（化工过程机械专业论文）准动态扩张双轴取向pvc管材取向度的研究.pdf

学位论文数据集 学位论文数据集 中图分类号 t q 3 2 5 3 学科分类号4 3 0 5 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 7 7密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名上官洲鑫学号 2 0 0 9 0 0 0 6 7 7 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选研究方向非金属材料成型理论与设备 论文题目 准动态扩张双轴取向p v c 管材取向度的研究 关键词 p r c - 0 ，取向度，超声波，瑞利波 论文答辩日期2 0 1 2 5 2 6 木论文类型开发研究 学位论文评阋及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师吴大鸣研究员北京化工大学 聚合物工程 评阅人1刘颖副研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人2张亚军研究员北京化工大学微纳制造 中国石化总公司 答辩委员会主席赵月云高工聚合物加工 北京化工研究院 答辩委员1 薛平研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员2 何继敏副研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员3 金志明副研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员4 何亚东研究员 北京化工大学聚合物工程 答辩委员5 刘颖副研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员6 任冬云 副研究员 北京化工大学聚合物工程 答辩委员7 闫宝瑞 高工 北京化工大学 机电控制 答辩委员8 李庆春研究员北京化工大学 聚合物工程 答辩委员9 刘广建 高工 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1 0 王克俭副研究员北京化工大学 聚合物工程 答辩委员l l 赵中里讲师北京化工大学 先进模具技术 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 准动态扩张双轴取向p v o 管材取向度的研究 摘要 p v c 一0 管材环向的取向程度与p v c 一0 管材的宏观力学性能密切相 关。管材在环向的取向程度越高，管材的力学性能越好。因此，p v c 一0 管材取向度的表征对于p v c 一0 管材的生产研究具有很重要的现实意 义。 针对目前p v c 一0 管材环向取向度在线测试的空白，本文将无损检 测领域中瑞利波的性质合理的与声速法测量纤维取向度的相关原理 相结合，提出了瑞利波测量p v c 一0 管材环向取向度的方法。并通过瑞 利波测试结果与离线的纵波测试结果相比较，验证了瑞利波测试管材 环向取向度的可行性。通过进一步的研究，对管材环向取向的均匀程 度做了进一步分析。主要工作总结如下： 1 提出了瑞利波测试管材环向取向度的方法并设计相关的实验 方案。通过设计相应的辅助装置成功的采集到瑞利波沿管材环向传播 的信号。确定瑞利波速度的计算方法。瑞利波沿管材环向的传播速度 与瑞利波在径向的传播深度有：关。 2 利用离线的纵波测试对瑞利波测试法进行可行性分析。实验 结果表明，瑞利波可以良好的适用于p v c 0 管材环向取向度测试。在 实验过程中确定了瑞利波测试过程中相关的参数。对管材在环向的取 向程度进行分析。 j 北京化工大学硕士学位论文 3 、配合有关单位搭建实验平台，为其提供具体的测试方案、测 试要求以及配套的实验台测试装置。对前期完成的纵波测试系统进行 具体的测试评价，利用商业的超声波测试仪与有关单位设计的测试系 统分别对挤出的样条进行测试，比较测试结果，分析测试系统的测试 效果。 关键词：p v c 一0 ，取向度，超声波，瑞利波 a b s t r a c t s t u d yo no r i e n t a t i o nd e g r e ed e t e c t i o no f b i a x i a l l yo r i e n t e dp v c op i p e s a b s t r a c t t h eh o o po r i e n t a t i o nd e g r e eo fp v c 一0p i p e sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e m a c r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep i p e s t h eh i g h e ro r i e n t a t i o nd e g r e e a l o n gt h eh o o pd i