專利名稱：共擠塑多層塑料管及其制造方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及共擠塑多層塑料管材，該多層塑料管材包括被較軟材料制的中層包圍的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)管和圍繞所述中層的外管，其中所述中層包圍著一個(gè)或多個(gè)內(nèi)管。優(yōu)選的是，本發(fā)明的多層塑料管材包含一個(gè)內(nèi)管。
包括一薄壁內(nèi)管的上述類型的塑料管材是早就知道的。例如，這類管材已用作地下排水管、壓送管及電纜槽。雖然它們的制造過程較常用單層管材要復(fù)雜，但是，對(duì)于性能相當(dāng)?shù)膬深惞懿膩碚f，由于多層管材的材料消耗較單層管材低，因而重量輕，所以多層管材的價(jià)格較常規(guī)管材稍低一些。然而，多層管材的用途，尤其在高緯地區(qū)是很受限制的。其主要原因是這類管材的機(jī)械性能較常規(guī)單層管材差。
一種常規(guī)三層地下排水管具有如下結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)符合本技術(shù)領(lǐng)域出版的標(biāo)準(zhǔn)(管材外徑為315毫米)。
-硬質(zhì)PVC塑料內(nèi)層，厚度為約1.4毫米，彈性模量為約2000兆帕，密度為約1400千克/米3。
-發(fā)泡PVC塑料中層，厚度為約9.4毫米，彈性模量為約800兆帕，泡沫密度為約800千克/米3。
-硬質(zhì)PVC塑料外層，厚度為約1.4毫米，彈性模量為約2000兆帕。
這類管材的環(huán)勁度為約8.8千牛/米2，這一數(shù)值足可以用作地下管道。管材中各層的環(huán)勁度如下內(nèi)管(1)為約0.0167千牛/米2、中層(2)為約1.8千牛/米2。外管(3)單獨(dú)為約0.0136千牛/米2。
環(huán)勁度的大小排列次序?yàn)?2)、(1)和(3)。這是典型的市售發(fā)泡管材的主要結(jié)構(gòu)，盡管發(fā)泡材料的彈性模量最低，但中層發(fā)泡材料的勁度最高且是主要的承受負(fù)載結(jié)構(gòu)。內(nèi)管通常是勁度為次高的結(jié)構(gòu)。
如果對(duì)市售的三層發(fā)泡管材中的每一層進(jìn)行稱重試驗(yàn)，可觀察到另一主要大小原則實(shí)體層的重量與管材總重量之比總是低于45％，對(duì)于上述實(shí)例來說，內(nèi)管重量為約1.9千克/米，中層重量為約7.4千克/米及外管重量為約2千克/米。因此，內(nèi)管和外管的重量之和與總重量11.2千克/米的重量比為34％。
美國專利4364882公開了一種常用PVC發(fā)泡管材。該P(yáng)VC發(fā)泡至密度為500千克/米3，事實(shí)上這一數(shù)據(jù)已經(jīng)是常規(guī)技術(shù)能達(dá)到的最低值。通常，PVC泡沫塑料的發(fā)泡程度為57％，據(jù)上可得出其密度為800千克/米3；如果密度低于該數(shù)值，PVC泡沫塑料的強(qiáng)度性能就會(huì)下降。該專利公開了一種外徑為315毫米，并具有以下結(jié)構(gòu)的管材內(nèi)管厚度為1.25毫米，中層厚度為9毫米以及外管厚度為1.25毫米，因此該管材的總厚度為11.5毫米，以及管材總重量為7.63千克/米。由此可見，該公開的管材與有相當(dāng)勁度的常規(guī)管材相比，重量輕29％。
還可計(jì)算出上述管材的下述特征內(nèi)管重量為1.61千克/米以及環(huán)勁度0.013千牛/米2；中層重量為4.32千克/米及環(huán)勁度為1.41千牛/米2；外管重量為1.72千克/米以及環(huán)勁度為0.011千牛/米2。由此可見，與外層和內(nèi)層相比，發(fā)泡中層的環(huán)勁度是外層和內(nèi)層的100倍以上，以及外層和內(nèi)層加在一起的重量是總重量的44％。
上述實(shí)例表明，采用發(fā)泡塑料的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了大量材料(即降低了成本)并使管材結(jié)構(gòu)變輕。采用這種“質(zhì)地較差”材料作為中層起連接作用是很合理的，因?yàn)檫@一層是最少受到諸如磨損和應(yīng)力應(yīng)變的機(jī)械應(yīng)力的作用，也是最少受到諸如紫外輻射和種種雜質(zhì)的物理和化學(xué)應(yīng)力作用的。
另一方面，當(dāng)中層材料的發(fā)泡程度增加或其密度下降時(shí)，發(fā)泡材料的性能會(huì)明顯地降低。目前，所用達(dá)最高發(fā)泡程度的發(fā)泡材料的密度實(shí)際上已降為未發(fā)泡材料的一半。如果采用再高的發(fā)泡程度，該泡沫塑料的強(qiáng)度會(huì)有相當(dāng)大的下降，已經(jīng)認(rèn)為，要用這類泡沫塑料制成質(zhì)量上乘的管材是不可能的。雖然，解決該問題的先有技術(shù)，例如能將發(fā)泡保持在這樣一種程度使得該發(fā)泡材料仍具有較好的機(jī)械強(qiáng)度性能，但總避免不了損壞向內(nèi)管延伸這種情況的發(fā)生。而且，發(fā)泡中間層的采用也沒有使成本如預(yù)期那樣地明顯下降。
