一种预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材的制作方法

1.本发明涉及预制保温工作管技术领域，尤其涉及一种预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材。


背景技术：

2.目前，用于输送热水管网的钢管工作管内壁，在冬季热水运行中，为防止管内热水对钢管腐蚀情况发生，普遍存在热水中添加有色剂与氧气腐蚀；钢管在长期在热水中运行尤其是夏季空管期，受侵入管内空气的影响，钢管内壁锈化腐蚀严重，锈蚀的固体颗粒堵塞线路中弯头、三通以及室内地暖管网等，继而影响采暖效果等问题。同时，由于腐蚀造成的管路破损，很容易产生管路渗漏，失水严重等问题，造成很多不必要的损耗。在夏季停水期间，由于阀体管体渗漏导致管内空管，潮湿空气长时间进入管网内部，对管壁造成了进一步的腐蚀，严重影响管网的使用寿命。在70年建筑体全寿命周期内，一般需要对管网进行5次更换，造成了人力和物力资源的极大浪费。并且，由于钢管自身导热系数较大，且随着时间的延长管道的外保温材料效果逐步丧失，使得在热力与热水输送过程中50％的热值被白白损耗，造成了严重的能源浪费，为此在现有技术中，大部分热力、热水、温泉等输送热水的工作管网，已经不再采用传统的裸露钢管作为工作管，而是才用外套聚乙烯聚氨酯发泡预制保温钢管作为工作管。目前，国内现有存量约260亿平方米住宅的地下地上热力管网均采用的该种材料作为工作管。
3.为了解决钢管自身材料被腐蚀、管路被堵塞、采暖效果差、管路长期失水等问题，现有技术采用了纯塑料耐热聚烯管道(pe
‑
rt)、聚丙烯管道(pp
‑
r)来代替钢管作为保温工作管使用。然而，现有替代钢塑料管材料在用于温度≥80℃高温水环境中，普通塑料管道普遍存在以下问题：自身耐热性能差，不能满足80℃以上高温介质长期输送对温度的要求；耐压性能差，在高温热水环境下不能满足大于工作压力pn≥1.0mpa以上高压的使用要求；刚性差，不能满足于100mm直径、70℃以上环境条件下对刚性的使用需要。而聚氨酯发泡保温材料，同时也存在以下问题：自身耐压强度低，在温度与重量压力叠加下，会出现压实、压裂、变形等问题，使得保温效果下降甚至失效；在热力热水管网的温差作用下，内置的钢管或热塑复合管会出现热胀冷缩移动现象，而外层包括聚氨酯保温层在内被包覆的土方约束成固定整体，保温层在管道压力与摩擦应力作用下，脆性的聚氨酯材料会被磨碎，失去整体保温效果。
4.连续纤维预浸带增强复合管，由于管端缠绕纤维芯层的存在，芯层与内外层塑料之间的复合过度层，会因产品加工过程的瑕疵和内层冷缩过程的拉伸造成离隙层现象，管内流体介质窜入离隙层导致复合管道接口产生失效。
5.因此，开发一种能够显著提高管道系统自身的防腐蚀性、耐高压和耐高温性能，管道接口安全，管道系统使用期寿命长，在70～130℃温度下能够保持较高刚度，同时保证保温层具有良好的耐压耐磨和保温效果的新型热塑性复合管道具有重要意义。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供了一种预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管道，其由外到内依次设置有外护层1、保温层2、支架3、工作管道4，所述外护层1由高密度聚乙烯制成包裹在保温层外壁上；所述保温层2用含2％～3％重量比的纳米级碳酸钙复合聚氨酯制成的增强聚氨酯保温层包覆在工作管4外壁上；所述支架3是间距为1000～1500mm的镂空木质或塑料空心圆环支架，起到支撑外护层的作用；所述工作管道4包括采用经过改性增强具有高耐热高模量高韧性的聚丙烯内层管4