r e c t i o nm e a n st h eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e p v c - 0p i p e s d u et ot h i sr e a s o n ，t h ec h a r a c t e r i z a t i o na l o n gt h eh o o p d i r e c t i o nh a v eav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ep r o d u c t i o n o fp v c 一0 p i p e s i nv i e wo ft h eb l a n ko ft h eo n l i n ed e t e c t i o no ft h eh o o po r i e n t a t i o n d e g r e eo fp v c - 0p i p e s ，t h i sa r t i c l ew i l li n t r o d u c et h er a y l e i g hw a v eo f n o n - d e s t r u c t i v ef i e l dt ot h eo r i e n t a t i o nd e t e c t i o no ff i b e rb yt h es o u n d v e l o c i t ym e t h o d ，a d v a n c et ou s er a y l e i g hw a v e st od e t e c tt h eh o o p d i r e c t i o no ft h ep v c 一0p i p e s t h em e t h o di sv e r i f i e db yt h er e s u l t s c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eo f f - l i n el o n g i t u d i n a lw a v ed e t e c t i o na n dr a y l e i g h w a v ed e t e c t i o n w i t ht h eg r o w i n ga c k n o w l e d g m e n to ft h er a y l e i g hw a v e d e t e c t i o n ，t h eu n i f o r mo ft h eo r i e n t a t i o na l o n gt h eh o o pd i r e c t i o nw i l lb e s t u d y t h ep r o c e s so ft h ep r e p a r a t i o nc o n s i s t e do f 1 an e wm e t h o df o rt h eo r i e n t a t i o nd e g r e ed e t e c t i o na l o n gt h eh o o p 北京化工大学硕士学位论文 d i r e c t i o nb yr a y l e i g hw a v ew a sd e s i g n e da n dd e t e r m i n et h ed e t e r m i n e t h e s p e c i f i ce x p e r i m e n t a lp r o g r a m s u c c e s s f u l l yg e tt h es i g n a l o f r a y l e i g hw a v ep r o p a g a t e da l o n gt h eh o o pd i r e c t i o nb yt h ea p p r o p r i a t e a s s i s t i v ed e v i c e sd e s i g n d e t e r m i n et h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h es p e e d o fr a y l e i g hw a v e t h es p e e dh a sr e l a t e d 、析mt h ep r o p a g a t i o nd e p t hi n t h er a d i a ld i r e c t i o no f r a y l e i g hw a v e 2 a n a l y s i st h ef e a s i b i l i t yo fr a y l e i g hw a v ed e t e c t i o nb yt h es p e e d c o m p a r i s o n b e t w e e nt h eo f f - l i n e l o n g i t u d i n a l w a v ed e t e c t ：i o na n d