本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)管受到較先有技術(shù)方法更有效保護(hù)的共擠塑多層塑料管材，并同時(shí)降低管材的制造成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種共擠塑多層塑料管材，該管材與相應(yīng)的已知管材相比，具有較好的機(jī)械性能，如沖擊強(qiáng)度和環(huán)勁度，并較單層管材及相應(yīng)的已知多層管材的重量輕。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是一種制造共擠塑多層塑料管材的方法，該管材包括被較軟材料制的中層包圍的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)管(中層的密度低于外管和內(nèi)管)和一層圍繞所述中層的外管，其中該中層包圍著所述一個(gè)或多個(gè)內(nèi)管。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種制造共擠塑多層塑料管材的方法，所述方法能使制得的管材中的發(fā)泡塑料中層具有很低的密度，并且在所述方法中，塑料的發(fā)泡是以壓縮空氣現(xiàn)場發(fā)泡的。
本發(fā)明再有一個(gè)目的是提供一種制造根據(jù)本發(fā)明的共擠塑多層管材的設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明多層管材的基本特征是最重要的部分，即內(nèi)管在各種應(yīng)力作用下不會(huì)破裂或變形。
目前，本發(fā)明的多層塑料管材能達(dá)到上述性能，其中中層聚合物的重量與塑料管材的總重量之比至多為55％。
根據(jù)本發(fā)明，結(jié)構(gòu)的最重要部分(即內(nèi)管)可用較軟的外層(即更容易變形的層)來保護(hù)，由此，所有各層界面間的粘附力是盡可能小并是可調(diào)整的。因此，即使外管由于壓縮變形成橢圓形，或甚至當(dāng)管子鋪設(shè)在地坑中因受到尖角物體(如石塊)的沖擊力而破裂時(shí)，內(nèi)管仍能保持圓形不受破壞。
已意外地發(fā)現(xiàn)，上述粘附力對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性，尤其對(duì)耐沖擊應(yīng)力有很大的影響。在先有技術(shù)中所述的這類三層管材，發(fā)泡的中間層(盡管是發(fā)泡結(jié)構(gòu))顯然是太硬，并與外管和內(nèi)管貼得太緊密，因此在受到?jīng)_擊作用使外管發(fā)生龜裂時(shí)，在最壞的情況下龜裂會(huì)延伸到中間層甚至進(jìn)一步延伸到內(nèi)管。
因?yàn)楸景l(fā)明保證了層間粘合力小于產(chǎn)生龜裂所需的力，從而使本發(fā)明的管材避免了上述問題。粘附力或粘附能可通過標(biāo)準(zhǔn)剝離試驗(yàn)來測定，并可通過標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的測量數(shù)據(jù)，分析出發(fā)生龜裂所需力的大小。軟的泡沫塑料中間層起著內(nèi)管與外管間的減震作用，并使內(nèi)管和外管保持分開，因此，外管經(jīng)受明顯的變形時(shí)，而內(nèi)管可完全不發(fā)生變形。塑料管材經(jīng)受的最典型的損壞形式是開裂、變形或甚至是鋪設(shè)好的管線因挖掘機(jī)或某項(xiàng)建設(shè)工程所引起的破裂。
上述已知的具有一種發(fā)泡材料中間層的多層管材有許多缺點(diǎn)，最明顯的缺點(diǎn)是沖擊強(qiáng)度低。本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一缺點(diǎn)是由于不同層間的重量比不合理引起的。正如從對(duì)先有技術(shù)管材作上述分析中看到的，在先有技術(shù)方法中，外管和內(nèi)管的壁厚、重量比以及環(huán)勁度與發(fā)泡的中間層相比是很低的，例如，外管和內(nèi)管的重量與管材總重量的比例至多為44％。當(dāng)有沖擊力撞擊外管時(shí)，沖擊能幾乎是完全直接作用在承載負(fù)荷的中間層表面上，該表面通常是一種較不易變形的高密度PVC泡沫塑料。因?yàn)镻VC塑料是對(duì)缺口極敏感的，還因?yàn)榕菽芰现械拿總€(gè)氣泡形成應(yīng)力中心，所以該管材的沖擊強(qiáng)度是低的，尤其在氣溫低的情況下。
本發(fā)明利用中層對(duì)整個(gè)塑料管的重量比低于先有技術(shù)管材這一特征，從而使本發(fā)明的管材出乎意料地達(dá)到了很高的沖擊強(qiáng)度。基于這一點(diǎn)，外管和中層對(duì)來自管外的沖擊能量的吸收程度高于已知的管材，因而內(nèi)管較已知的不易損壞。事實(shí)上，該中層較已知管材中的中層軟。中層的彈性模量優(yōu)選為內(nèi)管彈性模量的25％以下，最優(yōu)選為10％以下。
本發(fā)明的層間重量比也可以這種方式表示。內(nèi)管和外管重量之和與管材總重量之比至少是總重量的45％，優(yōu)選為60％-85％。
根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方案，通過降低中層泡沫塑料的密度(與已知管材相比)可達(dá)到上述重量比及所需的環(huán)勁度比，因此中層密度不高于500千克/米3，優(yōu)選為50-500千克/米3，更優(yōu)選為100-300千克/米3。這樣的密度值可通過如提高中層泡沫塑料的發(fā)泡程度(與已知管材相比)，以使其發(fā)泡程度達(dá)到至少為50％，優(yōu)選為70-95％，更優(yōu)選為70-85％，即中層密度至多為相應(yīng)的未發(fā)泡材料的50％，優(yōu)選只是10％-30％來達(dá)到。已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn)，盡管表觀上這種中層材料具有中等程度的機(jī)械性能，但整個(gè)管材的機(jī)械性能比那些有高密發(fā)泡中層的常規(guī)多層管材好得多。此外，這種管材由于泡沫塑料的密度低得很多，因而，其重量遠(yuǎn)比相應(yīng)的已知管材輕得多。
