一种连续纤维增强热塑性复合管及其成型方法与流程

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合管及其成型方法。

背景技术：

石油天然气开采对国家的重要性是众所周知的。石油天然气开采业过去绝大部分采用的是各种钢管，最突出的问题是腐蚀。随着产业的发展和技术的进步，迫切需要突破传统管道的局限，寻求技术和经济性能更好的新型管道。近年石油天然气 行业越来越多地采用非金属管道。在中国，由于石油天然气资源很多在沙漠，沼泽，海洋和海滩（从浅海到深海）中，耐腐蚀抗高压又柔韧可曲挠，可以制成很长连续 盘管的增强热塑性塑料管（RTP）相比于金属管道就具有了独特的优势。

RTP 复合管道生产工艺先进、成本低、性能优良、施工费用少且技术易 配套，为此深受世界各国的普遍重视，欧美、德、法、英、日、俄等国家早在 70年代就开始研究 RTP 复合管的生产技术，目前已经进入工业化生产阶段。目前我过对于RTP的生产研究处于起步阶段，相关产品生产技术亟需升级。

中国专利201220074379.7一种玻璃纤维增强热塑性塑料管中公布了一种玻璃纤维增强热塑性塑料管，分为内层，增强层及保护层，所述保护层材料为玻璃纤维粗纱或玻璃纤维绳或经玻璃纤维表面处理过的绳类，经过涂塑方法成为增强带进行缠绕成管，由于热塑性树脂的黏度大，粗纱和玻纤绳以及玻纤处理的绳类很难能与之充分浸润，从而导致干纱较多，很难达到设计的理论强度，若要达到理论强度须加层，必然导致RTP管的刚性增加，不利于其成盘卷曲及运输，最重要的是会导致其成本增加，不利于其推广。

中国专利201220580156.8一种玄武岩纤维增强热塑性塑料管，包括内衬管、缠绕在内衬管外的纤维增强层和套在纤维增强层外的外保护套，虽然玄武岩纤维增强热塑性复合材料已经进行开发，大多都是在实验阶段的产品，且玄武岩纤维分散难，与热塑性树脂结合力差，相应的相容剂，接枝剂开发不到位，价格和性能方面根本与玻纤增强热塑性复合材料比，其应用只能制作相关概念性产品，无法达到量产甚至是民用。

中国专利201220738914.4一种连续纤维增强管中公布了，包括管体，及在管体外部设有外保护层，在管体和外保护层之间设有螺旋绕包在管体外壁上的若干层连续纤维增强热塑

性复合材料预浸带层。目前这种管子国内采用的都是传统方法，先挤出热塑性内管，再在内管上缠绕增强层，最后挤出外表面保护层，这种方法管子的成型方法属于三部成型法，制作过程多，要求加工精度高。且目前，成熟的欧洲生产线大约需要2000-3000万人民币，国内的生产线还在研发阶段，预计也需要1000万人民币以上，这种高成本投入，低效率生产阻碍了RTP管的应用。

技术实现要素：

本发明的目的第一目的在于提供一种连续纤维增强热塑性复合管。

本发明的目的第二目的在于提供一种连续纤维增强热塑性复合管的成型方法。

本发明的第一目的是这样实现的，挤出层、缠绕增强层，两者交替缠绕。

本发明的第二目的是这样实现的，(1)首先旋转缠绕模具，使用双螺杆挤出机将短切纤维增强热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂后与经过预热后经过张力调节处理过的按照45°/-45°的两层连续纤维增强单向带通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，缠绕的层数按照管材使用的环境技术要求进行计算缠绕；

（2）当缠绕层数达到设计要求后，使用双螺杆挤出机将热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，当圈缠绕结束后进行滚轴牵引、冷却、收卷。

将与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明方法中的原料及设备，包括对预浸料及成型方法的选择，可以做到设备简单，价格低廉，工艺要求不高，整机管材的模具缠绕速度，即为生产速度，连续生产，提高能效。

2、发明方法中所使用的设备的令一独特之处在于材料结构，通过多层缠绕结构，满足管材的可设计性，使管材在达到要求，不会又多余的材料添加，保证材料性能的最大化输出，既减轻重量，又降低管材成本；通过短纤复合材料与连续纤维复合材料的结合，管材可以保持柔性管的特性，使得管材可以盘卷，运输方便，通过纤维以一定角度垂直缠绕的复合使得管材抗高压的能力更为出色；

3、本发明方法中所使用的设备独特之处在于其工艺方式，将连续纤维增强热塑性预浸带与熔融热热塑性树脂经过压辊使其在熔融状态下融合，融合效果好，采用挤缠结合方式既保证了增强层纤维的连续性，也使得管材从传统分步成型的三层结构管变为一次成型法；

4、本发明方法中所使用的材料的成型方法中，适用性广，不但可以制作小口径管材，而且大口径的管材依然适用，与传统缠绕管相比大口径管材的能耗均减少30%-50%；

5、本发明方法中的所制备产品及所产生的边角料，可回收，再次利用，属绿色产品技术。

附图说明

图1 本发明复合管的结构示意图；

图2 本发明复合管的挤出缠绕工艺示意图；

图3 本发明复合管的挤出工艺示意图；

图中：1-挤出模具，2-红外加热，3-缠绕模具，4-辊压装置，5-预加热装置6-张力调节装置，7-放卷装置8-挤出层，9-缠绕增强层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不得以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所述的复合管包括挤出层和缠绕增强层。

