本發(fā)明屬于高分子材料加工裝置技術領域，涉及一種管材擠出成型模具中的特種多層復合管擠出模具，特別涉及一種用于制備中間層纖維沿周向取向的三層塑料復合管的擠管機頭。該擠管機頭的特點是能使擠出的三層復合管中內(nèi)層和外層為純塑料，中間層為纖維增強塑料，且中間層的增強纖維能沿周向分布取向。使用該機頭能在原材料不變情況下，提高擠出管材的承壓強度和使用壽命，或在維持強度和壽命不變的前提下，使管材的壁厚減薄，節(jié)約原材料。

背景技術：

現(xiàn)有的單層玻纖增強管材容易出現(xiàn)玻纖外露、表面發(fā)毛的現(xiàn)象，不僅導致表面質(zhì)量差，還會給流體輸送帶來較大的阻力。為了解決單層玻纖增強管材存在的問題，建設部發(fā)布的中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準：纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯復合管(cj/t258-2007)，定義了一種內(nèi)層與外層為無規(guī)共聚聚丙烯(pp-r)材料，中間層為玻璃纖維增強pp-r復合材料的三層共擠出結(jié)構的復合材料管材。因該管材的纖維增強塑料中間層的內(nèi)外表面都被純料層覆蓋，故可避免出現(xiàn)管材內(nèi)外表面玻璃纖維外露，表面發(fā)毛不光的現(xiàn)象。但是在這種管材中間層的玻纖增強效果較差，達不到明顯提高管材承壓強度的目的。究其原因是因為在擠出成型過程中增強的玻璃纖維和高分子鏈是順著擠出流動方向即管材的軸向取向，只是使管壁的軸向強度提高了，而管壁的周向強度卻未得到明顯提高。而根據(jù)受內(nèi)壓薄壁管材的受力分析表明，管壁的周向應力大約為軸向應力的兩倍，即管壁強度最差的方向恰好是受力最大的方向。因而現(xiàn)有的玻璃纖維增強pp-r復合材料的三層共擠出結(jié)構復合管材在實際使用中纖維的增強作用不能充分地發(fā)揮出來。

作為目前報道的能夠制備上述三層塑料管材的共擠機頭設計(張友新，《模具工業(yè)》1996，no.10.總188)中介紹了一種通過兩臺擠出機共擠三層塑料管材機頭的模具設計，該機頭考慮了直通式和直角式擠管機頭的優(yōu)缺點，進行了優(yōu)化組合，其主要零部件包括人字流道連接器、分流套、隔層分流套、帶阻尼分流器支架和芯棒。該機頭可將通過兩臺擠出機塑化擠出后的同一種或不同種類的樹脂，輸送到該機頭各自分配的流道中，通過流道沿圓周均勻分布后在機頭內(nèi)口模前方同時復合獲得三層塑料管。但該擠出機頭由于設計結(jié)構所限，當用于擠出制備上述纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管時，因其不可能改變中間層增強纖維及聚合物大分子鏈的流動方向，故只能制備沿擠出流動方向即軸向取向的管材。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，提供一種用于制備中間層纖維沿周向取向的三層塑料復合管的擠管機頭，該機頭不僅能使三層塑料復合管的中間含纖維增強層中的纖維和聚合物大分子鏈能夠沿周向取向，還能使內(nèi)層塑料的部分大分子鏈也沿周向取向，以明顯提高管材耐壓性能。

本發(fā)明提供的一種用于制備中間層纖維沿周向取向的三層塑料復合管的擠管機頭，其特征在于該擠管機頭包括機頭頸、芯棒支架、分料圈、后機頭體、前機頭體、口模、壓塊、芯棒、旋轉(zhuǎn)套、傳動機構和電機，機頭頸、芯棒支架、分料圈、后機頭體、前機頭體、口模和壓塊依次由連接件水平連接為一體；芯棒一端與芯棒支架相連支撐并懸臂位于依次連接的分料圈、后機頭體、前機頭體和口模形成的空腔內(nèi)；旋轉(zhuǎn)套由軸承活動固定位于后機頭體、前機頭體連接段的腔體內(nèi)，并保持一定間隙同軸位于芯棒外；傳動機構由鏈輪和鏈條構成，鏈輪有兩個，一個固連在擠管機頭的旋轉(zhuǎn)套外，另一個固連于電機的輸出軸上，鏈條穿過與機頭體ⅰ相連處的機頭體ⅱ一側(cè)開的孔槽與兩鏈輪相連。

