本發(fā)明屬于纖維增強多層塑料復合管技術領域，具體涉及一種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。

背景技術：

中華人民共和國建設部2007年發(fā)布的城鎮(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)”中，公布了一種內(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構的復合管材。該管材避免了現(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，具有良好的表面質(zhì)量和較低的流體輸送阻力，但是在這種管材中間層的玻纖增強效果差，達不到明顯提高管材承壓強度的目的。這是因為在擠出成型過程中增強的玻璃纖維和高分子鏈都是順著擠出流動方向即管材的軸向取向，故而使管壁的軸向強度明顯高于管壁的周向強度。但根據(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。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術中三層共擠出結構復合管材存在的不足，提供一種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。

本發(fā)明提供的一種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，該復合管是由三層無規(guī)共聚聚丙烯復合而成，內(nèi)外層為純無規(guī)共聚聚丙烯層，中間層為玻璃纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯層，其特征在于中間層的玻璃增強纖維與部分無規(guī)共聚聚丙烯大分子鏈沿管材周向取向?qū)?，?nèi)層為部分無規(guī)共聚聚丙烯大分子鏈沿管材周向取向?qū)印?/p>

以上復合管材是采用附圖2-4所示結構的擠管機頭擠出制備的。擠出制備的復合管的內(nèi)層純無規(guī)共聚聚丙烯料、中間層玻璃纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯料和外層純無規(guī)共聚聚丙烯料分別由三臺擠出機熔融擠出供料，并以一定流動速率分別進入附圖2所示結構的擠管機頭，并在機頭內(nèi)的高壓下通過逐層復合的方式使內(nèi)、中、外三層料形成復合管坯，該復合管坯擠出機頭后經(jīng)冷卻、定形、切割就可成為本發(fā)明所述的管材。由于進入該機頭中間層的玻璃纖維增強無規(guī)共聚聚丙烯料和內(nèi)層純無規(guī)共聚聚丙烯料在形成管坯并逐漸復合的過程中會通過由電機、鏈輪、鏈條帶動的旋轉(zhuǎn)套，當該旋轉(zhuǎn)套產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)剪切力場作用其上時，這兩層復合后的雙層管坯中的增強玻璃纖維和部分長鏈大分子就由原來的軸向取向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟蛉∠颍芟蛉∠蚨扔伤┘拥募羟辛龅拇笮?由旋轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)速決定)決定。

本發(fā)明與現(xiàn)有玻璃纖維增強的三層復合管材相比，具有以下優(yōu)點：

1、由于本發(fā)明提供的復合管材中的中間層為玻纖增強纖維和無規(guī)共聚聚丙烯大分子鏈均沿周向取向的，因而所得管材能在不改變材料品種和配比的情況下，使管材的承壓強度，無論是短期的爆破強度還是長期的耐應力開裂能力都能得到明顯的大幅度提高，使其周向和軸向強度之比更趨近需求值，最佳的周向和軸向強度之比為2:1。

2、由于本發(fā)明提供的復合管材中的內(nèi)層無規(guī)共聚聚丙烯大分子鏈也是沿周向取向的，因而可進一步提高所得管材的承壓強度，滿足多層復合管材的短期使用性能和長期使用性能要求。

3、由于本發(fā)明提供的復合管材可通過所給出的擠管機頭，采用現(xiàn)有的普通三層共擠復合管材的設備即能生產(chǎn)出，因而不僅不會增加過多的投資和能耗，且還能對管材的周向、軸向取向度之比進行方便調(diào)節(jié)，以獲得滿足不同需求的管材。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的帶有局部剖視的復合管材立體結構示意圖。

圖1中：1-pp-r純料內(nèi)層，在剪切力場中部分大分子沿周向取向；2-玻璃纖維增強pp-r復合料中間層，在剪切力場中增強玻璃纖維由軸向取向轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂芟蛉∠颍糠执蠓肿右惭刂芟蛉∠颍?-未進行取向的pp-r純料外層。

圖2為制備本發(fā)明復合管材的擠出裝置的主視結構剖面示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的擠出裝置中旋轉(zhuǎn)套的主視結構剖面示意圖。