本發(fā)明具有上乘的機(jī)械性能可能是由于中層和外管構(gòu)成了類似能吸收來自外部沖擊能的緩沖墊，這種緩沖墊能將沖擊能在未達(dá)到內(nèi)管前吸收掉。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可得到特別好的機(jī)械性能，其中外管和內(nèi)管是用取向和/或拉伸纖維增強(qiáng)的和/或通過如我們的共同待審的申請(qǐng)書PCT/EP 96/02801中所述的交聯(lián)增強(qiáng)的，該申請(qǐng)內(nèi)容已列入本文以供參考。短切纖維，如纖維長為0.5-10毫米的玻璃纖維習(xí)慣上是不用來增強(qiáng)擠塑管材的，這主要是因?yàn)橛捎诮?jīng)擠塑操作，纖維會(huì)與管軸呈平行排列，因而纖維就不能發(fā)揮其本身的增強(qiáng)性能。這一點(diǎn)也適用于沿圓周方向上需要增強(qiáng)的壓送管和排水管。某些技術(shù)，如旋轉(zhuǎn)模芯和旋轉(zhuǎn)噴嘴，由于管材表面層旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生剪切作用的影響，使得部分纖維處于圓周方向?；谶@種技術(shù)所需的費(fèi)用，這種纖維結(jié)構(gòu)還沒有在用作排水管道的熱塑性管材中得以應(yīng)用。通常，含纖維的母料的成本較常規(guī)聚乙烯高出3-4倍。由于提高強(qiáng)度性能并不能補(bǔ)償較高的原料價(jià)格，因此添加纖維會(huì)提高管材的價(jià)格。
然而，已意外地發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明添加纖維的成品已做到較常規(guī)管材更便宜。這是由于本發(fā)明管材中的主要承載層，即內(nèi)管和外管中的纖維增強(qiáng)效果是很明顯的。經(jīng)濟(jì)地使用纖維增強(qiáng)材料是基于這樣的觀點(diǎn)增強(qiáng)材料只加在增勁效果最大的區(qū)域，即表層上，因此，所需用量較實(shí)心壁管材要少。其次，對(duì)管材的中間部分加入費(fèi)用很大的增強(qiáng)材料在很大程度上會(huì)是無用的，因?yàn)槿绻摴懿挠米鞯叵挛鬯芑蚺潘?，由于管材變位，其中間部分是不大會(huì)發(fā)生變形的。根據(jù)本發(fā)明管材的一種旋轉(zhuǎn)制造方法已公開在我們的共同待審的申請(qǐng)F(tuán)I 961822中，該公開內(nèi)容已列入本文以供參考。
不是特別精心制造的常規(guī)PVC泡沫塑料管材也存在有關(guān)缺口敏感性方面的另一缺點(diǎn)。在裝卸時(shí)管材的外表面常會(huì)被刮傷，裝卸不小心可能造成PVC表面刮傷甚至達(dá)0.5毫米。當(dāng)管子在垂直方向發(fā)生變形時(shí)如果這種刮傷發(fā)生在三點(diǎn)或九點(diǎn)鐘方向上，則在缺口的端口會(huì)形成強(qiáng)烈的應(yīng)力集中。如果PVC在機(jī)械加工上存在缺陷，就可能會(huì)引起龜裂緩慢擴(kuò)展，在PVC壓送管中出現(xiàn)的這種現(xiàn)象是為大家所非常熟悉的。這種現(xiàn)象對(duì)于埋在地下的排水管或污水管也是非常明顯的。這一問題在常規(guī)的外管很薄的泡沫塑料管材中尤為嚴(yán)重。在試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)薄壁高密泡沫PVC管材在苛刻的試驗(yàn)條件下甚至不足100小時(shí)就發(fā)生破裂，而實(shí)心壁PVC管材或本發(fā)明管材能夠持續(xù)試驗(yàn)數(shù)千小時(shí)。為了彌補(bǔ)中層材料的不足，本發(fā)明管材可有較厚的外管，因而有助于避免發(fā)生上述破裂的危險(xiǎn)。因?yàn)樯踔猎诹鸭y下有足量的承載材料，所以裂縫常常不會(huì)延伸至泡沫塑料層。
根據(jù)本發(fā)明，通過制造兩層不同的外管以使層間粘附能低于破裂能，可特別有效地防止上述現(xiàn)象的發(fā)生。因此龜裂擴(kuò)展會(huì)在這些層之間的接縫處中止，于是阻止了龜裂向第二層擴(kuò)展。例如，如果多層管是由取向聚丙烯(PP)內(nèi)管、輕質(zhì)發(fā)泡PP或PE發(fā)泡材料中層和由兩層構(gòu)成的外管(即靠近中層的MDPE的薄實(shí)心層及PP的實(shí)心外層)所構(gòu)成的話，則在PP外層可能產(chǎn)生的龜裂幾乎不會(huì)擴(kuò)展到MDPE層。例如通過控制擠塑工藝參數(shù)能使MDPE與PP之間的粘附力保持在足夠低的水平。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，這一現(xiàn)象可被利用來選擇中層泡沫塑料和外管的材料、密度和擠塑工藝參數(shù)。
當(dāng)該管材用作地下排水管時(shí)，其內(nèi)管會(huì)經(jīng)受幾種類型的應(yīng)力。據(jù)計(jì)算，除化學(xué)應(yīng)力外，在使用一百年期間，污水?dāng)y帶的顆粒對(duì)管壁的磨損可能為0.5毫米。一種更大的應(yīng)力是由管道清洗操作所引起的。研究結(jié)果已經(jīng)表明，機(jī)械清洗在管材表面引起的刮傷甚至可達(dá)0.7毫米深。另一方面，當(dāng)以常規(guī)方法采用比機(jī)械清洗更緩和的水噴射法清洗時(shí)，如果所用的水壓太高，可能會(huì)切入管壁。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，內(nèi)管是由橡膠狀熱塑性塑料或彈性體制的，因而有極好的耐切性能。雖然這后面的原因還沒有完全得到解釋，但本發(fā)明管材中內(nèi)管是相當(dāng)厚的，內(nèi)管的另一側(cè)是很軟的泡沫塑料層，顯然，厚的內(nèi)管是不良的共振表面，因而較常規(guī)泡沫塑料管有高得多的耐水噴射的切割效應(yīng)。