‑
1、连续纤维预浸带径向轴向增强芯层4
‑
2、聚丙烯外层管4
‑
3组成的复合管材a、用复合管材同品质管件管制成的复合管接头b、复合管道熔接口c组成，所述复合管接头b由管端上台阶b1下台阶b2构成的承口和复合管材段a'，组成，所述的复合管道熔接口c由a复合管端口的上下台阶承口承插到b复合管接头管端的上下台阶承口经热熔或电熔构成c1与c2承口制成。
7.进一步的，所述聚丙烯内层管4
‑
1中含有10％～30％重量比的滑石粉改性体，通过单螺杆挤出机在160℃～230℃条件下挤出成为熔体，经定径套真空箱、冷却水箱定型切割制成。
8.进一步的，所述滑石粉改性体由硅烷与钛酸脂复配偶联剂，在1000～1500r/min的条件下，表面改性处理后得到。
9.进一步的，将所述滑石粉改性体与聚丙烯塑料按6～8:4～2的比例混合，在双螺杆挤出内在160℃～230℃条件下挤出造粒制成滑石粉改性成母粒，混合添加分散到聚丙烯材料中。
10.进一步的，所述增强芯层4
‑
2用连续纤维预浸带，以由前进方向x轴50
°
～55
°
的缠绕角多层次搭接缠绕构成增强层管熔贴在内层塑料管外层壁。
11.本发明还提供了所述预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材制作方法，包括以下步骤：
12.1)将滑石粉改性成母粒按照一定比例与pp
‑
hm塑料材料搅拌均匀后装入到内层挤出机料筒内；
13.2)开启内层挤出机挤出复合塑料熔体，经真空喷淋水冷却定型制作内层管4
‑
1；
14.3)开启多组预浸带缠绕盘，边加热预浸带与内层管表层呈熔融状态，以40～65
°
倾斜角度多层次缠绕预浸带熔贴于内层管4
‑
1外层壁，组成由轴向斜向敷设组成的连续纤维预浸带缠绕层制成的增强芯层管4
‑
2；
15.4)开启外层管挤出机，基础外层聚丙烯熔体包覆在增强芯层4
‑
2管外壁，制成聚丙烯外层管4
‑
3；
16.5)将支架3按照设定的间距固定在聚丙烯外层管4
‑
3外壁；
17.6)将聚乙烯外护层管1外套在支架3外层上，二头端封堵组成空腔体；
18.7)将纳米级碳酸钙与聚氨酯液体搅拌均匀后，用聚氨酯溶体输送机压入空腔体并发泡，制成纳米碳酸钙复合聚氨酯保温层管2。
19.进一步的，所述步骤1)中滑石粉改性成母粒与pp
‑
hm塑料材料的重量百分比为10～30％：90～70％。
20.本发明通过采用热塑性复合管道来替代钢管，解决了现有技术中管道的耐腐蚀问题；采用耐高温增强改性聚丙烯来替代普通pert与ppr材料，来提高内层塑料工作管的长期
耐热性，继而满足于热力一二级管网耐高温性能的使用要求；采用高强耐热的连续纤维预浸带缠绕在内层管外壁，以增强工作管芯层耐径向应力、抗轴向应力，实现了对管材的耐高压使用要求；采用复合管材同品质的管件管，来制作管接头，满足了管道70年全寿命周期内管材管件同品质同寿命使用的要求；采用双层热熔承插连接管道接口技术，在封堵密封管端避免管内介质窜入管层引起管道接口失效的同时，并增大承口熔接面积达到提高承口抗轴向拉伸应力的性能。
21.本发明通过采用木制或塑料制品空心圆环作为支架，使聚氨酯材料能够在支架的空心部分流动，保证了管材良好的保温效果。同时，本发明还通过采用滑石粉改性体强化聚丙烯内层管，显著提升了聚丙烯内层管力学性能，经强化后聚丙烯内层管的微卡软化点达到了157～165℃，弯曲弹性模量达到了1800～2100mpa，内层管的耐热性、刚性与热变温度点均得到了提升。最后，本发明通过调整连续纤维预浸带缠绕层的缠绕角，提升了轴线的抗拉强度。采用本发明所述方法制备连续纤维预浸带增强芯层时，缠绕角越小管道受力受温后轴向变形量越小，为使预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材能够在较高温度和压力下能够长期正常的工作，本发明采用了较小的缠绕角来提升管道的稳定性。