r a y l e i g hw a v ed e t e c t i o n t h er e s u l ts h o w st h er a y l e i g hw a v ed e t e c t i o n h a sg o o da d a p t i v e n e s st ot h eo r i e n t a t i o nd e g r e ed e t e c t i o no fp v c op i p e s d e t e r m i n et h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h er a y l e i g hw a v ed e t e c t i o nd u r i n g t h ee x p e r i m e n t a n a l y s i st h eu n i f o r m i t yo ft h eh o o po r i e n t a t i o no ft h e p v c - o p i p e s 3 i nc o l l a b o r a t i o nw i t hr e l e v a n tu n i t st os e tu pt h ee x p e ：r i m e n t a l p l a t f o r n lt op r o v i d eas p e c i f i cd e t e c t i o nm e t h o d ，d e t e c t i o nr e q m r e m e n t s a n ds u p p o r tt h er e l a t e dd e t e c t i o ne q u i p m e n t e v a l u a t et h el o n g i t u d i n a l w a v ed e t e c t i o ns y s t e m d e t e c tt h ee x t r u s i o ns a m p l e sb yt h eu s eo f c o m m e r c i a lu l t r a s o n i ct e s t e ra n dt h et e s t e rd e s i g n e db yr e l a t e ：du n i t s ， c o m p a r et h es p e e dt oa n a l y z et h er e s u l t so f t h es y s t e m k e y w o r d s ：p v c 0 ，o r i e n t a t i o nd e g r e e ，u l t r a s o n i c ，r a y l e i g hw a v e v 目录 目录 第一章绪论1 1 1p v c 管材研究现状1 1 1 1p v c 管材的成型加工( p v ：0 ) 2 1 。1 2 p v c 管材的改。i 蜘i ( p v c ，m ) 3 1 2p v c 0 管材拉伸取向自增强机理3 1 3p v c 一0 管材准动态取向加工方法5 1 4 高分子材料的取向度测试7 1 4 1 声速传播法7 1 4 2 红外二向色性法测定取向度8 1 4 3p v c 0 管材取向度表征8 1 5 本论文研究目的、意义及内容1 0 第二章瑞利波测试管材环向取向度的提出11 2 1 超声波的传播1 1 2 2 超声脉冲波1 4 2 3 超声波的衰减【翊1 5 2 4 超声波测试在聚合物中的应用1 5 2 5 瑞利波测试管材环向取向度的提出1 6 2 5 1 超声波的选择1 6 2 5 2 探头的选择1 8 2 6 p v c 一0 管材的环向取向度测试方法2 0 2 7 本章小结2 1 第三章p v c 一0 管材的环向取向度测试实验及取向度计算2 3 3 1 实验原料 3 2 实验设备与仪器 3 2 1 超声波测试仪 3 2 2p v c 一0 管材的环向取向度测试装置的设计 3 3 实验方法 3 3 1 瑞利波测试步骤 3 3 2 纵波测试与瑞利波测试对比实验 3 3 3 管材扩张均匀度试验 3 3 4 取向度计算 3 4 测试结果与分析 3 4 1 纵波测试结果及分析 v 2 3 2 4 2 4 2 6 2 8 2 8 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 北京化工大学硕士学位论文 3 4 2 瑞利波测试结果与分析 3 4 3 纵波测试结果与瑞利波测试结果对比分析 3 4 4 扩胀均匀度测试结果与分析 3 5p v c 0 管材的环向取向度计算 3 6 小结 第四章p v c - o 管材取向度测试平台4 1 4 1 超声波测试装置 4 2 超声波测试平台硬件设计原理 4 2 1 超声波激励电路一 4 2 1 超声波接收电路一 4 3 超声波测试平台软件部分 4 4 纵波超声波测试平台的实验验证 第五章总结5 3 5 1 结论5 3 5 2 进一步工作展望5 3 参考文献5 3 致谢5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 