聚四氟乙烯管材及其製造用擠壓機的製作方法
2023-05-26 19:11:46
專利名稱：聚四氟乙烯管材及其製造用擠壓機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種偏厚較小的聚四氟乙烯管材及其製造裝置和方法。
背景技術：
過去，作為聚四氟乙烯管材的製造方法，膏狀物擠壓法已經公知。這種方法是以乳液聚合法獲得的聚四氟乙烯(以下，也稱作「PTFE」)微細粉末中加入稱作擠壓輔助劑的適當的有機溶劑以獲取膏狀物，將該膏狀物預製成圓筒狀而獲得坯料，將該坯料(billet)放入擠壓機中，通過壓頭加壓、經模具擠壓成管狀，之後，通過加熱或萃取等方法除去擠壓輔助劑，經燒成而最終獲得既定的管材(例如，可參照氟樹脂手冊(1990年，日刊工業新聞社刊，裡川孝臣編))。
這種製造方法所使用的壓頭擠壓機，其擠壓管材的前端部分的斷面示意圖如
圖1所示。擠壓機10具有缸體12、主模14以及型孔模16，在由這些部分所形成的空隙18內，與空隙18成同軸地配置有頂杆20以及安裝在該頂杆20上的芯杆22。向擠壓機的上述空隙內供給坯料，以壓頭(未圖示)從圖中的上方向下方進行擠壓，從而從型孔模的環形出口24獲得管材。從該管材中除去擠壓輔助劑並經燒成最終獲得既定的管材。
以這種方法製造聚四氟乙烯管狀成型品時，需要將頂杆20和芯杆22配置成與由缸體12、主模14以及型孔模16所形成的空隙18的中心軸一致。但是，由於不能在芯杆22端部處的型孔模16的出口24處對其進行支承，因此，芯杆22處於在與之連接的頂杆20的下端部受到單端支承的狀態，而頂杆20在上端部受到單端支承。因此，要使芯杆22的中心在型孔模16的出口24的水平附近與型孔模16的中心對準是非常不容易的，實際上，使它們的中心軸實現實質性重合是非常困難的，幾乎不可能做到。因此，目前市售的PTFE管材，特別是直徑較大的管材(例如內徑在10mm以上)，其壁厚存在著很大的分散性。即，從管材的垂直於長度方向的斷面來看，存在著管材在徑向上的厚度(壁厚)隨其徑向位置的不同而不同的偏厚現象。
發明的公開因此，本發明所要解決的問題是使通過對PTFE膏狀物進行擠壓成型而製造出的管材成型品的偏厚度在最小限度內。
發明人為解決上述問題而進行銳意研究後發現，將芯杆的至少一部分設計成這樣的尺寸，即，在擠壓時的壓力的作用下產生撓曲，可使之具有在擠壓機的芯杆的出口處自動進行對心(即使芯杆與型孔模的中心軸重合)的功能，由此，可使上述問題得到解決。
一般來說，在流動的流體中，放置有以一點進行支承的長條狀物時，該物體將向阻力最小的方向移動。即，當支承部被可自由旋轉地支承時，長條狀物在長度方向上趨於與流體的流動相平行，而當支承部受到約束時，長條狀物通過自身的撓曲指向阻力最小的方向。發明人發現，若與這種現象相同的現象也能夠在PTFE膏狀物擠壓機內發生，則定位後的芯杆將趨於使阻力為最小，因此，能夠與型孔模同心，其結果，能夠獲得偏厚度被控制在最小限度的PTFE管材。
一般來說，在擠壓機內，將頂杆以型孔模出口相反一側的端部呈與缸體同心的狀態進行機械性固定，另一端端部上有芯杆安裝在頂杆上。在這種擠壓機中，之所以在壓頭向頂杆的長度方向加壓而擠壓出的管材出現偏厚現象，是由於即使頂杆被堅固地固定，當因某種原因芯杆發生偏厚(即，不與型孔模同心，例如，芯杆的中心軸相對於型孔模的中心軸發生偏斜)時，這種偏厚被擴大而在型孔模出口側芯杆的中心相對於型孔模的中心發生相當大的偏移。此時，在所獲得的管材中壁厚較薄一側，芯杆形成沿著壓頭加壓所產生的缸體內樹脂整體的流動方向相對於缸體部原來的中心軸方向小於180度的角度(即，頂杆與芯杆的夾角)。反之，在所獲得的管材中壁厚較厚一側，芯杆形成相對於樹脂的流向大於180度的角度(即，頂杆與芯杆的夾角)。
