双向自增强PVC管材布管扩胀机理及装备的研究

论文摘要

高弹态聚合物在外力作用下可以产生大的弹性变形,使材料内部分子链取向,材料在应力方向上的宏观力学性能大幅提高。本文通过布管扩胀法制得扩胀比为1.26的自增强管材,其环向拉伸强度和拉伸弹性模量比未取向的普通塑料管材有大幅提高,其中前者增幅约30%,后者增幅达50-100%,可省原料20%以上。当扩胀比增加,在相同外径和承压能力下,自增强管可以有效节省原料30%以上。本文研究了PVC管材的布管扩胀机理,并通过布管扩胀方法制备了PVC-O取向管材。研究表明,影响扩胀的主要参数为扩胀温度、加热时间、扩胀压力、保压时间、扩胀比等。本文通过数值计算和FLUENT软件计算了理论加热时间和充气保压时间,同时通过大量实验获得PVC-O管材的布管连续扩胀的最佳工艺参数为：加热温度140℃,加热时间5min,充气压力0.65MPa,充气时间5s。理论上,在材料高弹态温度范围且加热均匀的情况下,低温高压、高扩胀比、快速冷却定型有利于获得高取向高性能的管材。本文创新之处在于根据前人设计的扩胀装置实现了PVC双向自增强管材的连续扩胀,在工艺上确定了最佳扩胀条件,并能比较精确地控制各工艺参数。本文应用布管内压扩胀方法,在不同参数条件下,对PVC-U管进行间歇式和连续式扩胀,获得一系列PVC-O管。对这些扩胀管进行外形尺寸和力学性能测试,结果证明采用布管内压扩胀法可以得到外观均匀、管径稳定的扩胀管。由于材料的取向作用,管材的环向拉伸强度和拉伸弹性模量都有大幅提高。但是作为代价,扩胀管的断裂伸长率有一定程度的降低。材料的环向拉伸强度和弹性模量的增长幅度与管材的取向度有关,管材的取向度与扩胀比直接相关。本文初步探索了用超声波声速法测管材取向度的方法,测试结果显示被测样品的扩胀比增加,超声波通过该样品的声速增加。利用此结论可以进一步获得超声波在材料中的声速与材料取向度的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 塑料管材自增强技术的提出
• 1.1.1 塑料管材的特点及应用前景
• 1.1.2 普通塑料管材的不足
• 1.1.3 塑料的性能改进技术
• 1.2 双向拉伸成型技术的应用及发展
• 1.2.1 超拉伸纤维技术
• 1.2.2 双向拉伸薄膜技术
• 1.2.3 双向拉伸中空容器技术
• 1.2.4 双向拉伸塑料管材技术
• 1.3 论文选题的目的和意义
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 1.5 本课题研究的难点
• 第二章 PVC管材扩胀机理
• 2.1 聚合物的取向机理
• 2.1.1 聚合物取向的概念
• 2.1.2 聚合物的取向结构
• 2.1.3 聚合物的取向条件
• 2.1.4 取向度
• 2.2 聚合物的取向分类
• 2.2.1 按照是否存在拉伸应力场分类
• 2.2.2 按照取向温度分类
• 2.2.3 按照取向维数分类
• 2.3 PVC管材的扩胀机理
• 2.3.1 PVC材料特性
• 2.3.2 PVC管材增强方法
• 2.3.3 PVC管材扩胀机理
• 2.4 PVC管材扩胀的主要工艺参数
• 2.4.1 加热温度
• 2.4.2 加热时间
• 2.4.3 充气压力
• 2.4.4 充气时间
• 2.5 小结
• 第三章 PVC管材间歇扩胀实验
• 3.1 实验材料
• 3.2 间歇性扩胀实验装置
• 3.2.1 甘油加热器
• 3.2.2 充气杆
• 3.2.3 布管结构
• 3.2.4 定径模具
• 3.3 一次扩胀实验
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 一次扩胀实验数据与分析
• 3.3.3 外径收缩率测试实验
• 3.4 二次扩胀实验
• 3.4.1 二次扩胀不搭接实验
• 3.4.2 二次扩胀搭接1/2实验
• 3.4.3 二次扩胀实验数据与分析
• 3.5 环向力学性能测试实验
• 3.5.1 拉伸夹具及试样
• 3.5.2 环向力学性能测试实验
• 3.5.3 数据分析
• 3.6 PVC管材取向前后显微结构
• 3.7 PVC-O管材的减薄效果
• 3.8 小结
• 第四章 PVC管材连续性扩胀装置及实验
• 4.1 实验材料
• 4.2 连续性扩胀实验装置
• 4.2.1 牵引装置
• 4.2.2 加热装置
• 4.2.3 定径装置
• 4.2.4 充气装置
• 4.2.5 控制台
• 4.2.6 其他组件
• 4.3 连续扩胀实验
• 4.3.1 理想连续扩胀过程
• 4.3.2 连续扩胀工艺参数
• 4.3.3 实验结果与分析
• 4.4 小结
• 第五章 超声波测取向度的方法探索
• 5.1 超声波简介
• 5.2 超声波检测原理
• 5.2.1 超声波检测方法
• 5.2.2 超声波图像处理方法
• 5.3 超声波测取向度方法探索
• 5.3.1 超声波测取向度原理
• 5.3.2 超声波测取向度方案
• 5.3.3 测试结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 6.1 本课题完成的工作
• 6.2 存在的不足及有待继续研究的方向
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件