以上擠管機頭中所述旋轉(zhuǎn)套的內(nèi)壁可以設置凸起的筋，也可以不設置凸起的筋，但優(yōu)選設置有至少2根凸起的筋，且其是沿旋轉(zhuǎn)套周向均勻分布，以增加旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)時施加于塑料熔體的周向剪切效果。這些凸起的筋的長度可與旋轉(zhuǎn)套等長，也可以略短，如略短，則凸起的筋偏向旋轉(zhuǎn)套進口端。

以上擠管機頭中所述的電機為調(diào)速電機，該電機的轉(zhuǎn)速可在0～150轉(zhuǎn)/分之間進行無級調(diào)節(jié)，用以改變管材增強纖維和大分子的取向方向和取向度。

以上擠管機頭中還包括引料接頭，引料接頭有兩個，一個連接于分料圈的進料口上，另一個連接在機頭體ⅱ一側(cè)的進料口上。

該擠出機頭使用時，熔融的塑料純料一部分通過與分料圈相連的引料接頭，經(jīng)分料圈的環(huán)形流道進入芯棒外表面并均勻分布作為擠出管材的內(nèi)層熔體，同時熔融的玻纖增強料進入機頭頸后被芯棒支架的分流錐分流，依次通過芯棒支架、分料圈以及后機頭體中設置的環(huán)形流道包覆在內(nèi)層塑料純料的熔體外，當兩層熔體流經(jīng)由電機、傳動機構帶動旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)套時，就會在旋轉(zhuǎn)套與芯棒之間的環(huán)形流道中受到周向剪切，該周向剪切力不僅使緊靠旋轉(zhuǎn)套的那層熔體中的增強纖維和部分大分子鏈改變了在流動場中形成的軸向取向而成為周向取向，且也使得內(nèi)層塑料純料熔體內(nèi)的部分大分子鏈也改變了在流動場中形成的軸向取向而成為周向取向，并在壓力下逐漸復合成為雙層管坯；雙層管坯在擠出壓力的推動下運行至機頭體ⅱ的后半段時，由前機頭體一側(cè)的引料接頭進入的熔融塑料純料在螺旋分配器的螺旋槽中流動時沿軸向漸次溢出在圓周上均勻分布，并包覆在已取向的管坯上形成外層管坯，并在壓力下，與已取向管坯復合形成三層管坯，再經(jīng)口模調(diào)節(jié)管壁厚度后擠出。擠出的管坯在管材牽引機的強力牽引下，依次通過真空定徑冷卻水槽冷卻定形，經(jīng)管材切割機切成一定長度的成品管材。

從而本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下積極效果：

1、由于本發(fā)明提供的擠管機頭中設置了轉(zhuǎn)速可調(diào)的旋轉(zhuǎn)套，該旋轉(zhuǎn)套與機頭芯棒同軸，當纖維增強的中層與純料內(nèi)層復合的管坯進入芯棒與旋轉(zhuǎn)套之間時，受到沿圓周方向的強烈剪切，因而改變了擠出管材中增強纖維和部分大分子鏈原有的軸向取向，隨著轉(zhuǎn)速提高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠貓A周方向取向，使所獲管材承受內(nèi)壓時受力最大的周向強度得到明顯提高。

2、由于本發(fā)明在擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套內(nèi)壁上還設置了沿旋轉(zhuǎn)套軸向均勻分布的凸起的筋，因而可進一步增強旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)時施加于纖維和塑料熔體的周向剪切效果，保證所獲管材的周向強度得到更大的提高。

3、由于本發(fā)明提供的擠管機頭的設計是采用了三層熔料逐步復合的方式，即先在后機頭體的第一段中使中層纖維增強塑料熔體與內(nèi)層純塑料熔體復合形成雙層管坯，然后在第二段完成纖維和部分大分子取向成為雙層取向管坯，在第三段完成外層純塑料熔體與已取向管坯復合形成最終的三層管坯，加之復合過程是在機頭內(nèi)的高壓下進行的，因而保證了層與層間的粘結(jié)牢度。