在這種場合下，小於180度的角度將對樹脂的流動產生阻力，因此，芯杆將移動以使阻力趨於減小(即，向著靠近型孔模中心軸的方向)。如果，芯杆的移動能夠使阻力減小，其結果是在型孔模的出口端部處可使芯杆的中心在實質上向型孔模的中心靠近。即，芯杆向使得偏厚度為最小的方向移動。
例如，在進行擠壓操作之前，因某種原因，在型孔模出口附近，芯杆的中心與型孔模的中心偏離的情況下，在型孔模出口附近，芯杆中心能否回到型孔模中心處(即，中心線在一條直線上)或向其靠近，取決於擠壓條件下芯杆能否產生撓曲。因此，在本發明中，將擠壓機的芯杆的形狀做成在進行擠壓時能夠比現有的芯杆更容易產生撓曲的形狀，以此使得芯杆的中心易於回到其周圍的型孔模的中心，因此，趨向於使同心度得到提高的狀態，更理想的情況是能夠達到同心狀態，其結果，能夠使擠壓後的管材的同心度得到提高。
因此，作為第1目的，本發明能夠提供一種通過擠壓聚四氟乙烯使其通過由芯杆及其周圍的型孔模所形成的環形部分而製造聚四氟乙烯管材的擠壓機，其特徵是，芯杆具有連接在頂杆上的頂杆結合端部和位於型孔模出口處的型孔模出口端部，芯杆在其兩個端部之間具有這樣的部分，即該部分中垂直於芯杆軸向的斷面面積小於所述兩個端部的斷面面積。
在現有的擠壓機中，對芯杆的設計未考慮如上所述的撓曲。為將芯杆連接在擠壓機頂杆端部上，芯杆具有直徑與頂杆端部的直徑實質上相同的一端，並且，還具有直徑與所擠壓的管材內徑實質上相對應的另一端，在上述兩個端部之間的部分逐漸從一端的直徑過渡到另一端的直徑(即，垂直於芯杆軸向的斷面面積漸漸增大或減小，或者固定不變)。另外，一般來說，如後述的比較例中所使用的芯杆那樣，雖然芯杆具有直徑固定不變的部分，但這部分的直徑不會小於頂杆的斷面或芯杆的型孔模出口端部處斷面直徑。因此，現有芯杆的形狀不外乎是，其兩端之間部分的直徑或者大於一端的直徑而小於另一端的直徑，或者與一端的直徑相等並與另一端的直徑也相等。
而在本發明的擠壓機中，其芯杆具有斷面小於所述兩個端部的部分，其結果，比不具有這部分的現有擠壓機的芯杆更容易撓曲。
附圖的簡單說明圖1是壓頭擠壓機中擠壓管材的前端部分的示意性剖視圖。
圖2是本發明的擠壓機中所使用的芯杆(以實施例1的形式使用)的示意性軸向剖視圖。
圖3是本發明的擠壓機中所使用的芯杆(以實施例2的形式使用)的示意性軸向剖視圖。
圖4是現有擠壓機中所使用的芯杆(以比較例1的形式使用)的示意性軸向剖視圖。
圖5是現有擠壓機中所使用的芯杆(以比較例2的形式使用)的示意性軸向剖視圖。
附圖中，編號10是擠壓機，編號12是缸體，編號14是主模，編號16是型孔模，編號18是空隙，編號20是頂杆，編號22是芯杆，編號24是環形出口，編號30是芯杆，編號32是螺紋，編號34是頂杆結合端部，編號36是型孔模出口端部，編號38是頂杆結合部分，編號40是第1過渡部分，編號42是斷面減小部分，編號44是第2過渡部分，編號46是整流部分，編號48是通孔，編號50是型孔模，編號52是螺紋部分。
