性能比扩胀前有较大的提高,其环向拉伸强度最高增幅已达到32%。
        2013年龙鳞丰[6]发明了一种双轴取向PVC及聚烯烃材料管材的制造设备及其生产工艺和方法,使管材的分子从无序排列转变为有序排列,分子取向发生变化,极大地提高了管材的强度和韧度。其中,管材的径向取向是通过压缩机向管材的内部吹气产生径向扩张来实现,轴向取向是通过牵引机的轴向拉伸来实现。2015年杨向荣等[7]发明了一种双轴取向硬质PVC管材的生产装置。在成型过程中,PVC塑料熔体从塑料熔体入口进入模头形成管坯,接着进入第一圆环状空腔进行第一次径向拉伸,然后在牵引机的作用下从第二圆环状空腔进入冷却定型装置进行冷却定型,管坯在牵引机的牵引力作用下产生了轴向拉伸,而且在第二圆环状空腔中进行了第二次径向拉伸,使管材经过两次径向拉伸和一次轴向拉伸,达到双轴取向的效果。
1.2 使用复合材料,提高管道力学性能
        1959年Howell G M等[8]发明了一种制备三层管道的工艺方法,该管道由双层管道和中间增强材料夹层构成,管道的力学性能整体上得到提高。2000年甘国工[9]发明了一种制造钢骨架增强复合塑料管材的方法和装置,即先用焊机对作轴向平动的多根轴向钢筋和绕轴向钢筋作旋转运动的周向钢筋进行连续焊接形成网状筒形钢筋骨架,然后将其与塑料熔体一起送入成型型腔中成型为具有钢骨架的复合塑料管材。2007年陈月林[10]利用拉挤-缠绕-注射复合成型工艺制造了一种玻璃纤维增强塑料管道,该管道由内、外结构层和中间填料层组成。其中,内结构层与外结构层均为玻璃纤维缠绕层,中间填料层是通过注射法注入填料与不饱和聚酯树脂固化而成。
        2008年Zheng J Y等[11]发明了钢丝缠绕增强塑料复合管,通过在HDPE内外层管道中间嵌入由钢丝错绕成型的钢丝网骨架,即中间增强材料夹层,制成力学性能增强的塑料复合管材。2008年申长雨等[12]发明了一种长玻纤维增强塑料管材挤出机头,该机头由混合分布装置和芯棒转动装置组成,其中混合分布装置能够将玻璃纤维与塑料熔体均匀混合成为纤塑混合熔体,而芯棒转动装置能够使纤塑混合熔体由沿芯棒轴线流动变成绕芯棒螺旋方向流动,使挤出的塑料管材分子和长玻璃纤维沿轴线的螺旋方向取向,从而使管材的轴向强度得到了极大的提高。2009年王德禧等[13]发明了一种重量较轻、耐压性能得到大幅提高的增强热塑性塑料管。该管包括内层、外层和中间增强层,内、外层管是HDPE材料,增强层是由至少两层经过离子体处理过的玄武纤维缠绕而成,而且相邻两层之间还设置有增强层,管道的耐压性能大大提高,可以承受800 Pa的压力。
1.3 改变管壁结构,增强管道力学性能
        2004年Starita Joseph M[14]发明了波纹管挤出模具,包括内壁、外壁、上模和下模。其中,上模和下模相互配合,塑料熔体经过内壁和外壁的形成双层双壁的波纹管道。2009年Wilhelm Hegler[15]发明了双壁波纹管挤出成型装置,可成型内壁光滑、外壁为波纹状的塑料管道,该管道具有两层内壁。利用该挤出装置成型的结构壁管材具有较高的环刚度,且材料成本低。2013年张建均等[16]发明了一种用于成型三壁波纹管材的挤出成型装置,在双壁波纹管的基础上再挤出成型管坯,如图1所示,双壁波纹管从成型装置的中间通过,物料塑化挤出成型成为环绕双壁波纹管外周的管坯,使管坯包覆于双壁波纹管外周并与双壁波纹管黏合。