管材重量減輕帶來的問題是如果目的是為根據(jù)環(huán)勁度不變而節(jié)省大量材料，則會(huì)使高強(qiáng)度承載層的材料減少和強(qiáng)度降低。這問題在聚乙烯制的雙壁波紋管中是最明顯的。當(dāng)管材內(nèi)壁很薄時(shí)，管材的軸向勁度會(huì)很低并頗缺乏穩(wěn)定性，甚至難以將該管子弄直。就這方面來說，可認(rèn)為，與先前優(yōu)級(jí)肋管制造成本相同的本發(fā)明管材的性能是極好的。軸向勁度隨型面高度而明顯地增加；在本實(shí)施方案中，因可經(jīng)濟(jì)地制得比以前高的型面，因此，該三層管材是一種剛性很高的構(gòu)型。
在安裝后的使用期間，軸向勁度不足問題也可能變得明顯起來。幾乎沒有一種塑料管材具有這樣的剛性結(jié)構(gòu)甚至當(dāng)基礎(chǔ)表面不平坦時(shí)仍能保持直的狀態(tài)。然而，當(dāng)管子上方局部加載時(shí)，不同種類的管材會(huì)有明顯不同的特性。在軸向軟質(zhì)管材上局部加載會(huì)產(chǎn)生立即可見的變形，如凹坑。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的管材具有令人驚奇的優(yōu)良性能，局部加載引起的凹坑變形通常只在管材外表面和中層，而剛性較大的內(nèi)管不容易變形。由于這樣原因，例如，因?yàn)槭蔷植孔冃?，所以測試管材變形的管徑測量儀必須是固定的，因此，在任何情況下，目的是檢測平均變形。上述自然也適用于其它裝置，如模具凈化裝置等。
上述現(xiàn)象對(duì)于管道鋪設(shè)工藝是極重要的。常規(guī)的管材必須鋪設(shè)在經(jīng)篩選過的，已除去任何較大石塊的砂基上，而本發(fā)明的管材，由于有犧牲性的外層，所以鋪設(shè)時(shí)不需任何保護(hù)性材料。眾所周知，鋪設(shè)管道時(shí)用于開挖管溝和保護(hù)性材料的費(fèi)用要占80％以上；因此，外管和中層的環(huán)勁度較內(nèi)管低得多的本發(fā)明管材可大大地降低管線的總費(fèi)用，這是顯而易見的。一種保證外層撓曲大于內(nèi)管的方法是不僅要仔細(xì)地選擇管材的構(gòu)型原理而且還要選擇中層和外層的材料。換言之，除選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)勁度外，還要能允許有一定的局部彎曲或壓縮性。例如，外層采用較軟的材料就能有局部壓縮性。內(nèi)層的壓縮模量優(yōu)選至少是外層與中層一起測定的模量的兩倍。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，其中內(nèi)管的勁度大于其它層的勁度，因此外管在載荷下發(fā)生變形時(shí)，由于根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)，外管變成橢圓形的程度大于內(nèi)管。這是本發(fā)明特別重要的特征，例如，用作電纜槽時(shí)尤為重要。
當(dāng)管道鋪在地下時(shí)，一般的塑料管材總要變形約1％-1.5％，至多3％。這種變形主要是由管道鋪設(shè)后土壤的固結(jié)作用引起的。因此，對(duì)于300毫米的管子來說軟保護(hù)層的理想厚度是9毫米。該保護(hù)層吸收這種變形后，內(nèi)管就不會(huì)發(fā)生變形。換言之，該管壁應(yīng)可被壓縮4.5毫米。為了能實(shí)現(xiàn)這種壓縮，管壁必須有充分的空間。例如對(duì)于50％發(fā)泡程度的泡沫塑料管材來說，為防止整個(gè)載荷移向內(nèi)管，泡沫塑料的最小厚度應(yīng)為9毫米。如果采用發(fā)泡程度為80％的泡沫塑料，則泡沫層塑料厚度約為5.6毫米時(shí)，在內(nèi)管的外表面上就可達(dá)到與上相同的載荷水平，從本質(zhì)上說，這是一種費(fèi)用較低廉的解決變形的方法。然而，如果泡沫塑料層厚度為9毫米，但發(fā)泡程度為80％，即泡沫塑料很輕，承受沖擊的適應(yīng)性大為提高，這種結(jié)構(gòu)有利于得到高的沖擊強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明的一種方法，該方法包括在具有至少一根外管擠塑螺桿和一根中層擠塑螺桿的擠塑機(jī)上制造包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)管的共擠塑多層管材，螺桿的作用是在塑料成形為管材前輸送和塑化塑料材料。
這類方法已經(jīng)公開，如在CA1205265和EP 0236645中已經(jīng)公開了這類方法。在這些已知方法中，通過向塑料材料添加化學(xué)發(fā)泡劑使塑料材料發(fā)泡可有效地成型中層。這類化學(xué)發(fā)泡方法的缺點(diǎn)是不可能得到低密度的泡沫塑料，即制得的泡沫塑料的發(fā)泡程度通常低于50％。
本發(fā)明提供一種制造多層塑料管材的方法，所述方法能使制得的管材中的泡沫塑料中層具有很低的密度。該低密度泡沫塑料可經(jīng)下述過程制得在中層擠塑螺桿的塑化區(qū)，向已基本熔融的塑料材料注入加壓氣體，氣體與塑性基料混合后，經(jīng)擠壓并擠入管材內(nèi)層與外層間的間隙中。
氣體通過圍繞螺桿的料筒壁、向螺桿注入是最有利的，但在螺桿的端部與塑料材料相混合。根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，向塑料材料添加高達(dá)1％化學(xué)發(fā)泡劑，于是該發(fā)泡劑也作為泡孔的成核劑，從而增進(jìn)了物理發(fā)泡作用。
下文將根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的說明，其中