發明的詳細說明本發明的擠壓機其一個形式的特徵是，按照自頂杆結合端部向型孔模出口端部方向的順序，由頂杆結合部分、第1過渡部分、斷面減小部分、第2過渡部分以及整流部分(各部分中垂直於芯杆軸向的斷面實質上為圓形)構成芯杆，各構成部分與相鄰接的構成部分之間以相同直徑的端部連接成一體，作為與芯杆的軸垂直的斷面的面積，斷面減小部分要小於頂杆結合部分及整流部分。
頂杆結合部分在連接頂杆時可增加芯杆的強度。通常，在頂杆結合部分上設置具有用來將芯杆與頂杆結合的結合機構的部分(例如帶有螺紋的部分)。對於該部分，由於要伸入頂杆內部，因此不作為與斷面減小部分的斷面面積進行比較的對象。整流部分是用於使被擠壓的聚四氟乙烯的流向朝向一定方向(最好是芯杆的軸向)、維持自擠壓機擠壓出來的管材形狀所必需的部分，這兩個部分需要具有既定的長度和直徑。因此，在選擇這些部分的尺寸時，撓曲是第2要素。需要將撓曲作為第1要素加以考慮的部分是斷面減小部分，適當地選擇這部分的尺寸，使得斷面減小部分的可撓曲量成為芯杆可撓曲量的大部分甚至是實質上的全部為宜。
另外，在進行擠壓時，在芯杆上施加有很大的力，因此，在決定芯杆的尺寸時，必須採用芯杆不會受到破壞的尺寸。因此，在決定芯杆的尺寸、特別是斷面減小部分的長度和直徑時，必須對上述破壞加以考慮，在本發明中，芯杆的設計以在不受到破壞的範圍內保證撓曲能達到最大為宜。
上述形式中最好的形式是頂杆結合部分、斷面減小部分以及整流部分為圓柱形，第1過渡部分及第2過渡部分分別具有使頂杆結合部分與斷面減小部分連接的錐形表面(因此，為圓臺形部分)以及使斷面減小部分與整流部分連接的錐形表面(因此，為圓臺形部分)。此時，斷面減小部分的直徑最好小於其它部分的直徑，例如以頂杆結合部分直徑的2/3以下為宜，若為1/2以下則更為適宜，若有可能最好再小一些，而斷面減小部分的長度在可能的範圍內長一些為宜。
一般來說，擠壓機設定之後，芯杆的全長即已決定，頂杆結合部分及整流部分所必需的長度將如上確定，因此，剩下的長度可作為斷面減小部分和過渡部分使用。因此，以儘可能減小過渡部分的長度而加大斷面減小部分的長度為宜。過渡部分也需要有一定的長度，因而，在許多場合下，斷面減小部分的長度在擠壓機設定後即已決定了，因此，對斷面減小部分的直徑進行適當選擇是很重要的。
關於上述撓曲，可以下述思路作為指導(該思路不會約束本發明)在擠壓機上，使頂杆位於擠壓機缸體的中央後加以固定，芯杆以其端部被固定在頂杆上，著眼於這一點，可以考慮將芯杆視同為單端梁，上述可撓曲量相應於單端梁的最大撓曲量。
在計算單端梁自由端處的最大撓曲量時，例如可參照標準機械設計圖表便覽(共立出版株式會社刊，小慄富士雄著，1969年，5-1)，使用下式δmax＝(wl4)/(8EI)(式中，δmax是最大撓曲(cm)，w是單位長度的分散載荷(kg/cm)，l是部件長度(cm)，E是楊氏模量(kg/cm2)，I是斷面的慣性矩(cm4)。)在使單端梁的最大撓曲量與芯杆的可撓曲量形成關聯時，受芯杆尺寸影響的有芯杆的斷面面積(對應於I)、芯杆的長度(對應於l)以及芯杆的材料(對應於E)。因此，由上式可知，芯杆的可撓曲量與芯杆長度的4次方成正比，而與芯杆的斷面面積成反比。雖然芯杆的斷面形狀(或者直徑)沿其軸向發生變化，但芯杆中對可撓曲量影響最大的是斷面面積小而長度長的斷面減小部分，因此，在本發明的擠壓機中，以芯杆、特別是其斷面減小部分儘可能細、儘可能長為宜。
