塑料管材在建筑、市政建设、水利工程、燃气输送等领域有着广泛和重要的应用。与传统管材(铸铁管、混凝土管等)相比,具有重量轻、流动阻力小、耐腐蚀性好、密封性好、安装方便、节省能耗、寿命长等优点。因而塑料管材已成为重要的工业材料,年消耗量非常巨大。但塑料管材强度比传统管材低得多,因此提高塑料管材的强度以适应工程应用的高要求就具有重大的现实意义。除了外增强塑料管材,出于可持续发展等各方面的考虑,自增强塑料管材已成为国内外研究热点之一。聚合物电磁动态塑化成型加工技术和设备,通过螺杆的轴向振动,将振动力场引入到聚合物成型的整个过程,为聚合物成型加工理论和加工技术提出了新的研究方向。这一独特的加工方法深刻地影响了聚合物塑化挤出过程,使得聚合物的加工应用和理论都发生了巨大的变化。前期研究表明,振动力场的引入,可以提高制品的力学性能和外观质量。目前对于电磁动态塑化挤出成型未见有研究振动力场对塑料管材性能影响的报道。而系统地研究振动力场下管材性能与聚集态结构的变化,解释脉动挤出实现管材自增强的机理,从理论上和实验上深刻地揭示脉动挤出对聚合物产生的影响,可以为聚合物动态挤出成型提供理论指导,具有重要的科学意义和实际意义。本文利用电磁动态塑化挤出机,并自行设计了一个螺旋芯棒式管材机头。首先采用数值模拟方法,揭示了螺旋芯棒式管材机头流道中的聚合物熔体的流动特性,并通过实验验证了数值模拟的可靠性。结合正交试验,以螺旋分配系统出口截面处速度分布均匀性为目标,实现了螺旋芯棒式管材机头的优化设计。根据工业化生产实际情况,搭建起整个挤管实验装置。在工业化生产条件下,将振动力场引入到聚烯烃管材挤出成型的全过程,系统研究了振动参数对管材力学性能、热性能和聚集态结构的影响。研究结果表明,脉动挤出实现了管材的双向自增强,特别是管材周向强度得到明显提高,这对于承受内压力管材的使用具有重要意义。力学性能测试表明,对HDPE管材,与稳态相比,管材爆破压力最大提高了34.2%,轴向拉伸屈服强度最大提高了5.3%,轴向冲击强度最大提高了20.2%;对PP管材,与稳态相比,管材爆破压力最大提高了27.03%,轴向拉伸屈服强度最大提高了7.3%,轴向冲击强度最大提高了16.2%。脉动挤出提高了HDPE管材的耐热性能。当振动频率为6Hz,振幅为200μm时,HDPE管材维卡软化温度比稳态挤出时提高了3.1℃。DSC、WAXD、SEM分析测试表明,脉动挤出的聚烯烃管材熔点向高温漂移,结晶度也有所提高,结晶更加完善,晶面取向度得到提高,但晶型没有发生改变。耐慢速裂纹增长性是提高塑料管道耐用性的关键因素。塑料管材需具有良好的耐慢速裂纹增长性能,以确保管材的使用寿命。对脉动挤出的聚烯烃管材进行了耐慢速裂纹增长性能测试,研究了脉动挤出对HDPE管材耐慢速裂纹增长性能的影响及机理。研究发现,与稳态挤出的HDPE管材相比,脉动挤出的HDPE管材裂纹增长速率更小,脉动挤出可以提高HDPE管材的耐慢速裂纹增长性能,这对于管材的使用具有重要的现实意义。通过螺杆轴向振动引入振动力场后,有利于HDPE的成核和晶粒的长大。脉动挤出的HDPE管材结晶度提高,熔点升高,晶片变厚,晶粒尺寸变大,结晶完善,同时管材制品分子链形成了一种拟网结构,这些均有利于管材耐慢速裂纹增长性能的提高。基于合理的假设,考虑非定常流动,建立起数学模型。根据修正的Ostwald幂律本构方程,加载合适的动态边界条件,首次对脉动挤出条件下螺旋芯棒式管材机头流道中聚合物熔体的流动进行了全三维非牛顿等温数值模拟,同时数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性。这为振动力场作用下机头流道内聚合物熔体流动特性的数值模拟提供了新方法和新思路。研究发现,随振动力场的引入,流道内熔体的剪切速率、粘度、剪切应力、压力和速度等呈周期性规律变化。另一方面,随着振动频率或振幅的增加,流场的剪切速率平均值有一定程度的增加,而流场的粘度平均值、剪切应力平均值和压力平均值均有一定程度的下降。最后本文从脉动挤出加工—聚集态结构—性能三者之间的关系出发,对聚集态结构测试结果、数值模拟得到的熔体流变性能进行分析和总结,分析了脉动挤出聚烯烃管材的自增强机理。聚烯烃管材力学性能的改善是振动力场提高结晶度、改善分子链的取向以及改善晶体形态等共同作用的结果。其中管材周向强度明显提高主要是由于螺杆轴向振动增强了管材分子链在周向的取向程度。上述这些研究成果丰富了聚合物动态成型加工理论和内容,加深了对脉动挤出过程中振动影响熔体流变行为、制品结构和性能的规律的认识,同时,为优化振动参数和模具设计,提供了实验数据与理论依据,对聚合物动态成型加工技术的进一步研究和推广,制备高性能的聚合物制品,具有重要的理论与现实意义。