圖1是包括一層內(nèi)管的本發(fā)明多層塑料管材的縱剖面，圖2和圖3是制造本發(fā)明多層塑料管材的設(shè)備的圖解說明，圖4和圖5是本發(fā)明多層管材的兩個(gè)其它實(shí)施方案的圖解說明。
圖1所示的管材包括一層內(nèi)管1、一層外管2和泡沫塑料中層3。
內(nèi)管1是由如壓送管品級(jí)的中密度聚乙烯(MDPE)或某些其它熱塑性或熱固性塑料制造的。對(duì)于內(nèi)徑為300毫米的常壓管來說，中密度管材的密度一般為940千克/米3，壁厚為1-5毫米，優(yōu)選為2-3毫米。用于護(hù)套壓力管的材料一般是PVC、取向PE、交聯(lián)PE(PEX)或PP。護(hù)套壓力管的管壁可以是比較厚的，隨要求管材承受的應(yīng)力而定。基本要點(diǎn)是這類護(hù)套壓力管能承受的應(yīng)力應(yīng)較通常的實(shí)心壁管的管材高。由于本發(fā)明較軟的中間泡沫塑料層和外層，因而內(nèi)管不會(huì)受到象外應(yīng)力那樣大的應(yīng)力，而且這些外層和中層也增強(qiáng)了管材結(jié)構(gòu)。因此，有可能達(dá)到這一基本要點(diǎn)。
外管2可由密度為約955千克/米3的高密度聚乙烯(HDPE)(如供吹塑用的)制造，壁厚基本上與內(nèi)管壁厚相等。另一些外管材料是PVC、PP、MDPE，以及特別是PEX，這是因?yàn)镻EX是高度耐龜裂擴(kuò)展的。
中層3是由密度低于內(nèi)管和外管的泡沫塑料，如聚乙烯(LDPE)制造的，其壁厚度一般為5-20毫米，優(yōu)選為約10毫米。如果需要較好的隔離性能或需要更好的防護(hù)內(nèi)管免受外界干擾的性能，需采用較厚的泡沫塑料層。用本發(fā)明制造方法能達(dá)到的最大泡沫塑料厚度接近于50毫米。采用交聯(lián)的泡沫材料，其厚度的上限還可上移。
根據(jù)本發(fā)明，中層3與整個(gè)塑料管材的重量比至多為55％。該比例是依據(jù)中層聚合物的質(zhì)量計(jì)算的，而諸如填料沒有計(jì)及。如果中層該重量比只有15％-40％，則本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是尤為明顯的。
用細(xì)小填料和/或纖維狀添加劑，如礦物纖維或人造短纖維能容易地調(diào)整泡沫塑料中層的機(jī)械性能。似乎纖維能有效地增強(qiáng)泡沫塑料中層。例如，可向聚烯烴泡沫塑料添加如5-30％硅灰石來調(diào)整其抗壓強(qiáng)度。
在本發(fā)明管材中，可通過降低中層泡沫塑料的密度(與已知管材相比)來達(dá)到中層3重量比的下降，從而改善管材的沖擊強(qiáng)度。因此，中層泡沫塑料的密度至多為500千克/米3，優(yōu)選只有100-300千克/米3是適當(dāng)?shù)?。在試?yàn)中已發(fā)現(xiàn)，外管和內(nèi)管是聚乙烯、而中層是聚乙烯泡沫塑料的管材，當(dāng)中層的密度為約200千克/米3，相當(dāng)于發(fā)泡程度約79％時(shí)，具有極高的沖擊強(qiáng)度。一般地講，中層的發(fā)泡程度至少為50％，優(yōu)選為70-85％是適當(dāng)?shù)摹]有添加劑或填料的中層用樹脂的適宜彈性模量為100-500兆帕，優(yōu)選為約300兆帕，(用ISO 178方法測定)。當(dāng)中層用樹脂發(fā)泡后，其彈性模量自然會(huì)有很大程度下降。根據(jù)本發(fā)明功能優(yōu)良的管材中的泡沫塑料的模量可低至25兆帕。根據(jù)需要，使用填料可以提高泡沫塑料模量?？紤]到管材沖擊強(qiáng)度，泡沫塑料的平均密度優(yōu)選為上述范圍；密度是向?qū)又行慕档偷摹?br> 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，用彈性模量至多為500兆帕的橡膠狀熱塑性塑料或彈性體制造內(nèi)管可改善內(nèi)管1的耐割性。
當(dāng)本發(fā)明管材是用作地下排水管道時(shí)，管材的外徑與外管的厚度比優(yōu)選至多為210，管材的內(nèi)徑與內(nèi)管的厚度比至多為200。
尤其是內(nèi)管1(但可能也包括外管2)是用填料或纖維增強(qiáng)材料增強(qiáng)的，和/或管材的原材料是取向的或交聯(lián)的。如果內(nèi)管和/或外管是由取向的熱塑性材料制的，并包含如作為增強(qiáng)材料的、能按偏離管軸方向取向的玻璃短纖維的話，該管材就有很高的沖擊強(qiáng)度。
優(yōu)選的內(nèi)管1是不著色的或是淺色的塑料，這樣就能借助顯象觀察便于探查損壞情況。優(yōu)選的外管2是對(duì)紫外光穩(wěn)定的，通常被著成黑色，這樣，該管能經(jīng)得起戶外貯存，碳黑也能提高外管的沖擊強(qiáng)度。
可單獨(dú)將外管2或?qū)⑼夤?與中層3一起加工成波紋狀或肋狀。
內(nèi)管、外管及中層分別有各自的環(huán)勁度，環(huán)勁度隨該層的壁厚度(即質(zhì)量比)及彈性模量而不同。
對(duì)于護(hù)套壓力管來說，優(yōu)選的內(nèi)管環(huán)勁度至少是等于、優(yōu)選是泡沫塑料層環(huán)勁度的兩倍至十倍。在用作護(hù)套污水管或排水管的情況下，內(nèi)管的環(huán)勁度通常高于泡沫塑料層的環(huán)勁度。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型地下污水管或排水管來說，內(nèi)管的環(huán)勁度較低，一般為泡沫塑料層環(huán)勁度的1％-10％。在這種情況下，泡沫塑料層是管材結(jié)構(gòu)中剛性最高的部分，而外層的勁度一般是各層中最低的。通常，在污水管用途中，各層的環(huán)勁度是0.0050-0.3000千牛/米2，剛性最高層優(yōu)選為中層或內(nèi)管。