9 作者和导师简介6 1 v 1 5 6 9 o 3 3 3 3 4 2 3 4 6 6 8 4 4 4 4 4 4 c o n t e n t s _ 一 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e a s e a r c hs i t u a t i o no f p v cp i p e s 1 1 1 1f o r m i n gt e c n o l o g yo f p v cp i p e s ( p v c - o ) 2 1 1 2i m p r o v e m e n t t e c h n o l o g yo f p v cp i p e s ( p v c - m ) 3 1 2t h e o r yo fs e l f - r e i n f o r c e db yo r i e n t a t i o np r o c e s s i n go f p v c op i p e s 3 1 3q u a s i d y n a m i co r i e n t e dp r o c e s s i n gm e t h o d so f p v c op i p e s 5 1 4t h eo r i e n t a t i o nd e g r e et e s t sf o rp o l y m e r 7 1 4 1t h es o u n dv e l o c i t ym e t h o d 7 14 2i n f r a r e dd i c h r o i s m 8 1 4 3t h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h eo r i e n t a t i o nd e g r e ef o rp v c - op i p e s 1 5s i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i s 一 一8 1 0 c h a p t e r2 i n t r o d u c t i o no fr a y l e i f g h w a v ed e t e c t i o nf o rt h ep v c _ o p i p e s 1 1 2 1t h ep r o p o g a f i o no f u l t r a s o n i c 1 1 2 2t h e p u l s eo f u l t r a s o n i c 1 4 2 3t h ea t t e n u a t i o no f u l t r a s o n i c 3 7 。i 一1 5 2 4u l t r a s o n i ca p p l i c a t i o ni np o l y m e rd e t e c t i o n 1 5 2 5i n t r o d u c t i o no f r a y l e i g hw a v ed e t e c t i o n 一1 6 2 5 1t h ec h o i c eo f u l t r a s o n i c 1 6 2 5 2t h ec h o i c eo f p r o b e 1 8 2 6t h em e t h o dt od e t e c tt h eh o o po r i e n t a t i o nf o rp v c op i p e s 2 0 2 7b r i e fs u m m a r y c h a p t e r3t h ee x p e r i m e n to ft h eh o o p o r i e n t a t i o nd e t e c t i o nf o r p v c - o p i p e s 一2 3 3 1m a t e r i a l s 2 3 3 2e q u i p m e n t s 2 4 3 2 1t h eu l t r o s o n i ct e s t e r 2 4 3 2 2t h ed e v i c ed e s i g nf o rt h eh o o po r i e n t a t i o nd e t e c t i o no fp v c - op i p e s 2 6 3 3e x p e r i m e n tm e t h o d 2 8 3 3 1t h es t e po f r a y l e i g hw a v ed e t e c t i o n 2 8 3 3 2t h ec o m p a r i s o nd e t e c tb e t w e e nr a y l e i g hw a v ea n dl o n g i t u d i n a lw a v e 2 9 v i i 北京化工大学硕士学位论文 3 3 3t h eu n i f o r m i t yd e t e c to f t h ep i p e s 3 3 4t h ec a l c u l a t eo ft h eo r i e n t a t i o nd e g r e e 3 0 3 0 3 4r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 一3 0 3 4 1t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f i o n g i t u d i n a lw a v e 3 0 3 4 2t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f r a y l e i g hw a v e 。