阅读说明：本技术 超高分子聚乙烯管材生产设备及制造方法 (Production equipment and manufacturing method of ultrahigh molecular polyethylene pipe ) 是由 郝斌 江厚建 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种超高分子聚乙烯管材生产设备,包括塑化挤出系统、液压系统、成型系统、控制系统；成型系统包括管材模具和冷却装置；管材模具包括主模具、芯模和成型管模,成型管模套设在芯模外,主模具设置于芯模和成型管模的前端,用于使从塑化挤出系统挤出的物料以直线流动进入芯模和成型管模之间；成型管模用于成型超高分子聚乙烯管材的外壁；芯模套设于成型管模的内部,用于成型超高分子聚乙烯管材的内壁；冷却装置包括第一冷却元件和第二冷却元件,第一冷却元件用于成型管模的冷却降温,第二冷却元件用于芯模的冷却降温,冷却装置提供55℃～85℃的冷却温度使得成型管模与芯模的温度保持相同。本发明还提供一种超高分子聚乙烯管材的制造方法。(The invention provides a production device of an ultra-high molecular polyethylene pipe, which comprises a plasticizing extrusion system, a hydraulic system, a forming system and a control system; the molding system comprises a pipe mold and a cooling device; the pipe mold comprises a main mold, a core mold and a forming pipe mold, wherein the forming pipe mold is sleeved outside the core mold, and the main mold is arranged at the front ends of the core mold and the forming pipe mold and is used for enabling materials extruded from a plasticizing extrusion system to flow between the core mold and the forming pipe mold in a straight line; the forming pipe die is used for forming the outer wall of the ultra-high molecular polyethylene pipe; the core mould is sleeved in the forming pipe mould and is used for forming the inner wall of the ultrahigh molecular polyethylene pipe; the cooling device comprises a first cooling element and a second cooling element, the first cooling element is used for cooling the formed pipe die, the second cooling element is used for cooling the core die, and the cooling device provides a cooling temperature of 55-85 ℃ to keep the temperature of the formed pipe die and the temperature of the core die the same. The invention also provides a manufacturing method of the ultra-high molecular polyethylene pipe.)

超高分子聚乙烯管材生产设备及制造方法

技术领域

本发明涉及工程塑料领域，特别是涉及超高分子聚乙烯管材生产设备及制造方法。

背景技术

UPE管是超高分子量聚乙烯管(UHMW-PE PIPE)的英文缩写，全称是(ultra-highmolecular weight polyethylene pipe)是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下聚合而成，它的平均分子量大于200万的热塑性工程塑料，属于化工类新材料、新产品，它是综合性能最好的工程塑料。

现有的超高分子聚乙烯管材的制造采用挤出成型工艺，将物料加入挤出机，物料在挤压推动作用下，通通过机筒外部的加热装置和摩擦预热，在高温、高压条件下熔融塑化，然后，再把熔融物料推入机头模具，从机头模具挤出的熔融物料经冷却定型成为所需的超高分子聚乙烯制品。

但是现有的生产技术，超高分子聚乙烯管材易出现成品表面有缺陷、壁厚不均匀、不光滑甚至开裂等问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述超高分子聚乙烯管材生产易出现的问题，提供一种超高分子聚乙烯管材生产设备及制造方法。

一种超高分子聚乙烯管材生产设备，包括塑化挤出系统、液压系统、成型系统、控制系统；

所述成型系统包括管材模具和冷却装置；

所述管材模具包括主模具、芯模和成型管模，沿物料前进的方向，所述主模具设置于所述芯模和所述成型管模的前端，所述成型管模套设在所述芯模外，所述主模具用于使从所述塑化挤出系统挤出的物料以直线流动进入所述芯模和所述成型管模之间；所述成型管模用于成型所述超高分子聚乙烯管材的外壁；所述芯模套设于所述成型管模的内部，用于成型所述超高分子聚乙烯管材的内壁；