圖4為本發(fā)明提供的擠出裝置中旋轉(zhuǎn)套的側視結構剖面示意圖。

圖2-圖4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5為本發(fā)明在旋轉(zhuǎn)剪切套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分下擠出制備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6為對比例1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7為本發(fā)明于旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分下擠出制備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8為對比例于旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分下擠出制備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

下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進行具體描述，有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明作進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明保護范圍。

值得說明的是：1)以下實施例和對比例所得復合管材的周向強度和爆破壓力均是按照標準cj/t258-2007所給出的測試方法測試的。2)以下實施例和對比例所得復合管材是采用附圖2-4所示結構的擠管機頭擠出制備的。該擠管機頭如圖2所示，該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8根凸起的筋21，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3、4。擠出管材的偏心由位于壓塊11外側的調(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連接在前機頭體10一側的進料口上。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穿過與后機頭體5相連處的前機頭體10一側開的孔槽與兩鏈輪8相連，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1

本實施例提供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的結構如圖1所示，其內(nèi)層為純無規(guī)共聚聚丙烯層1，其中有部分無規(guī)共聚聚丙烯大分子是沿周向取向的；中間層為玻璃纖維增強的無規(guī)共聚聚丙烯層2，其中增強的玻璃纖維和部分無規(guī)共聚聚丙烯大分子是沿周向取向的；外層為純無規(guī)共聚聚丙烯層3，其中無規(guī)共聚聚丙烯大分子是未沿周向取向的。本實施例復合管材是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，其外徑為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。經(jīng)測試周向強度35.4mpa，爆破壓力6.27mpa，相對于對比例的管材分別提高了41.6％和62.4％。

實施例2

本實施例提供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的結構如圖1所示，由于其結構、外徑、管壁總厚度及各層厚度均與實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，其是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，經(jīng)測試周向強度36.3mpa，爆破壓力6.73mpa，相對于對比例的管材分別提高了45.2％和74.4％。

實施例3

本實施例提供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的結構如圖1所示，由于其結構、外徑、管壁總厚度及各層厚度均與實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，其是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，經(jīng)測試周向強度39.44mpa，爆破壓力7.4mpa，相對于對比例的管材分別提高了57.8％和91.7％。

實施例4

本實施例提供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的結構如圖1所示，由于其結構、外徑、管壁總厚度及各層厚度均與實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，其是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為90轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，經(jīng)測試周向強度38.05mpa，爆破壓力6.73mpa，相對于對比例的管材分別提高了52.2％和74.4％。

實施例5

本實施例提供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的結構如圖1所示，由于其結構與實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，本實施例復合管材是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，其外徑為φ63mm，管壁總厚度為5.8mm，其中內(nèi)層1純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2mm，中間層2玻纖增強無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2.1mm，外層3純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為1.7mm。經(jīng)測試周向強度33.4mpa，爆破壓力6.55mpa，相對于對比例的管材分別提高了37.4％和75.1％。

實施例6

本實施例提供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的結構如圖1所示，由于其結構與實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，本實施例復合管材是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，其外徑為φ63，管壁總厚度為5.8mm，其中內(nèi)層1純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2mm，中間層2玻纖增強無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2.1mm，外層3純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為1.7mm。經(jīng)測試34.1mpa，爆破壓力6.71mpa，相對于對比例的管材分別提高了40.3％和79.4％。

實施例7

本實施例提供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的結構如圖1所示，由于其結構與實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，本實施例復合管材是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，其外徑為φ63，管壁總厚度為5.8mm，其中內(nèi)層1純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2mm，中間層2玻纖增強無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為2.1mm，外層3純無規(guī)共聚聚丙烯層厚度為1.7mm。經(jīng)測試35.5mpa，爆破壓力6.96mpa，相對于對比例的管材分別提高了46.6％和86.1％。

對比例1

本對比例提供的玻纖增強的無規(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實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，其是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，其內(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。

對比例2

本對比例提供的玻纖增強的無規(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實施例1相同，故略去不述。與實施例1不同的是，管材外徑為φ63mm，是在機頭旋轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分的條件下制備的，其內(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。