由上式可知，芯杆所使用的材料也對可撓曲量有影響，當然以使用楊氏模量小的材料為宜，但在選擇芯杆材料上，還需要考慮加工性、耐腐蝕性、強度、價格等各種因素，一般來說，僅以楊氏模量作為優先條件是不妥當的。因此，可以將工業應用的擠壓機中所使用的芯杆材料(例如不鏽鋼(SUS)，表面電鍍的鐵等)用於本發明的擠壓機的芯杆。因此，本發明的擠壓機中，芯杆的尺寸變得更為重要。
雖然由芯杆和型孔模形成的環形部分的斷面形狀以所謂的環形(因此，芯杆和型孔模的斷面二者的形狀均為圓形)為宜，但只要芯杆和型孔模的斷面形狀為點對稱，也可以是其它形狀。例如，芯杆和型孔模也可以是外凸的正多邊形和內凹的正多邊形(例如象星形那樣)，使用這樣的型孔模和芯杆能夠形成斷面為各種環形形狀的管材。即使在這種場合下，芯杆在其兩個端部之間仍具有與軸向垂直的斷面面積小於所述兩個端部的斷面面積的部分。
第2目的是，本發明提供一種聚四氟乙烯管材的製造方法，該製造方法包括使用以上所述的擠壓機對PTFE的例如以乳液聚合法獲得的原料進行膏狀物擠壓而獲得管材的工序、以及之後從擠壓成的管材中除去輔助劑(例如經萃取、蒸發乾燥等)並根據需要進行燒成的工序。PTEF的膏狀物擠壓是公知的擠壓法，對此例如可參照特開昭50-34661號公報、特公昭61-54578號公報等。
使用這種方法時，由於擠壓機使用如上所述的較現有擠壓機所使用的芯杆更容易撓曲的芯杆，因而，擠壓出來的管材的偏厚度降低。因此，經除去輔助劑、燒成而最終獲得的聚四氟乙烯管材的偏厚度也降低。
第3目的是，本發明提供以上述方法獲得的聚四氟乙烯管材。由本發明的技術思想可知，芯杆的可撓曲量越大，越能夠降低管材的偏厚度。例如，當採用後述圖2所示的芯杆尺寸時，能夠獲得現有技術所不能制2造的、偏厚度在15％以下、甚至在10％以下的管材。特別是大直徑的管材，例如內徑在10mm以上、特別是內徑在20mm以上的管材，一般也能夠做到15％以下的偏厚度。而偏厚度＝((最大壁厚-最小壁厚)/平均壁厚)×100(％)，平均壁厚是指壁厚的平均值。
以本發明獲得的這種聚四氟乙烯管材例如可以用作化學藥品等的輸送管、襯裡、編織軟管、基材的被覆、收縮管等。例如用來對輥子等基材進行被覆的場合，若將未燒成的管材罩在輥子上然後進行燒成，由於管材收縮而能夠與輥子緊密結合。
作為本發明的擠壓機所使用的PTFE，可以是以懸浮聚合法獲得，也可以是以乳液聚合法獲得。由於PTFE具有易取向、易纖維化等優點，因此，以乳液聚合法獲得的PTFE微細粉末更為適宜。
此外，本發明的PTFE也可以含有填充劑。作為填充劑可採用諸如碳素粉末、碳素纖維、無機粉末、無機纖維、金屬或合金粉末、有機粉末或纖維等。更具體地可列舉出碳黑、碳素纖維、石墨等碳素粉末或纖維、長石、二氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、氧化鐵等氧化物粉末、氮化矽、氮化碳、氮化鋁、氮化硼、碳化鋯、碳化矽、碳化鎢、碳化鎳、硫酸鋯、硫酸鋇、陶土、白土、滑石粉、玻璃珠、玻璃球等無機粉末、玻璃纖維、氧化鋁纖維、鈦酸鉀纖維、二氧化矽纖維等無機纖維、銅合金、氧化鋅、二硫化鉬、鋁、鋁合金等金屬或合金粉末、全氟烷氧基樹脂、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物樹脂、聚三氟氯乙烯樹脂、聚醯胺-醯亞胺樹脂、聚醚碸樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚碸樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚苯醚樹脂、氧苯甲醯聚酯樹脂、液晶聚合物等有機粉末或纖維等。這些填充劑是為提高成型品的機械特性(例如耐磨性、抗壓強度、耐冷變形性)和電氣特性(例如去除靜電)等而添加的。這些填充劑的添加量，從保持PTFE成型品的形態考慮，相對於PTFE與填充劑的合計重量為50％重量比以下為宜，最好在30重量比以下。