所述冷却装置包括第一冷却元件和第二冷却元件，所述第一冷却元件用于所述成型管模的冷却降温，所述第二冷却元件用于所述芯模的冷却降温，所述冷却装置提供55℃～85℃的冷却温度使得所述成型管模与所述芯模的温度保持相同。

在其中一个实施例中，所述塑化挤出系统包括料筒和推杆，所述液压系统用于驱动所述推杆将所述料筒中塑化的物料推入所述成型系统。

在其中一个实施例中，所述芯模具有空心内腔，所述第二冷却元件包括第二冷却循环管路，所述空心内腔与所述第二冷却循环管路连通，用于使冷却介质循环通过所述空心内腔使所述芯模冷却降温。

在其中一个实施例中，所述主模具包括外模套和套设在所述外模套内部的分流锥，所述分流锥的尖部朝向所述塑化挤出系统，所述外模套与所述分流锥之间为所述物料流通的通道，使所述物料从所述塑化挤出系统进入所述芯模和所述成型管模之间，所述分流锥的锥度为50度～55度。

在其中一个实施例中，所述塑化挤出系统沿物料前进的方向依次分为温度不同的加料区、融熔区、第一均化区、第二均化区、第三均化区和接头区，所述加料区的加热温度为215℃～220℃；所述融熔区的加热温度为220℃～225℃；所述第一均化区的加热温度为225℃～230℃；所述第二均化区的加热温度为230℃～235℃；所述第三均化区的加热温度为235℃～240℃；所述接头区的加热温度为240℃～245℃。

在其中一个实施例中，所述主模具沿物料前进的方向依次分为第一温度区和第二温度区，所述第一温度区温度为240℃～245℃，所述第二温度区温度为235℃～240℃。

一种利用所述的超高分子聚乙烯管材生产设备的超高分子聚乙烯管材的制造方法，包括以下步骤：

通过所述塑化挤出系统的加热使物料塑化，并使所述塑化的物料挤出进入所述成型系统；以及

通过所述主模具使所述塑化的物料进入所述芯模和所述成型管模成型，通过冷却装置使所述成型管材外壁和内壁同时降温定型。

一种超高分子聚乙烯管材的制造方法，包括以下步骤：

将物料在塑化挤出系统中加热塑化；

将塑化挤出系统中塑化的物料经过挤出结构挤出进入成型系统的芯模和成型管模之间，所述成型管模套设在所述芯模外；以及

通过冷却装置提供55℃～85℃的冷却温度使成型管材外壁和内壁同时降温定型，在所述成型管模和所述芯模之间形成所述成型管材。

在其中一个实施例中，所述挤出结构形成环形锥状通道，所述环形锥状通道的尖部朝向所述塑化挤出系统，所述塑化的物料通过所述环形锥状通道以锥形分流的形式挤出进入所述成型系统的芯模和成型管模之间。

在其中一个实施例中，所述锥形分流的锥度为50度～55度。

在其中一个实施例中，所述塑化挤出系统沿物料前进的方向依次分为温度不同的加料区、融熔区、第一均化区、第二均化区、第三均化区和接头区，所述加料区的加热温度为215℃～220℃；所述融熔区的加热温度为220℃～225℃；所述第一均化区的加热温度为225℃～230℃；所述第二均化区的加热温度为230℃～235℃；所述第三均化区的加热温度为235℃～240℃；所述接头区的加热温度为240℃～245℃。

在其中一个实施例中，所述挤出结构沿物料前进的方向依次分为第一温度区和第二温度区，所述第一温度区温度为240℃～245℃，所述第二温度区温度为235℃～240℃。

本发明提供的超高分子聚乙烯管材生产设备，包括成型系统，所述成型系统包括管材模具和冷却装置。所述管材模具包括主模具、芯模和成型管模。所述芯模用于成型所述超高分子聚乙烯管材的内壁，所述成型管模用于成型所述超高分子聚乙烯管材的外壁，所述冷却装置提供55℃～85℃的冷却温度使得所述成型管模与所述芯模的温度保持相同。