4、由于本發(fā)明提供的擠管機頭能夠擠出加工纖維和塑料能沿周向取向的纖維增強復合材料的三層共擠出結(jié)構的管材，因而不僅彌補了現(xiàn)有三層沿軸向取向的復合管材存在的缺陷，而且也填補了目前尚未有可擠出加工能沿周向取向的纖維增強三層共擠出結(jié)構管材的加工設備的空白。

5、由于本發(fā)明提供的擠管機頭中采用的電機為無極調(diào)速電機，可使旋轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)速在0～150轉(zhuǎn)/分之間調(diào)節(jié)，因而可加工制備不同周向取向度和取向方向的三層復合管材。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的擠管機頭的主視結(jié)構剖面示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套的主視結(jié)構剖面示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套的側(cè)視結(jié)構剖面示意圖。

圖中，1-機頭頸，2-芯棒支架，3-引料接頭，4-分料圈，5-后機頭體，6-軸承，7-旋轉(zhuǎn)套，8-鏈輪，9-螺釘，10-前機頭體，11-壓塊，12-螺釘，13-口模，14-調(diào)節(jié)螺釘，15-芯棒，16-引料接頭，17-銷釘，18-螺釘，19-鏈條，20-電機，21-凸起的筋。

圖4為本發(fā)明提供的擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分下擠出制備(即應用例2)的復合管材縱橫截面切片的偏光顯微鏡照片，其中左邊為周向方向的照片，右邊為軸向方向的照片。從照片中可以清楚的觀察到管材中間層玻纖是明顯沿周向取向的。

圖5為本發(fā)明提供的擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分下(即應用對比例1)擠出制備的普通復合管材橫截面切片的偏光顯微鏡照片，其中左邊為周向方向的照片，右邊為軸向方向的照片。從照片中可以明確觀察到管材的玻纖是沿軸向取向的情況。

圖6為本發(fā)明提供的擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分下擠出制備(即應用例2)的復合管材圓周方向的廣角x射線衍射照片。從照片中可以清楚的觀察到其debye環(huán)表現(xiàn)為弧線狀，說明在旋轉(zhuǎn)擠出管材中，ppr晶體及大分子鏈在圓周方向有明顯的取向。

圖7為本發(fā)明提供的擠管機頭中旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分下擠出制備(即應用對比例1)的復合管材圓周方向的廣角x射線衍射照片。從照片中可以清楚的觀察到一系列完整的debye環(huán)，說明在普通擠出管材中，ppr晶體及大分子鏈在圓周方向沒有取向。

具體實施方式

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明所提供的擠出裝置作進一步說明，但所給出的實施例不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領域的熟練技術人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容和設計思想所作出的非本質(zhì)的改進和調(diào)整也應屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

如圖1所示，本實施例給出的擠管機頭擠管機頭是由機頭頸1、芯棒支架2、分料圈4、后機頭體5、前機頭體10、口模13、壓塊11、芯棒15、旋轉(zhuǎn)套7、傳動機構和電機20構成。

其中機頭頸1、芯棒支架2、分料圈4、后機頭體5、前機頭體10、口模13和壓塊11依次由連接件即螺釘9、12、18和銷釘17水平連接為一體。芯棒15一端與芯棒支架2利用螺紋擰緊相連支撐并懸臂位于依次連接的分料圈4、后機頭體5、前機頭體10和口模13形成的空腔內(nèi)。旋轉(zhuǎn)套7由軸承6活動固定位于后機頭體5、前機頭體10連接段的腔體內(nèi)，并保持一定間隙同軸位于芯棒15外。為了增加旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)時施加于塑料熔體的周向剪切效果，本發(fā)明還在旋轉(zhuǎn)套7的內(nèi)壁上設置有至少2根凸起的筋21，本實施例為8根，這8根凸起的筋21是沿旋轉(zhuǎn)套7周向均勻分布，其長度可與旋轉(zhuǎn)套同長，也可以略短，本實施例為略短，故所有凸起的筋均偏向旋轉(zhuǎn)套進口端，見圖2、3。擠出管材的偏心由位于壓塊11外側(cè)的調(diào)節(jié)螺釘14通過調(diào)整口模13的周向位置來調(diào)節(jié)。擠管機頭中還包括兩個引料接頭3、6，一個引料接頭3連接于分料圈4的進料口上，另一個引料接頭6連接在機頭體ⅱ10一側(cè)的進料口上。傳動機構由鏈輪8和鏈條19構成，鏈輪8有兩個，一個固連在擠管機頭的旋轉(zhuǎn)套7外，另一個固連于電機20的輸出軸上，鏈條19穿過與機頭體ⅰ5相連處的機頭體ⅱ10一側(cè)開的孔槽與兩鏈輪8相連，本實施例的電機選用無級調(diào)速電機，該電機可在0～150轉(zhuǎn)/分之間進行無級調(diào)節(jié)。