在某些用途中，可將外層設(shè)計(jì)成剛性最高的層，以便獲得特殊的性能。這種情況的實(shí)例是一種擁有軟質(zhì)PEX內(nèi)管、泡沫塑料層和云母填充的聚烯烴外層的管材。該結(jié)構(gòu)具有隔離性能以及軸向剛度。由于這種剛度，管材在地面上安裝時(shí)能保持直的狀態(tài)，而日常的薄壁塑料管在安裝支架間易發(fā)生下垂現(xiàn)象。由于云母填充的聚烯烴的良好阻隔性能，而使這種組合具有其它的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的多層管材還有另一很有用的用途是用作壓送管，這種壓送管是由PEX為內(nèi)管、薄泡沫塑料層以及包有塑料表皮的金屬管所構(gòu)成。在這種情況下，泡沫塑料層在PEX與金屬如鋁之間起著粘合作用。這種結(jié)構(gòu)可允許內(nèi)管的外徑發(fā)生收縮或膨脹，而復(fù)合體的外徑仍保持一定。
根據(jù)本發(fā)明的共擠塑多層管的優(yōu)選總環(huán)勁度超過8千牛/米2，這一數(shù)值一般可滿足多種用途的要求能在壓送管中承受壓力波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)和在常壓用途中承受污物載荷。在采用取向的、或其它高性能熱塑性塑料管時(shí)，軟質(zhì)管道太柔軟的問題會(huì)變得很明顯。當(dāng)管道通過流體介質(zhì)應(yīng)能承受高應(yīng)力(高于12.5千牛/米2)時(shí)，環(huán)勁度為10巴(106牛/米2)的管材對(duì)于地下設(shè)施或真空度可能波動(dòng)的管線來說是太低了。根據(jù)本發(fā)明，多層壓送管的總勁度能容易地被調(diào)整到適當(dāng)?shù)乃?。通過在管材中共擠塑一保護(hù)性泡沫塑料層和一外表層就能容易地將總的環(huán)勁度提高到足夠的水平。例如，如果取向PVC管材的環(huán)勁度是4千牛/米2，增加薄泡沫塑料層能使環(huán)勁度提高到8千牛/米2，對(duì)于大多數(shù)地下設(shè)施來說，這是最低值，甚至還超過16千牛/米2，這對(duì)于不良的土壤類環(huán)境常是必須的。這類高勁度即使在“無砂”設(shè)施中也可能是有利的。
下表列出了本發(fā)明管材結(jié)構(gòu)的一些實(shí)施例。全部實(shí)施例涉及的管材內(nèi)徑為300毫米，環(huán)勁度為8.8千牛/米2。這些實(shí)施例的泡沫塑料層都不含任何填料。
P E 層厚度 重量 勁度 勁度質(zhì)量比％，千克/米3兆帕 毫米千克/米 千牛/米 次序 外管和內(nèi)管的百分比PE管1NCPE 2467955 8004.30 3.930.18811泡沫塑料層Mobil HTA001 F 200 25 11.162.230.09002外管Mobil HTA001 949 9201.54 1.530.007637.69 71.00％PE管2NCPE 2467955 8002.00 1.810.01942泡沫塑料層Mobil HTA001 F 200 25 13.602.700.16621外管Mobil HTA001 949 9202.00 1.990.016636.50 58.46％PE管3NCPE 2467955 8001.54 1.390.00893泡沫塑料層Mobil HTA001 F 200 25 12.562.480.13342外管Mobil HTA001 949 9204.30 4.260.16581作為上述實(shí)施方案的一種替代，用其它易彎曲的和軟的結(jié)構(gòu)，如圖4中所示的易彎曲的支撐肋12來部分代替或全部代替管材中層的泡沫塑料。肋的形狀為角狀S形并在管子的徑向是易彎曲的。優(yōu)選的支撐肋是薄塑料制的，它們可與管子縱軸平行或與管子徑向平行配置，如圖5所示，支撐肋之間的空間可以是空的或用泡沫塑料充填。
本發(fā)明的塑料管是按下述方法制造的。將塑料原料喂入擠塑機(jī)4中，該擠塑機(jī)包括供擠塑中層3的螺桿5、供擠塑內(nèi)管1和外管2的一根或兩根螺桿(未畫出)。螺桿5將塑料材料輸送到圖中的右端到噴嘴6為止，塑料由噴嘴進(jìn)入定位裝置，即管的外側(cè)C區(qū)域及管的內(nèi)側(cè)7的區(qū)域(圖3)，在此處管子被冷卻。當(dāng)塑料沿螺桿向噴嘴移動(dòng)時(shí)，塑料在A段塑化。內(nèi)管可在現(xiàn)場共擠塑，或者尤其在兩層或多層內(nèi)管情況下，內(nèi)管可先擠塑，然后通過一側(cè)向模頭，在側(cè)向模頭內(nèi)與泡沫層和外管匯合使泡沫層與外管粘附在內(nèi)管上。
根據(jù)本發(fā)明，加壓氣體如氮?dú)饣蚨趸冀?jīng)通道9通過機(jī)筒8或經(jīng)其它方法通過機(jī)筒導(dǎo)入塑化的熱塑性塑料中。在高壓下氣體被吸收入塑料中。泡孔尺寸在混合段B中被細(xì)微化。在說明性的實(shí)施方案中，借助變窄的螺距在螺桿中形成混合段，但是，實(shí)際上也可采用在技術(shù)上眾所周知的普通型混合幾何形狀的螺桿。最優(yōu)選的是，塑化螺桿是如我們共同待審的專利申請(qǐng)F(tuán)I 961822中提出的以同軸安裝在供擠塑外層的錐形螺桿內(nèi)。
向塑料材料添加約1％化學(xué)發(fā)泡劑，如偶氮二甲酰胺來提高塑性材料的發(fā)泡率。也可以向形成內(nèi)管和外管以及可能還包括中層的塑料材料添加能夠在與管軸方向成一角度的方向上排列的短纖維。一種替代短纖維的方法，(或者仍添加短纖維)，是可借助擠塑機(jī)使內(nèi)管和/或外管塑料發(fā)生取向，其中，成型管材內(nèi)表面的模芯和/或成型外表面的噴嘴是繞設(shè)備的中心軸旋轉(zhuǎn)的。