在所述成型管模、所述芯模和所述冷却装置的相互配合下，所述超高分子聚乙烯物料在成型为管材时，所述成型管模和所述芯模均能使其间的物料降温，提高管材内外温度的均匀性，有效避免成品超高分子聚乙烯管材表面，尤其是内壁的缺陷、壁厚不均匀、表面不光滑甚至开裂等问题，在提高生成效率的同时使生产的超高分子聚乙烯管材良率大大提高。本申请通过液压系统实现超高分子聚乙烯物料的挤出，液压系统能够提供更大的推动力，更适合于流动性相对较差的超高分子聚乙烯的物料的推动。

附图说明

图1为本发明实施例超高分子聚乙烯管材生产设备结构示意图；

图2为本发明实施例管材模具与冷却装置结构示意图；

图3为本发明实施例芯模结构示意图。

10-电机；

20-油缸；

30-料斗；

40-料筒；

50-控制系统；

60-推杆；

70-法兰接头；

80-料嘴；

100-管材模具；

120-主模具；

122-外模套；124-分流锥；

140-芯模；

142-空心内腔；144-隔板；146-密闭腔室；

160-成型管模；

162-冷却套；

200-冷却装置；

210-第一冷却循环管路；230-第二冷却循环管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供一种超高分子聚乙烯管材生产设备，包括塑化挤出系统、液压系统、成型系统、控制系统。

塑化挤出系统包括料筒40和设置在料筒40内的推杆60，所述液压系统用于驱动所述推杆将所述料筒40中的塑化物料推入所述成型系统。

成型系统包括管材模具100和冷却装置200。

管材模具100包括主模具120、芯模140和成型管模160。沿物料前进的方向，主模具120设置于芯模140和成型管模160的前端，成型管模160套设在芯模140外。主模具120用于使从塑化挤出系统挤出的物料以直线流动进入芯模140和成型管模160之间。成型管模160用于成型所述超高分子聚乙烯管材的外壁。芯模140套设于成型管模160的内部，用于成型所述超高分子聚乙烯管材的内壁。液压系统通过推杆60使物料沿前进方向从料筒40一端运动到另一端。

冷却装置200包括第一冷却元件和第二冷却元件，第一冷却元件用于成型管模160的冷却降温，第二冷却元件用于芯模140的冷却降温。所述冷却装置200提供55℃～85℃的冷却温度使得所述成型管模160与所述芯模140的温度保持相同。

本发明实施例提供的超高分子聚乙烯管材生产设备，包括成型系统，成型系统包括管材模具和冷却装置，管材模具包括主模具、芯模和成型管模，所述芯模用于成型所述超高分子聚乙烯管材的内壁，所述成型管模用于成型所述超高分子聚乙烯管材的外壁，所述冷却装置200提供55℃～85℃的冷却温度使得所述成型管模160与所述芯模140的温度保持相同。在所述成型管模、所述芯模和所述冷却装置的相互配合下，所述超高分子聚乙烯物料在成型为管材时，所述成型管模和所述芯模均能使其间的物料降温，提高管材内外温度的均匀性，有效避免成品超高分子聚乙烯管材表面，尤其是内壁的缺陷、壁厚不均匀、表面不光滑甚至开裂等问题，在提高生成效率的同时使生产的超高分子聚乙烯管材良品率大大提高。本申请通过液压系统实现超高分子聚乙烯物料的挤出，液压系统能够提供更大的推动力，更适合于流动性相对较差的超高分子聚乙烯的物料的推动。