                                    
2 缠绕成型
        管道缠绕成型工艺是将预先挤出的具有一定截面形状的塑料条通过缠绕装置按照一定规律(如相互搭接)缠绕到芯模上,在各塑料条之间加热喷涂黏结剂(或者将塑料条加热到熔融态直接缠绕到芯模上)并压实,使各样条熔接在一起,最后经固化、脱模,获得管材制品。缠绕成型管具有耐腐蚀、抗老化、耐热、抗冻、耐磨、质量轻、电热绝缘性好、摩擦阻力小、输送能力高等优点,但也存在成型过程复杂、节能效果差、整体强度可靠性差、环刚度不高、成本高、内壁不光滑、压力损失大、易发生泄漏、生产率不高等问题。为了改善缠绕成型管材各方面的性能,解决其存在的问题,国内外的专家学者对管材的缠绕成型工艺及设备进行了不懈的研究,并获得了一定的成果。
        1997年Gunnar Blomqvist[17]发明了一种缠绕熔接成型管道的工艺,只使用一台挤出机,先挤出矩形截面的塑料条,然后通过施加压力把挤出的塑料条缠绕并焊合在一起,这样就能减少焊缝处泄漏的可能性。2002年Jerry C Levingston[18]发明了一种缠绕熔接成型大直径塑料管道的工艺,先挤出矩形截面管道,冷却后,在管道内填充圆珠状的填充物,然后将管道加热并螺旋缠绕熔接到放置好的芯轴上,最后去除掉芯轴,成型大直径管道。所成型管道的力学性能比实壁管材要高,特别是环刚度,但管道内部缠绕熔接痕迹较多,不光滑,不适合用作承压管。2004年德国克拉公司较早研制成功玻璃纤维缠绕管,最大外径达4 m,其成型工艺是将玻璃纤维丝浸渍树脂后在光电热一体的高速聚合装置内固化,经牵引拉挤成型。此外,克拉公司还生产了克拉管[19],以HDPE树脂为主要原材料,采用热态缠绕成型工艺,以PP单壁波纹管为支撑结构制成具有较高抗外压能力的特殊结构壁管材。利用该工艺成型的克拉管环刚度得到很大提高,但存在熔接痕,而且成型过程不连续且复杂,生产效率比较低。
        2006年何轶良[20]发明了一种钢带增强塑料条缠绕熔融成型复合管及其制造方法,将钢带与塑料复合形成的具有钢带加强筋的异型带材进行缠绕和熔焊形成钢带增强塑料复合管,可制造直径大于1500 mm、环刚度大于8 kN/m2的大直径、高环刚度钢带增强塑料复合管材。2009年陈涛[21]发明了一种大直径缠绕管,用矩形截面管坯螺旋缠绕同时利用黏接剂黏结而成,管坯的截面具有合适的长宽比例,通过增加截面的惯性矩,使得管坯耐压性能提高,从而增加了最终管材的环刚度。
        2011年郑能欢[22]发明了一种增强热塑复合结构壁管缠绕管材,该管材由具有加强筋的增强热塑性结构壁管带材缠绕而成,具有光滑平整的内壁和有间距螺旋环绕的增强热塑复合加强结构的外壁,管材的环刚度较其他管材得到了极大的提高。2013年陈毅明等[23]发明了一种大直径增强复合型聚乙烯缠绕结构壁管材及其制备工艺,包括管材壁和加强管,管材壁由底带层缠绕形成,加强管则缠绕在管材壁上形成增强复合型结构壁管材。其中,加强管是由内到外分别为支撑层、第一包覆层和第二包覆层的多层结构,加强管的结构及其螺旋缠绕方式使得管材的环刚度得到了极大的提高。
        2014年刘伟[24]发明了一种大直径双面聚乙烯增强缠绕管,该管材结构由内到外依次为内层管、纤维层、增强层、纤维层和外层管,其中增强层又是三层结构,即内、外层和中间保温层,增强层内、外两层为钢丝缠绕而成的钢丝网,管材中任意两层结构之间均采用黏合剂黏结固定。从管材结构可知,该管材具有强度好、环刚度高、耐冲击性能好、保温隔热性能好等优点。2015年孙土强等[25]发明了一种HDPE大直径中空壁缠绕管材,如图2(a)所示,该管材由如图2(b)所示带材螺旋缠绕黏结而成,图中加强筋B的结构为实心的倒圆角等腰梯形,使管材在运输过程中外壁不与地面接触,提高管材耐磨性能,同时加强筋B的结构也提升了管材的环刚度和环柔度。此外,加强筋A与内层、外层的垂直连接方式也使管材的环刚度得到了进一步的提高。