圖3展開了一種典型的三層擠塑的模具、噴嘴和定位系統(tǒng)。編號(hào)1a表示模具的外表面，它限定物料流向多層管的外管。以2a表示限定中層外表面的部件，3a表示隔開中層與內(nèi)管的模套。編號(hào)4a表示限定內(nèi)管內(nèi)表面的模具內(nèi)表面。區(qū)域(A)代表屬于模具(熱的)部件，區(qū)域(B)代表屬于噴嘴(熱的)的部件，及區(qū)域(C)代表屬于定徑裝置(熱的或冷的)的部件。如果(B)與(C)之間裝有用于阻止區(qū)域(B)的過多熱流流向區(qū)域(C)的絕熱材料隔板，則區(qū)域(C)與(B)也可互相連接。
噴嘴或模頭組件僅包括可與模具以絲扣旋接的噴嘴套Ib和也與模具以絲扣旋接的模芯4b。當(dāng)模芯4b裝有冷卻水通道(未畫出)時(shí)，才能制得質(zhì)量最好的內(nèi)管。此外，如在專利PCT/US90/03394所公開的，整個(gè)模具的模體可以旋轉(zhuǎn)以使纖維取向。
定徑裝置包括一個(gè)設(shè)有許多抽真空用的縫隙1d的外定徑套1C。內(nèi)定徑套4c也有對(duì)應(yīng)的縫隙4d。附圖中也展示出擠出的外管2，軟質(zhì)(泡沫塑料)層3和內(nèi)管1。在定徑裝置中，擠塑管材沿定位在管內(nèi)側(cè)的模芯4a和4b及定位在管外側(cè)的定徑裝置外筒1c滑動(dòng)，而中層泡沫塑料正好占據(jù)內(nèi)外管間可利用的空間。泡沫塑料引起的壓力擠壓貼在模芯和定徑套上的內(nèi)管和外管，從而使它們彼此保持接觸。這種擠壓作用可通過上面提及的抽真空部件產(chǎn)生負(fù)壓作用而得以增強(qiáng)。
共擠塑多層管中的被低密度泡沫塑料包圍的內(nèi)管的定中通常是采用特殊的定心片來進(jìn)行的。
根據(jù)本發(fā)明，管材定中可方便地通過下述方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)引出裝置或擠塑機(jī)頭與另一引出裝置之間的管段施加張力至中層泡沫塑料充分冷卻，這樣能使內(nèi)管定中的剪切強(qiáng)度從外層傳遞到內(nèi)層。
在上文中，只以幾個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了說明。本發(fā)明細(xì)節(jié)可在所附權(quán)利要求書中規(guī)定的范圍內(nèi)加以變更，這一點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員來說是不言而喻的。
權(quán)利要求
1.一種共擠塑多層塑料管材，該管材包括被較內(nèi)管軟的材料制的中層(3)包圍的一層或多層內(nèi)管(1)和圍繞所述中層的外管(2)，其中所述中層包圍著一個(gè)或多個(gè)內(nèi)管，這種管材的特征在于所述中層樹脂與該塑料管材總重量之比至多為55％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共擠塑多層塑料管材，其特征在于內(nèi)管和外管(1，2)合在一起的質(zhì)量至少是該管材總質(zhì)量的45％，優(yōu)選是60％-80％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的共擠塑多層塑料管材，其特征在于該多層塑料管包括一層內(nèi)管(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)共擠塑多層塑料管材，其特征在于外管和/或內(nèi)管(2，1)與中層(3)之間的粘附能低于破裂能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)共擠塑多層塑料管材，其特征在于外管和/或內(nèi)管(2，1)包括至少兩層，所述層之間的粘附能小于層的破裂能。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于制造中層的樹脂的表觀彈性模量低于內(nèi)管彈性模量，并且至多為500兆帕。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的共擠塑多層塑料管，其特征在于中層(3)的表觀彈性模量至多為內(nèi)管(1)彈性模量的25％，優(yōu)選低于10％。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于內(nèi)管(1)是由彈性模量至多為500兆帕的彈性體制成。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于內(nèi)層(1)的壓縮模量至少是外層(2)與中層(3)一起測定的模量的兩倍。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于在多層管材中，外管或內(nèi)管(2，1)具有最高環(huán)勁度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的共擠塑多層塑料管材，其特征在于外管(2)具有最高的環(huán)勁度，多層管材包括交聯(lián)聚乙烯(PEX)內(nèi)管(1)、泡沫塑料中層(3)和由厚度為0.2-0.6毫米包有塑料表皮的金屬管所構(gòu)成的外管(2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的共擠塑多層塑料管材，其特征在于外管(2)具有最高環(huán)勁度，多層管材包括交聯(lián)聚乙烯(PEX)內(nèi)管(1)、泡沫塑料中層(3)和云母填充聚烯烴外管(2)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的共擠塑多層塑料管材，其特征在于內(nèi)管(1)的環(huán)勁度至少是中層(3)或外管(2)環(huán)勁度的兩倍。