一般來說，按照本發明的技術思想，容易做到管材的偏厚度在15％以下，通常可以做到10％以下，更好時可達到5％以下。並且，適當選擇芯杆所使用的材料(即，抗拉強度高而可使斷面減小部分更細更長的材料)及其尺寸，可進一步增大可撓曲量，因而，可使偏厚度進一步降低，可以達到1％或更低的偏厚度。
對於需考慮其強度應滿足重複使用要求的(因此，安全裕度)工業實用性芯杆，有時需要優先考慮強度，並選擇比較廉價的材料，(即使強度多少差一些)在一定程度上犧牲可撓曲量，另外，還需要考慮市場的需求。從這個意義上來說，本發明管材的偏厚度在1～15％、更好些在2～10％即能夠滿足要求，對芯杆的設計只要偏厚度能夠達到這種程度即可。
實施發明的最佳形式圖2是本發明擠壓機的芯杆其一種形式的示意性剖視圖。圖示的芯杆30，按照自通過例如螺紋32結合在頂杆(未圖示)上的頂杆結合端部34到擠壓管材(未圖示)的型孔模出口端部36的順序，由頂杆結合部分38(圖所示的形式中，芯杆30的頂杆結合端部34上設有用來與頂杆結合的螺紋部分52。與斷面減小部分的斷面面積的比較不考慮頂杆結合端部34上方的螺紋部分52。)、第1過渡部分40、斷面減小部分42、第2過渡部分44以及整流部分46(各部分中垂直於芯杆軸向的斷面實質上為圓形)構成，各構成部分通過與相鄰構成部分直徑相同的端部連接成一體，就芯杆的與軸相垂直的斷面的面積而言，斷面減小部分42小於頂杆結合部分38和整流部分46。如圖所示，過渡部分40和44具有錐形表面，其它部分為圓筒形。斷面減小部分42在強度允許的範圍內細一些長一些為宜。
另外，圖示形式中，芯杆30的中央部形成有通孔48，該通孔48在繼擠壓之後加熱除去管材內輔助劑時作為蒸發的輔助劑的通路(排氣孔)使用。本發明中，存在上述通孔的情況下所進行的芯杆斷面面積的比較不是圓的面積，實質上是環形部分面積的比較。另外，圖中表示出型孔模50中插入芯杆30的狀態。圖中的斜體數字是芯杆尺寸(mm)的一個例子。
圖3與圖2同樣，是本發明擠壓機的芯杆另一種形式的示意性剖視圖。圖3的芯杆30是用來擠壓比圖2場合下直徑更大的管材(公稱外徑40mm)的。圖3中未示出型孔模。另外，芯杆30內的排氣孔48在型孔模出口端部呈擴展形狀。
實施例(實施例1)在重量為100的聚四氟乙烯微細粉末(F-201，ダイキン工業(株)製造)中，作為潤滑輔助劑添加重量為21的烴油(アイソパ-E，エクソン化學(株)製造)，混合後以25℃放置15小時使之熟化。熟化後，以100mm/min的壓頭速度加壓，以10kgf/cm2保持10分鐘而獲得圓筒形的坯料。
將該坯料放入缸體內徑為90mm、頂杆外徑為20mm的擠壓機內，將圖2所示尺寸的芯杆(SUS304制)安裝在頂杆前端，裝設出口口徑為22.6mm的型孔模，以帶狀加熱器將模具前端加熱到60℃，以5mm/min的壓頭速度進行擠壓，從而獲得管狀預成型體。
將預成型體從常溫連續加熱到370℃，以乾燥方式除去潤滑輔助劑，經燒成而獲得管狀成型品。所獲得的成型品的尺寸、偏厚度示於附後的表1。