實施例2

如圖1所示，本實施例給出的擠管機頭是由機頭頸1、芯棒支架2、分料圈4、后機頭體5、前機頭體10、口模13、壓塊11、芯棒15、旋轉(zhuǎn)套、7傳動機構和電機20。本實施例與實施例1的不同之處在于旋轉(zhuǎn)套的內(nèi)壁上設置的凸起的筋21為2根，其余因與實施例1完全相同，故略去不述。

應用例1

本應用實施例是采用本發(fā)明實施例1所提供的擠管機頭，在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分的條件下加工制備的是基于中間層為玻纖沿周向取向的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管，即內(nèi)層為純無規(guī)共聚聚丙烯層，中間層為玻璃纖維增強的無規(guī)共聚聚丙烯層，外層為純無規(guī)共聚聚丙烯層的三層復合管。該管的外徑為φ75mm，管壁總厚度為6.8mm，其中內(nèi)層純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2.3mm，中間層玻纖增強無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2.5mm，外層純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2mm。所得三層復合管經(jīng)測試周向強度35.4mpa，爆破壓力6.27mpa，相對于應用對比例1的管材分別提高了41.6％和62.4％。

應用例2

本應用例是采用本發(fā)明實施例1所提供的擠管機頭，在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分的條件下加工制備的基于中間層為玻纖沿周向取向的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管，其結(jié)構、外徑、管壁總厚度及各層厚度均與應用例1相同，故略去不述。所得三層復合管經(jīng)測試周向強度36.3mpa，爆破壓力6.73mpa，相對于應用對比例1的管材分別提高了45.2％和74.4％。

應用例3

本應用例是采用本發(fā)明實施例1所提供的擠管機頭，在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分的條件下加工制備的基于中間層為玻纖沿周向取向的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管，其結(jié)構、外徑、管壁總厚度及各層厚度均與應用例1相同，故略去不述。所得三層復合管經(jīng)測試周向強度39.44mpa，爆破壓力7.4mpa，相對于應用對比例1的管材分別提高了57.8％和91.7％。

應用例4

本應用實施例是采用本發(fā)明實施例1所提供的擠管機頭，在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分的條件下加工制備的基于中間層為玻纖沿周向取向的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管。與應用例1不同的是，本應用例復合管材的外徑為φ63，管壁總厚度為5.8mm，其中內(nèi)層純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2mm，中間層玻纖增強無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2.1mm，外層純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為1.7mm。所得三層復合管經(jīng)測試周向強度35.5mpa，爆破壓力6.96mpa，相對于應用對比例2的管材分別提高了46.6％和86.1％。

應用對比例1

本應用對比例也是采用本發(fā)明實施例1所提供的擠管機頭，但是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分的條件下加工制備的基于中間層為玻纖沿軸向取向的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管，該玻纖增強的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管的外徑、管壁總厚度及各層厚度均與應用例1相同，故略去不述。所得三層復合管的內(nèi)層與中間層的無規(guī)共聚聚丙烯大分子和增強玻璃纖維均未沿周向取向；經(jīng)測試周向強度25mpa，爆破壓力3.86mpa。

應用對比例2

本應用對比例也是采用本發(fā)明實施例1所提供的擠管機頭，但是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分的條件下加工制備的基于中間層為玻纖沿軸向取向的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管，該玻纖增強的無規(guī)共聚聚丙烯三層復合管的外徑、管壁總厚度及各層厚度均與應用例3相同，故略去不述。所得三層復合管的內(nèi)層與中間層的無規(guī)共聚聚丙烯大分子和增強玻璃纖維均未沿周向取向；經(jīng)測試周向強度24.3mpa，爆破壓力3.74mpa。