超高分子聚乙烯管材生产设备还包括加热装置(图中未示出)，加热装置用于塑化挤出系统和主模具120的加热。加热装置可分别对塑化挤出系统和主模具120的不同位置进行分段加热，使塑化挤出系统和主模具120形成不同的温度区间，每个温度区间的加热温度可根据需要进行单独设定。加热的方式可采用液体加热、蒸汽加热、电加热、远红外加热等多种形式。在一实施例中，加热装置包括用于对主模具120和料筒40的外壁加热的发热圈(图中未标出)，发热圈缠绕在主模具120和料筒40的外部或是设置在主模具120和料筒40的内部。

为了提高超高分子聚乙烯管材良品率，沿物料前进的方向，塑化挤出系统按照加热装置对其不同位置的加热温度可依次分为加料区、融熔区、第一均化区、第二均化区、第三均化区和接头区六个不同温度加热段。在一实施中，沿物料前进的方向，加料区为料筒40的前1/4段～1/3段，融熔区为料筒40的中间1/4段～1/3段，均化区为料筒40的后1/4段～1/3段，均化区又按照温度不同分别为第一均化区、第二均化区和第三均化区。相邻的两个区段之间存在相同或不同距离的间隔，接头区为料筒40与主模具120的连接部分。不同区段的料筒40外部或内部设置不同的能单独控制的发热圈。在一实施例中，加料区、融熔区、均化区、接头区的温度依次增大。在一实施例中，加料区的发热圈加热温度可为215℃～220℃，融熔区的发热圈加热温度可为220℃～225℃，所述第一均化区的发热圈加热温度为225℃～230℃，所述第二均化区的发热圈加热温度为230℃～235℃，所述第三均化区的发热圈加热温度为235℃～240℃，接头区的发热圈加热温度可为240℃～245℃。

在一实施例中，超高分子聚乙烯管材生产设备还包括加料装置，加料装置对应塑化挤出系统的加料区设置，包括料斗30，通过料斗30向生产设备中投料，投进的超高分子聚乙烯原料进入塑化挤出系统加料区的料筒40中，在液压系统和推杆60的配合下进行塑化挤出。

液压系统可包括电机10、油缸20等，电机10、油缸20和推杆60依次连接，将液压能转变为运动能，实现推杆的往复直线运动。

主模具120包括外模套122和套设在外模套122内部的分流锥124，所述分流锥124的尖部朝向所述塑化挤出系统，外模套122与分流锥124之间为物料流通的通道，使物料从塑化挤出系统进入芯模140和成型管模160之间。物料通过分流锥124的分流出料，可避免成型系统内存料太多、出料不均导致的管材壁厚不一，公差过大，成品表面有缺陷等问题，减少漏料、产出不良品与报废品的几率，同时减弱了模具型腔的背压，改善了因挤出过程中产生的背压导致成品表面的划痕、拉伤、黑点等问题，大大降低了生产成本。优选的，分流锥124的锥度为50度～55度。外模套和分流锥可以分别为粉体结构组装形成的。

主模具120内腔优选为光滑流线型，沿物料前进的方向，主模具120按照加热装置对其不同位置的加热温度可依次分为第一温度区和第二温度区两个不同温度加热段。在一实施例中，沿物料前进的方向，第一温度区为主模具120的前1/4段～3/4段，第二温度区为主模具120的剩余段，两个区段长度相同或不同，不同区段的主模具120外部或内部设置不同的能单独控制的发热圈。第一温度区的温度大于第二温度区的温度。在一实施例中，第一温度区发热圈加热温度为240℃～245℃，第二温度区发热圈加热温度为235℃～240℃。

为了方便主模具120的拆卸更换，在一实施例中，塑化挤出系统还包括料嘴80，料嘴80连接在主模具120与料筒40之间。料嘴80一头通过法兰接头70与料筒40连接，对应连通料筒40的内孔，另一头，例如通过四方板，与主模具120连接，对应连通主模具120的内孔。料嘴80位于塑化挤出系统的接头区，料嘴80外也设有加热装置，加热温度优选为395℃～400℃。与传统的模具与料筒40的连接方式相比，该连接方法简单，降低了更换过程中设备损坏而导致漏料的几率，同时也避免了因漏料黏到加热装置内部而出现的“短路”漏电现象。