3 1 3 4 3t h er e s u l t sc o m p a r i s o na n da n a l y s i s 3 5 3 4 4t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f u n i f o r m i t yd e t e c t 3 6 3 5t h ec a l c u l a t i o nf o rt h eo r i e n t a t i o nd e g r e e 3 9 3 6 b r i e f s u m m a r y 4 0 c h a p t e r 4t h ed e t e c t i o np l a t f o r mf o ro r i e n t a t i o no fp v c _ op i p e s 4 1 4 1t h ed e v i c ef o ru l t r a s o n i cd e t e c t i o n 4 2 4 2t h ed e s i g np r i n c i p l e so f t h eh a r d w a r e 4 3 4 2 1i n c e n t i v e sc i r c u i to f u l t r a s o n i c 4 4 4 2 1r e c e i v e rc i r c u i to f u l t r a s o n i c 4 6 4 3t h es o f t w a r e o f t h e p l a t f o r m q o 4 4e x p e r i m e n t 4 8 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n sa n dr e s e r a c hp r o s p e c t s 5 3 5 1c o n c l u s i o n s 5 3 5 2 r e s e a r c h p r o s p e c t s 5 3 r e g f e r e n c e s 5 5 _ ， a c k n o w l e d g m e n t s 5 7 a c h i e v e m e n t s 5 9 b i o g r a p h y 6 1 符号说明 表征符号 f v u v d a 1 a 2 山 f ek l ei q - c i l c 2 l c 2 t 入r p q q a qb d r sv l n 符号说明 物理意义 取向度( 超声波) 未取向材料声速 取向材料声速 红外二向色性比 红外偏振光与取向方向平行时的吸光度 红外偏振光与取向方向垂直时的吸光度 瞬时偶极矩跃迁于分子链主轴夹角 取向度( 红外二向色性法) 第一临界角 第二临界角 液体中纵波波速 固体中纵波波速 固体中横波速的 波长 声压尸庄 衰减系数 吸收衰减系数 散射衰减系数 实测范围中径( 直径) 管材外径 传播深度 传播距离 旋转角度 d b c m d b c m m m m m m m m m 0 位 一厶厶一伽一。 一。厶瓜厶m增靴i竺然。一：黩黧陌 第一章绪论 1 1p v c 管材研究现状 第一章绪论 塑料管材的发展始于上个世纪3 0 年代的德国，与传统的管材相比【1 ，2 j ，一方 面，塑料管材具有质量轻、耐腐蚀、安装方便等诸多优点，在另一方面，塑料管 材具有较好的韧性，在传统自然灾害发生时不容易产生破环。随着塑料管材生产 技术的不断创新，塑料管材已经广泛的应用于社会生产活动中的各个领域。在市 政工程和建筑业领域，排水管、输水管、雨落管、输气管和电工套管已经大量使 用聚氯乙烯管、聚乙烯管、改性聚丙烯管等塑料管材；在农业领域，低压管输水 灌溉技术、塑料管机井井灌技术、喷灌和微灌溉技术也都离不开塑料管材的应用， 具有很大的市场发展空间。 p v c 管材是世界上生产量和消费量最大的塑料管材，其在美国消费量的增长 速度约为7 ，具有强度高、抗腐蚀性、防渗透性、柔韧性好等优点【3 1 。最早的 p v c 管材是由德国的b i t t e r f e l d 公司开发生产，我国的p v c 管材生产始于2 0 世纪 6 0 年代，至今已有5 0 多年的发展历史，广泛的应用于各个领域。从产量方面讲 h 】，2 0 0 9 年，我国的塑料管材的产量约为5 8 0 万吨，p v c 管材的产量和消费量大 约占到塑料管材总产量的6 0 左右，这个比例远远低于发达国家的p v c 管材的消 费水平。