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的共擠塑多層塑料管材，其特征在于所述多層管材的總環(huán)勁度高于8千牛/米2，內(nèi)管(1)的環(huán)勁度低于6千牛/米2，以及所述多層管被用作壓送管。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于中層(3)具有最高環(huán)勁度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的共擠塑多層塑料管材，其特征在于內(nèi)管(1)的環(huán)勁度至少是中層(3)的環(huán)勁度的2％。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于泡沫塑料中層(3)的密度為50-500千克/米3，優(yōu)選為100-300千克/米3。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于中層泡沫塑料的發(fā)泡程度為50％-95％，優(yōu)選為70％-85％。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于管材的外徑與外管的厚度比至多為210，而管材的內(nèi)徑與內(nèi)管的厚度比至多為200。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的共擠塑多層塑料管材，其特征在于外管和/或內(nèi)管(2，1)包含能按偏離管軸方向取向的短纖維。
21.根據(jù)權(quán)利要求l的共擠塑多層塑料管材，其特征在于內(nèi)管和外管(1，2)是由MDPE或HDPE制造或由交聯(lián)MDPE或HDPE制造，以及中層(3)是由LDPE制造，任選用穩(wěn)定的纖維或纖維狀添加劑如礦物纖維增強(qiáng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的共擠塑多層塑料管材，其特征在于所述多層管是用作地下排水管或污水管。
23.制造如權(quán)利要求l的共擠塑多層塑料管材的一種方法，所述方法包括在擠塑機(jī)(4)中制造所述多層管材，該擠塑機(jī)配置至少一根外層擠塑螺桿和一根輸送及塑化塑料材料，然后將其擠塑成型為管材中層(3)的螺桿(5)，其特征在于加壓氣體是在中層(3)擠塑螺桿(5)的其中塑性材料已基本熔融的塑化段(A)中注入塑性材料中的，并與塑性材料相混合，然后擠入由內(nèi)管(1)和外管(2)構(gòu)成的空腔中。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于在成型為內(nèi)管和外管(1，2)的塑料材料中添加短纖維，在擠塑時(shí)，這些纖維按照與管材軸向成一角度的方向排列。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于在成型為中層(3)的塑料材料中也添加增強(qiáng)短纖維和/或纖維狀添加劑，如礦物纖維。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于管材的內(nèi)表面和外表面是定徑的，且中層正好占據(jù)內(nèi)管和外管(1，2)之間所限定的空間。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于對(duì)定徑表面施以負(fù)壓以使所述表面與內(nèi)管和外管保持接觸。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征在于通過一個(gè)引出裝置或擠塑機(jī)頭與另一引出裝置之間的管段施加張力至中層泡沫塑料充分冷卻，這樣能使管材定中的剪切強(qiáng)度從外層傳遞到內(nèi)層，從而達(dá)到內(nèi)管按管材中層定中。
29.一種供制造共擠塑多層塑料管的設(shè)備，所述設(shè)備包括多層管擠塑機(jī)(4)和任選一臺(tái)和多臺(tái)常規(guī)擠塑機(jī)、模具以及定徑裝置(7)，其特征在于能同時(shí)定徑多層管的外表面和內(nèi)表面的定徑裝置7是緊靠模具的噴嘴(6)安裝的，所以部分發(fā)泡是在定徑裝置(7)中進(jìn)行的。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的設(shè)備，其特征在于模具(區(qū)段1a、2a、3a和4a)與噴嘴(1b與4b之間)之間界面(A∶B)上噴嘴孔的截面積小于噴嘴與定徑裝置界面(B∶C)上整個(gè)管壁截面積。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30制造在外表面和/或內(nèi)表面含纖維的多層管的設(shè)備，其特征在于一個(gè)或多個(gè)部件(1a、1b、2a、3a、4a、4b)相對(duì)于其它部件呈回轉(zhuǎn)排列的。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的設(shè)備，其特征在于供外管定徑的表面呈波紋狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及共擠塑多層塑料管材,這種管材包括內(nèi)管(1)、外管(2)以及介于內(nèi)、外管之間的中層(3),該中層是由較內(nèi)管軟的材料制成。本發(fā)明還涉及一種在多層擠塑機(jī)中制造共擠塑多層管材的方法以及供制造共擠塑多層管材的設(shè)備。
文檔編號(hào)B29C47/24GK1204387SQ96199007
公開日1999年1月6日 申請(qǐng)日期1996年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月12日
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