请参阅图2，在一实施例中，芯模140具有空心内腔142，第二冷却元件包括第二冷却循环管路230，空心内腔142与第二冷却循环管路230连通，用于使冷却介质循环通过空心内腔142使芯模140冷却降温。

在一实施例中，成型管模160外壁设有冷却套162，第一冷却元件包括第一冷却循环管路210，冷却套162与第一冷却循环管路210连通，用于使冷却介质循环通过空心内腔142使成型管模160冷却降温。

通入第一冷却循环管路210和第二冷却循环管路230的冷却介质的温度可以相同或不同。在第一冷却循环管路210和第二冷却循环管路230中通入不同温度的冷却介质，使两个冷却循环系统相互独立，有利于对成型管模160和芯模140温度实现单独的控制和条件。在第一冷却循环管路210和第二冷却循环管路230中通入相同温度的冷却介质，使两个冷却循环系统串联，有利于降低成本，简化设备复杂性。

在一实施例中，第一冷却元件和第二冷却元件用于使成型管模160与芯模140的温度保持相同。

在一实施例中，通入第一冷却循环管路210和第二冷却循环管路230的冷却介质为温度在55℃～85℃之间的冷却循环水，冷却循环水与熔体物料存在温度差，通过冷却循环水的不断循环使熔体物料的温度降低至55℃～85℃之间。

第一冷却循环管路210、第二冷却循环管路230的材质为不锈钢高温软管。

请参阅图3，芯模140的空心内腔142中设有隔板144，隔板144在芯模140的空心内腔142中隔离出远离主模具120的密闭腔室146，用于使冷却介质限制在密闭腔室146内，避免通过芯模140成型的物料过早冷却。优选的，密闭腔室146的长度占芯模140长度的2/3～4/5。隔板144的材质可选为不锈钢，更优选的，为304不锈钢。

超高分子聚乙烯管材的壁厚与冷却段的长度之间存在一定比例关系。优选的，芯模140的长度可根据产品的内径大小、壁厚来确定。产品的壁厚越厚，芯模140的长度越长。在一实施例中，芯模140的长度为l，成型管模160的内径为R，芯模140的外径为r，l:(R-r)/2为10:1～3:4。

进一步的，成型管模160的长度过长，还会导致超高分子聚乙烯管材在挤出过程中产生背压，导致成品表面有划痕、拉伤、黑点等问题出现。优选的，成型管模160的长度为L，成型管模160的内径为R，芯模140的外径为r，L:(R-r)/2为20:1～3:4。

另外，芯模140外壁与成型管模160内壁的光滑度对成品也有影响。芯模外壁和成型管模内壁具有较高的光滑度，可降低模具型腔的背压，不会拉伤模具导致产品缺陷，提高成品率，使成品的表面与内部更光滑。在一实施例中，成型管模160内壁与芯模140外壁表面具有光滑的不黏料保护层。优选的，不黏料保护层为高温油漆层或电镀层，可提高芯模外壁和成型管模内壁的光滑度。

请参阅图1，该生产设备包括牵引装置300沿物料前进的方向，牵引装置300设在成型模具160后面，牵引装置300用于提供牵引动力和牵引速度将初步成型的超高分子聚乙烯管材从成型系统中牵引出来。

牵引装置300包括传动装置、辊筒压紧装置和刹车制动装置，通过刹车制动装置调节辊筒压紧装置夹紧管材的松紧程度，增大摩擦力，为没定型的熔体提供压力，使管材结构更紧密，同时调节管材的壁厚及偏心度来减小管材的外径公差。