                                         
        2015年陈仪清和李莉[26]发明了一种PVC大直径缠绕管,管材由至少两块PVC型材螺旋缠绕而成,每两块型材之间设置有环刚度增强墩,环刚度增强墩的截面形状采用多边形或圆形,而且相邻环刚度增强墩之间具有一定的间隙。其中,环刚度增强墩主要起桥墩和楔紧的作用,使相邻型材在缠绕前通过环刚度增强墩相互支撑,而在缠绕后通过环刚度增强墩相互楔紧,有效提高管材的环刚度。
3 其他成型方法研究
3.1 注塑-挤出成型管道
        谢志树[27]发明了一种注塑-挤出成型塑料双壁波纹管及其制造方法,通过注塑直接成型钢管增强的塑料双壁波纹管。该波纹管的外壁为波纹状凸起的管壁,内部包裹有环形中空钢管的内管,其直径可达3 000 mm甚至更大,具有环刚度高、管径大、成品率高、生产效率高、内壁光滑、不易泄漏、利用法兰连接等优点。缺点是:(1)工艺过程比较复杂,需要先挤出塑料熔体进入模具,然后利用注射机锁模保压;(2)工艺过程不连续,注塑成型一段管道后,需打开模具取出,停止注塑,然后再合模注塑;(3)设备投资比较大,需要使用注射机和挤出机;(4)受模具尺寸限制,管道的长度受限。
3.2 组装成型管道
        Nikos Leontaridis等[28]发明了一种分段制造再组装成型大直径塑料管道的方法,如图3所示,先成型四分之一圆周的双壁波纹管道组件,然后通过焊接或黏胶等方式将各组件逐步组装连接为一个圆形管道。

                              
        李文贤等[29]发明了单元型材组装成大直径的组装式塑料管材,如图4所示。其中,单元型材在模具中热成型时就具有要求的曲率,使装配好的管材不再承受弯曲应力,管材不受口径和壁厚的限制,尤其适合大直径管材的生产,管材最大直径可达3000 mm。单元型材之间通过焊接、黏结等方式组装在一起,方便运输。这种方法的缺点在于:(1)制造工艺复杂;(2)管道强度受影响;(3)流体流动阻力大,且易泄漏,一般用于非承压管道。

                                  
3.3 增材制造方法
        增材制造(Additive Manufacturing,简称AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(车、铣、刨、磨等切削加工)技术,是一种材料增加的制造方法[30-31]。相对于其他制造方式,增材制造具有高度柔性、复杂产品结构、制造过程快速、添加式和数字化驱动成型方式、技术高度集成等优势,但同时也存在成型材料有限、成型精度较低、成型精度与效率矛盾、成本较高等不足。
        增材制造原理与不同的材料结合可形成不同的工艺,增材制造技术的主要优势是可以成型形状和结构复杂的产品,原理上可以用于塑料管道的增材制造成型,尤其对于成型大直径塑料管道。
        目前,塑料管道逐渐往大直径方向发展,而管道口径的变大化则对传统成型方法提出了更高的要求。虽然很多学者对大直径管道进行了一些研究,也取得了一定的成果,但是依然不能从根本上解决采用挤出成型、缠绕成型等传统成型方法所带来的成型困难、耐压能力差、环刚度低、成本高以及成型灵活性差等问题。
        增材制造技术虽然在原理上可以实现大直径塑料管道的成型,但是由于该技术本身的局限性也使得它不能直接用于大直径塑料管道的成型。增材制造技术中的熔融沉积成型(Fused Deposition Manufacturing,简称FDM)工艺的工作原理是利用加热的喷嘴将塑料熔融并挤出,这点跟传统的挤出成型很类似。因此,可以结合传统的挤出成型工艺和FDM工艺,提出一种新型的大直径塑料管道成型工艺,即聚合物熔体喷射堆砌成型(Polymer MeltSpouted-AccumulatedForming)。
        聚合物熔体喷射堆砌成型是一种基于FDM工艺和挤出成型的增材制造技术,其原理示意图如图5所示。首先,具有一定温度的塑料熔体受到挤出机的压力作用后,从预先埋入上一层未完全凝固熔体中的预埋式喷嘴喷射到压延辊、挡料板和上一层未完全凝固管坯所形成的局部空间内,经过压延辊的旋转挤压和牵引机的旋转作用螺旋堆积在上一层管坯上,使塑料熔体紧密熔合在一起,最终成型具有一定形状及尺寸精度、连续致密、能承受一定流体压力作用而不泄漏的大直径塑料管道。
                          

4 结语
        目前,大直径塑料管道成型方法主要是挤出成型和缠绕成型。其中,采用挤出成型方法只能挤出最大直径2 000 mm的管材,直接挤出成型更大直径塑料管道存在成型困难、耐压能力差、环刚度低、成本高以及成型的灵活性差等问题;缠绕成型管道存在成型过程复杂、节能效果差、整体强度可靠性差、成本高、内壁不光滑、压力损失大、易发生泄漏、生产率不高等问题。
        国内外一些学者发明了其他一些成型大直径塑料管道的方法,例如注塑-挤出成型和分部制造再组装成型。然而,这些成型方法成型的管道也仍存在一些问题。
        增材制造技术在原理上也可用于大直径管道的成型。本文提出了一种结合增材制造技术与传统挤出成型工艺的大直径塑料管道成型新工艺,即聚合物熔体喷射堆砌成型,该技术目前正在研究开发中。

 
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