(實施例2)使用具有圖3所示尺寸的芯杆，除型孔模的出口口徑改為49mm之外，其它條件與實施例1相同的條件下獲得PTFE管狀成型品。所獲得的成型品的尺寸、偏厚度示於附後的表1。
(比較例1)除了使用具有圖4所示尺寸的芯杆30之外，其它條件與實施例1相同的條件下獲得PTFE管狀成型品。圖示的芯杆30在從頂杆結合端部34沿軸向朝向型孔模出口端部36方向的10mm之間，直徑為固定不變的20mm，之後，朝向整流部分46直徑逐漸增加到20.6mm，直徑為20.6mm的整流部分延續22mm。所獲得的成型品的尺寸、偏厚度示於附後的表1。
(比較例2)除了使用具有圖5所示尺寸的芯杆30之外，其它條件與實施例1相同的條件下獲得PTFE管狀成型品。所獲得的成型品的尺寸、偏厚度示於表1。由圖中可知，芯杆30在從頂杆結合端部34沿軸向到型孔模出口端部36的130mm之間，直徑為不變的20mm，在之後的在40mm之間，直徑逐漸增加到46mm，之後，其直徑固定不變。在這種形式的芯杆30中，垂直於軸向的斷面的面積在頂杆結合端部34處最小。
表1實施例1比較例1實施例2比較例2管材尺寸(mm)外徑19.95 19.95 40.73 40.73平均壁厚0.965 0.965 1.490 1.490最大壁厚0.994 1.089 1.620 1.730最小壁厚0.936 0.841 1.510 1.400偏厚度(％) 626 7 22注平均壁厚是對任意的數處壁厚進行測量後求其平均值而獲得。
權利要求
1.一種聚四氟乙烯管材，偏厚度在15％以下。
2.如權利要求1所述的管材，內徑至少為10mm。
3.一種擠壓機，通過擠壓聚四氟乙烯使其通過由芯杆及其周圍的型孔模所形成的環形部分而製造聚四氟乙烯管材的擠壓機，其特徵是，芯杆具有連接在頂杆上的頂杆結合端部和位於型孔模出口處的型孔模出口端部，芯杆在其兩個端部之間具有這樣的部分，即該部分中垂直於芯杆軸向的斷面面積小於所述兩個端部的斷面面積。
4.如權利要求3所述的擠壓機，其特徵是，按照自頂杆結合端部向型孔模出口端部方向的順序，由頂杆結合部分、第1過渡部分、斷面減小部分、第2過渡部分以及整流部分(各部分中垂直於芯杆軸向的斷面實質上為圓形)構成芯杆，各構成部分與相鄰接的構成部分之間以相同直徑的端部連接成一體，作為與芯杆的軸垂直的斷面的面積，斷面減小部分要小於頂杆結合部分及整流部分。
5.如權利要求4所述的擠壓機，芯杆的斷面減小部分實質上為圓柱形。
6.一種製造權利要求1或2所述的聚四氟乙烯管材的製造方法，其特徵是，使用權利要求3～5中任一項所述的擠壓機擠壓膏狀物，以形成聚四氟乙烯管材，之後，除去擠壓成的管材中的輔助劑並根據需要進行燒成。
7.一種聚四氟乙烯管材，是由權利要求6所述的方法製造的。
全文摘要
一種製造聚四氟乙烯管材的擠壓機,為使以聚四氟乙烯膏狀物擠壓成型方法製造的管狀成型品的偏厚度達到最小限度,作為通過由芯杆(30)和其周圍的型孔模(50)所形成的環形部分擠壓聚四氟乙烯芯杆具有連接在頂杆上的頂杆結合端部(34)和位於型孔模出口處的型孔模出口端部(36),芯杆在其兩個端部之間具有與芯杆的軸向相垂直的斷面面積小於所說兩個端部的斷面面積的部分。使用該擠壓機能夠獲得偏厚度在15%以下的管材。
文檔編號B29C47/90GK1267251SQ9880836
公開日2000年9月20日 申請日期1998年8月12日 優先權日1997年8月21日
發明者內田達郎, 村上真司, 河內正治 申請人:大金工業株式會社