超高分子聚乙烯管材生产设备还包括切割装置400，切割装置400安装在牵引装置300出口后面，用于超高分子聚乙烯管材的切割成段。切割装置优选为带锯床，带锯床底部焊接轮子和轨道，可在生产过程中一边挤出一边切割，不会夹弯锯条，并且分切的管材成品表面两端更平整。

控制系统50包括电器仪表和执行机构，用于在生产过程中实现对推杆60运动速度以及整个生产设备的温度、压力、流量和制品质量等参数的自动控制。

本发明实施例还提供一种超高分子聚乙烯管材的制造方法，包括以下步骤：

S20，将物料在塑化挤出系统中加热塑化；

S40，将塑化挤出系统中塑化的物料经过挤出结构挤出进入成型系统的芯模和成型管模之间，所述成型管模套设在所述芯模外；以及

S60，通过冷却装置提供55℃～85℃的冷却温度使成型管材外壁和内壁同时降温定型，在所述成型管模和所述芯模之间形成所述成型管材。

超高分子聚乙烯管材的制造方法的实施例可采用上述任一实施例的超高分子聚乙烯管材生产设备，也可采用其他能够实现该方法的产设备进行实施。

在一实施例中，步骤S20中，通过所述塑化挤出系统的加热使物料塑化的步骤中，所述塑化挤出系统可分为六区进行加热。具体的，沿物料前进的方向，所述塑化挤出系统依次分为温度不同的加料区、融熔区、第一均化区、第二均化区、第三均化区和接头区。在一实施例中，所述加料区的加热温度为215℃～220℃；所述融熔区的加热温度为220℃～225℃；所述第一均化区的加热温度为225℃～230℃；所述第二均化区的加热温度为230℃～235℃；所述第三均化区的加热温度为235℃～240℃；所述接头区的加热温度为240℃～245℃。

在一实施例中，使所述塑化的物料挤出进入成型系统的步骤包括，启动电机10带动推杆60往复直线运动，利用推杆60的推动将所述塑化的物料挤出。

在一实施例中，步骤S40，挤出结构可以为上述超高分子聚乙烯管材生产设备中的主模具。所述将塑化挤出系统中塑化的物料经过挤出结构挤出进入成型系统的芯模和成型管模之间的步骤还包括，对所述挤出结构分两区进行恒温加热，使所述物料保持一定黏度成型。具体的，沿物料前进的方向，所述挤出结构依次分为第一温度区和第二温度区。在一实施例中，所述第一温度区温度为240℃～245℃，所述第二温度区温度为235℃～240℃。

在一实施例中，挤出结构形成环形锥状通道，所述环形锥状通道的尖部朝向所述塑化挤出系统，所述塑化的物料通过所述环形锥状通道以锥形分流的形式挤出进入所述成型系统的芯模和成型管模之间。在一实施例中，所述锥形分流的锥度可以为50度～55度。例如，主模具作为该挤出结构，包括外模套和套设在所述外模套内部的分流锥，外模套与所述分流锥之间作为该环形锥状通道。

步骤S60中，通过冷却装置提供55℃～85℃的冷却温度使成型管材外壁和内壁同时降温定型的步骤中，所述冷却装置中冷却介质的温度为55℃～85℃。

优选的，通过控制第一冷却元件和第二冷却元件的温度，使所述成型管材外壁和内壁以相同速度降温定型。

所述制造方法进一步包括步骤S70和步骤S80：

S80，通过所述牵引装置的牵引拉力使所述管材从所述成型模具中拉出，同时调节所述刹车座夹紧所述管材，调节所述管材的外径公差；以及

S90，用卡尺测量长度，启动所述切割装置切割所述管材。

步骤S70中，所述牵引拉力的大小为594N～810N；所述使挤出成品的结构紧密，同时调节所述管材的外径公差的步骤包括通过调节刹车座的刹车条松紧而夹紧所述管材，同时通过调节刹车的松紧调节所述管材的壁厚及偏心度来减小所述管材的外径公差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。