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大口径塑料管道喷流堆砌成型机理与技术研究

邹伟  
【摘要】:本文研究了塑料管道尤其是大口径塑料管道喷流堆砌成型机理及技术。在分析传统大口径塑料管道成型技术(挤出成型和缠绕熔接成型)基础上,结合增材制造技术和压延成型原理,率先提出一种大口径塑料管道喷流堆砌成型新技术,研制出塑料管道喷流堆砌成型装置,并由该装置成型了直径为400~500mm的大口径管道。本文首先综述了传统大口径塑料管道应用场合、其成型技术的发展现状、存在问题及发展趋势。针对传统大口径管道成型技术存在的问题,结合压延成型技术及增材制造技术,提出一种大口径塑料管道成型新技术——喷流堆砌成型:由挤出机提供的具有一定压力和温度的塑料熔体经由喷嘴喷流到压延辊与管胚约束的空间内,通过喷嘴埋入已形成的管胚中产生喷流熔接作用和局部压延辊的压延作用,螺旋缠绕成型连续致密、具有尺寸精度的大口径塑料管道。本文根据该原理研发出喷流堆砌成型装置,该装置由挤出机、压延定径装置、管径调整机构、机械传动系统和控制系统组成。本文分析了管道喷流堆砌成型的机理,建立了物理模型,同时根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和聚合物本构方程建立了数学模型,并根据假设和边界条件求解出喷流堆砌过程中塑料熔体的速度分布和温度分布,揭示了喷流堆砌过程中关键工艺参数对管道制品结构与性能的影响,为指导设备改进与工艺调试奠定基础。通过对喷流堆砌成型管道进行相关力学性能测试(包括拉伸性能、冲击性能和环刚度等)、热性能测试和微观形貌,分析了工艺参数对制品结构与性能的影响规律,并与利用传统方法用相同原料成型的管材相比较,分析管材喷流堆砌成型的特点和优势,为推广管道喷流堆砌成型工艺提供重要实验数据和技术支持。对影响喷流堆砌成型的关键工艺参数如压延速度、挤出机螺杆转速、熔体压力、熔体温度、熔体喷流速度和螺旋堆砌螺距等进行了分析,通过对关键工艺参数的分析来找出喷流堆砌成型管道的最优参数,为指导实际工业生产提供理论依据。本文对喷流堆砌成型管制品的性能测试进行了分析,结果表明通过本工艺方法成型的大口径管道相关性能优于传统方法成型的,其中冲击性能为挤出成型管的1.75倍以上,环刚度超过国标SN2级别25%以上。从而进一步证明了本工艺方法的优越性:无模成型、柔性成型、工艺简单、成本低、制品质量好等优点。最后,本文对喷流堆砌成型聚合物管道机理及技术做了进一步总结和展望,为进一步改进该技术提出相关建议,进而为该技术的工业化推广奠定一定基础。


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