在生产原料方面，随着国际油价的飞涨，聚烯烃管材的发展受到严重的 影响，成本不断提高，而p v c 管材的生产是以石油或者煤为原料，而我国是一个 富煤少油的国家，因此，以煤资源开发p v c 管材系统在我国的发展优势更为明显。 在技术工艺方面，近些年来，随着p e 管材技术的发展以及环境保护组织对于p v c 管材中氯元素的质疑，使得p v c 管材的发展受到严重的挑战。然而，在国外发达 国家，随着p v c 管材生产技术以及加工工艺的创新，p v c 管材的使用量仍然呈稳 步增长的态势，此外，技术的创新也大大的提高p v c 管材的经济效益以及产品的 性能，拓展了p v c 管材的应用领域。由此可见，p v c 管材未来还会在塑料管材市 场中占据主导地位。 目前，国内p v c 管道的发展存在着诸多问题。国内生产加工p v c 管材的技 术落后，创新不足，生产出的产品质量差。此外，相当一部分人认为p v c 管材的 发展已经进入末期，不再对p v c 管材的生产工艺、配方等进行深入的研究，也使 得我国p v c 管材的加工技术水平远远落后于国外发达国家。实际上，p v c 管材的 发展仍旧具有十分广阔的前景。目前，聚氯乙烯管材的发展方向主要有两个方面。 其一，是通过开发创新的p v c 管材配方。新的配方在提高p v c 管材韧性的同时， 北京化工大学硕士学位论文 保持p v c 管材原有的强度高、抗腐蚀性等优点，从而大大提高了p v c 管材抵抗 外界载荷所产生的破坏的能力。其二，通过加工方式的改变，对管材取向加工。 取向过程不仅有效节省了原料，降低了生产成本，还大大提高了管材的韧性。发 达国家通过技术创新在很大程度上提高p v c 管材的性能，尤其：是利用取向加工的 方法对p v c 管材进行取向加工。我国塑料管材在建筑、市政及工业领域应用十分 广泛。因此，提高管材的性能，降低管材成本具有十分重要的意义。采用拉伸取 向自增强工艺可以使p v c 管材原材料用量减少2 0 以上( 在耐压等级不变的前 提下) ，若3 0 的聚氯乙烯管材采用本技术，则每年可节约聚氯乙烯树脂1 9 5 万吨，价值超过2 0 亿元。该技术还可以推广到双向拉伸自增强聚烯烃管材的生 产上。我国近年聚烯烃管材的年产量达2 0 0 万吨，若3 0 采用本技术，则每年 可节约聚烯烃树脂1 8 万吨，价值超过2 0 亿元。 1 。1 。1p v c 管材的成型加工( p v c o ) 取向加工是使用物理方法，将聚合物加热至高弹态后对其施加外力作用，使 其大分子链的聚集状态发生改变，在微观上就是分子链的取向，在宏观上表现为 材料力学性能的增强。高分子材料的取向通常分为两种类型，一种是晶粒取向， 另一种分子取向。通常情况下，非结晶型高分子材料只有分子取向，而结晶型高 分子材料同时具有分子取向和晶粒取向。p v c 材料属于非结晶型聚合物，因此 p v c 管材的取向加工属于非结晶型高分子材料的取向加工。在加工过程中，同时 对p v c 管材进行轴向的拉伸和环向的扩张可以使得p v c 管材同时在两个方向上 发生取向，因此，经过双向取向加工的p v c 管材称之为双轴取向p v c 管材( p v c o ) ， 取向加工技术在纤维、薄膜以及中空吹塑的加工领域是比较成熟的技术。这 些高分子制品的共同特点就是具有很高的取向程度，以及具有很薄的壁厚。借鉴 取向加工技术在上述领域中的应用，双轴取向聚氯乙烯管材的加工已经具有较为 完善的理论基础并且在国外已经实现了工业化生产f 5 】。在技术研究方面，管材取 向加工技术的研究始于英国，主要研究纤维增强及间歇生产。上个世纪6 0 年代， 英国利兹大学的1 m w a r d 教授对高分子材料拉伸自增强进行了深入的研列6 7 j ， 在研究相应的管材取向加工方法的同时，深入研究研究了p v c 在内的多种高分子 材料的拉伸性能。随后，w a r d 等人在1 9 7 9 年开发了间歇式的口模拉伸技术。目 前，发达国家所使用的最新技术为双轴取向连续口模拉伸技术。在技术研究的基 础上，国外也在工业化生产方面取得了很大的成就。早在2 0 世纪7 0 年代，英国 的约克郡皇家塑料公司就已经研制出了高强度p v c 0 管材【8 ，9 】。此外澳大利亚的 v i n i d e x t u b e m a k e r 公司以及美国的u p o n o r - e t i 公司生产的p v c 0 管材在上个世纪 2 第一章绪论 末期大量的应用于本土市场。在2 0 0 7 年，西班牙的m o l e c o r 公司开发了完全干 法系统对管材进行扩胀，将空气作为媒介进行温度调节和膨胀拉伸取向。该方法 在提高p v c 0 管材的生产效率的同时，将p v c 一0 管材的尺寸加工范围扩大了一 倍，可以加工出最大直径为6 3 0 m m 的p v c 0 管材。此外，该方法以2 ：1 比例 对管材进行扩张，显著的提高p v c 0 管材的取向程度，提高管材的环向力学性能。 国内对p v c 管材的取向加工也进行了多年的研究。