所述挤出层和缠绕增强层所选用的热塑性树脂和纤维的类型为同一种。

所述挤出层材料为双螺杆挤出机挤出短纤增强聚乙烯材料（SFT）。

所述的短纤维增强树脂由包含以下重量份的组分制成：

短纤维 30~45份；

热塑性树脂 55~70份；

所述短纤长度为大于1mm小于3mm的短切纤维。

所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等。

所述聚乙烯选自高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）中的一种或几种。

所述聚丙烯选自共聚聚丙烯、均聚聚丙烯中的一种或两种。

所述聚酰胺选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺1010中的一种或几种。

所述短切纤维选自玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。

所述缠绕增强层材料为连续纤维增强热塑性两层单向带（CFRT）经60°到-60°垂直交错缠绕于缠绕模具上。

所述的连续纤维增强热塑性单向带由包含以下重量份的组分制成：

热塑性树脂 30~45份；

连续纤维 55~70份；

所述连续纤维增强热塑性单向带为长度大于2000m的连续纤维单向带卷曲成盘，单向带中每根纤维长度均与单向带的长度相同，且单向带中纤维的数量应保持一致。

所述连续纤维单向带的宽度为d=π*D*cos45°，其中D为所缠绕管材的外径。

所述连续纤维增强热塑性单向带的拉伸强度不低于850MPa，所述连续纤维增强热塑性单向带厚度为0.2-0.3mm。

本发明所述的成型方法，具体包括如下步骤：

(1)首先旋转缠绕模具，使用双螺杆挤出机将短切纤维增强热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂后与经过预热后经过张力调节处理过的按照经60°到-60°角度的两层连续纤维增强单向带通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，缠绕的层数按照管材使用的环境技术要求进行计算缠绕；

（2）当缠绕层数达到设计要求后，使用双螺杆挤出机将热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，当圈缠绕结束后进行滚轴牵引、冷却、收卷。

所述模具缠绕速度为2-7m/min，所述双螺杆挤出机的温度设置为螺杆部分160-230℃，模头部分210-270℃，所述张力调节设置为多个金属辊通过增大预浸带的包覆面积进行调节张力的。

所述预热温度为230-300℃，所述连续纤维增强热塑性单向带为两层单向带垂直分别按照60°到-60°角度的角度进行与缠绕模具缠绕。

所述缠绕角度按照60°到-60°进行缠绕，优选45°和-45°，两层连续纤维增强单向带的夹角为90°。

所述辊压装置的压辊为多个辊分别对短切纤维增强热塑性树脂、两层单向带垂直铺放按照一定的角度缠绕后，进行辊压。辊压压力为5-10MPa。所述缠绕层数为1-25层。

所述层数设计为每增加1层加强层，管材增加2-4MPa的压力承载。

所述滚轴牵引为管体在沿周向旋转的滚轴牵引力下向前移动；所述冷却为缠绕成型的管材在牵引过程中，进行风冷或水冷，在保证冷却效果前提下也可以进行自然冷却；所述收卷为管材按照要求进行成盘收卷。

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的结构及有益效果进行详细说明：

实施例1

玻璃纤维增强聚乙烯管

(1)首先旋转缠绕模具，模具旋转速度为2m/min，使用双螺杆挤出机将短切玻璃纤维增强HDPE树脂，玻璃纤维长度为2mm，双螺杆挤出机的温度设置为螺杆部分160-180℃，模头部分210-230℃从挤出模头处挤出熔融树脂后与经过经240℃预热后经过多辊张力调节处理过的按照45°/-45°的两层连续纤维增强HDPE单向带通过辊压装置，压辊的压力位5MPa与缠绕模具进行缠绕；

（2）当缠绕结束后，使用双螺杆挤出机将热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，当圈缠绕结束后进行滚轴牵引，风冷，收卷。

实施例2

玄武岩纤维增强聚丙烯管

(1)首先旋转缠绕模具，模具旋转速度为5m/min，使用双螺杆挤出机将短切玄武岩纤维增强PP树脂，玄武岩纤维长度为2mm，双螺杆挤出机的温度设置为螺杆部分180-200℃，模头部分230-260℃从挤出模头处挤出熔融树脂后与经过经270℃预热后经过多辊张力调节处理过的按照45°/-45°的两层连续纤玄武岩维增强PP单向带通过辊压装置，压辊的压力位5MPa与缠绕模具进行缠绕；

（2）当缠绕结束后，使用双螺杆挤出机将热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，当圈缠绕结束后进行滚轴牵引，风冷，收卷。

实施例3

碳纤维增强聚酰胺管

(1)首先旋转缠绕模具，模具旋转速度为3m/min，使用双螺杆挤出机将短切碳纤维增强PA6树脂，玻璃纤维长度为2mm，双螺杆挤出机的温度设置为螺杆部分220-230℃，模头部分260-270℃从挤出模头处挤出熔融树脂后与经过经280℃预热后经过多辊张力调节处理过的按照45°/-45°的两层连续碳纤维增强PA6单向带通过辊压装置，压辊的压力位6MPa与缠绕模具进行缠绕；

（2）当缠绕结束后，使用双螺杆挤出机将热塑性树脂从挤出模头处挤出熔融树脂通过辊压装置与缠绕模具进行缠绕，当圈缠绕结束后进行滚轴牵引，风冷，收卷。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明创造。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发发明的保护范围之内。