四川大学的蒋龙、申开智 等人f l o 】设计了管材环向增强的力n - r 装置，利用该装置的旋转使管材环向取向，杨 明华教授等人【1 2 】研究了p v c 0 管材的成型原理以及装置，获得两项专利技术。 北京化工大学的王克俭1 1 1 使用模头张拉法进行加工，吴大鸣教授【”】提出了借鉴 热收缩管的力n - r 原理，将布管引入到p v c 0 管材的加工当中。然而，国内的发展 趋势总体上并不成熟，和国外相比仍有很大的差距，需要进一步进行更加深入的 研究。 1 1 2p v c 管材的改性加i ( p v c m ) p v c 管材的另一个发展方向是通过改性的方式来提高管材的韧性，从而提高 管材的力学性能。这种加工方法在保证管材强度同时，加工后的p v c m 管材的 壁厚也远小于p v c u 管材的壁厚，可以有效的降低生产成本。然而，改性加工方 法需要在p v c 塑料中加入填料或者纤维，这种做法使得改性后的p v c 塑料的加 工性能大大降低。p v c 塑料的改性加工涉及到p v c 树脂本身的性质、润滑体系以 及稳定体系相互关系，因此，大批量生产产品还需要做进一步的研究。目前，国 内外已经研究了共混增韧、填充改性、纤维增强等多种改性技术，其中，共混增 韧力n - r _ 方式是主要的a n - r 方式【i 4 】。 1 2p v c 0 管材拉伸取向自增强机理 高分子材料的性能与化学结构、分子量、分子量分布以及分子链的凝聚状态 有关，成型过程可以有效地使得分子链的凝聚状态发生变化，可以显著的提高材 料的力学性能。由于成型的过程是在原有材料的基础上改变了其凝聚态结构，因 此，成型加工可以大大的节省原材料，具有很高的经济价值。通常情况下，聚合 物的分子主链结构是由无数个c - c 键重复连接而成的，分子链的横截面极小，长 径比很大，单键的内旋转作用会使得分子内部的能量保持在一个相对稳定的平衡 状态，但也会因此造成分子链具有不同程度卷曲。在特殊的条件下，外力的作用 可以使材料内部的大分子链形成有序排列的取向结构。管材在一定温度条件下， 北京化工大学硕士学位论文 可以使用外力作用控制大分子链的聚集态结构进行加工，这种加工方式是一种较 为常用的聚合物形态控制方法。对于非结晶型聚合物，其取向过程如图1 - 1 所示。 从图中可以看出，在未取向状态下，其分子链都是无规排列的卷曲结构，随着外 力的作用，链段的取向逐步发展为整个分子链的取向，取向后的大分子链呈直线 状。如果可以将这种直线状的结构保存在聚合物产品中，那么这些线状的大分子 链结构将很大程度上改善产品的力学性能，达到增强材性能的效果。从取向的过 程来看，改善材料力学性能的增强相与基体属于同一种材料，没有任何的添加剂， 因此，材料自身的取向加工又可以称之为自增强。依据s t a u d i n g e r 教授的理论i l 5 i ， 分子链的取向程度越高，材料在取向方向上的拉伸模量和拉伸强度也就越高。 ( a ) 未取向 ( b ) 链段取向 ( c ) 分子链取向 图1 - 1 非结晶型高分子材料取向示意图 f i g 1 - 4d i a g r a mo fm o l e c u l a rc h a i no r i e n t a t i o ni nn o n - c r y s t a lp o l y m e l 最大限度提升高分子材料性能的增强改性一直以来都是材料学中研究的一 个焦点问题，白增强的主要方法之一就是通过拉伸取向实现材料的自增强。拉伸 取向是在不添加任何其他助剂和添加剂、不改变材料分子组成的情况下，仅通过 改变材料的聚集态结构，实现材料高性能化的方法。所以该方法是一种环保、低 成本、高效能的自增强方法。除塑料管材以外的几乎所有塑料制品( 丝、薄膜、 片材、中空制品等) 都已应用拉伸自增强工艺和设备进行生产制造。 目前，随着理论技术的研究以及生产水平的完善，管材的取向加工己经有了 较为成熟的理论基础并在首先在国外实现了工业化。p v c 一0 管材的白增强加工就 是上述理论在非结晶型聚合物取向加工中的应用。对处于高弹状态下的p v c 管材 进行轴向的拉伸和环向的扩张，利用取向结构提高其力学性能。在使用相同配方 的条件下，加工后的p v c 管材与传统的硬质聚氯乙烯管材相比，耐压强度和韧性 有了较大幅度的提高。此外，由于拉伸作用，拉伸后的取向管材壁厚减少了3 0 以上，有效节约了原材料，具有很高的经济效益。 4 ，07l，iill 、，j，、ljrllf ，r_l_l_llli 1i，1，l 第一章绪论 1 3p v c 0 管材准动态取向加工方法 p v c 0 管材的加工受限于管材的几何特征，拉伸取向工艺及装备技术难度很 大，其加工技术主要掌握在少数几家外国的公司手中，国内虽然对该技术进行了 一些相关的研究，但总体上仍旧处于起步阶段。北京化工大学吴大鸣教授领导的 科研团队【1 6 ，1 7 】，近年来围绕双向拉伸自增强管材制备的瓶颈问题一一扩张方法和 装备进行了技术创新，提出了扩张方法简单、稳定、可控性强的准动态连续扩张 工艺及方法，见图1 2 。准动态连续扩胀法与高压水成型等方法相比，其扩胀的 装置简单、扩胀均匀。此外，准动态连续扩胀法在加工过程中，对管材内的任意 点上都进行至少两次的扩胀过程