22.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
23.(1)本发明采用长期耐腐蚀的聚丙烯塑料作为内层管，极大的提高了管道系统自身的防腐蚀性，显著延长了管材的使用寿命。
24.(2)本发明采用高微卡软化点157～165℃无机材料改性后的聚丙烯塑料作为内层管，极大提高了管道系统的耐热性，使得改性后的管道能够在130℃的环境下长期使用。
25.(3)本发明采用高模量的聚丙烯塑料经无机材料改性后作为内层管，使得由本发明所述管材制成的管道系统能够在70～130℃的温度下保持较高的刚度。
26.(4)本发明采用高强的0～45
°
连续预浸菱形带作为增强抗径向与轴向应力的方法，极大的提高了管道自身的耐高压与耐高温性能，同时提高了管道自身抗轴向应力与降低了管道线膨胀系数，继而实现管道在温度与压力存在下管道径向与轴向尺寸的稳定性。
27.(5)本发明采用了纳米级颗粒固体来增强聚氨酯保温材料，极大提高了复配保温材料的整体强度，提升了保温体自身的抗压强度与耐磨强度，继而确保了管材保温层的耐压耐磨和保温效果。
附图说明
28.下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
29.图1为本发明预制保温连续玻璃纤维预浸带管材结构图；
30.图2为本发明预制保温连续玻璃纤维预浸带管材工作管结构图；
31.图3为本发明预制保温连续玻璃纤维预浸带管材的复合管接头b；
32.图4为本发明预制保温连续玻璃纤维预浸带管材的复合熔接口c。
33.附图标记说明：1、外护管；2、保温层；3、支架；4、工作管；4
‑
1、高耐热高模量聚丙烯内层管；4
‑
2、连续纤维预浸带增强芯层；4
‑
3、聚丙烯外层管；a'、复合管材段；b、复合管接头；b1、管端上台阶；b2、管端下台阶；c1、承接口；c2、承接口。
具体实施方式
34.本发明提供了一种预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管道，其由外到内依次设置有外护层1、保温层2、支架3、工作管道4，所述外护层1由高密度聚乙烯制成包裹在保温层外壁上；所述保温层2用含2％～3％重量比的纳米级碳酸钙复合聚氨酯制成的增强聚氨酯保温层包覆在工作管4外壁上；所述支架3是间距为1000～1500mm的镂空木质或塑料空心圆环支架，起到支撑外护层的作用；所述工作管道4包括采用经过改性增强具有高耐热高模量高韧性的聚丙烯内层管4
‑
1、连续纤维预浸带径向轴向增强芯层4
‑
2、聚丙烯外层管4
‑
3组成的复合管材a、用复合管材同品质管件管制成的复合管接头b、复合管道熔接口c组成，所述复合管接头b由管端上台阶b1下台阶b2构成的承口和复合管材段a'，组成，所述的复合管道熔接口c由a复合管端口的上下台阶承口承插到b复合管接头管端的上下台阶承口经热熔或电熔构成c1与c2承口制成。
35.在一个实施例中，所述聚丙烯内层管4
‑
1中含有10％～30％重量比的滑石粉改性体，通过单螺杆挤出机在160℃～230℃条件下挤出成为熔体，经定径套真空箱、冷却水箱定型切割制成。
36.在一个实施例中，所述滑石粉改性体由硅烷与钛酸脂复配偶联剂，在1000～1500r/min的条件下，表面改性处理后得到。
37.在一个实施例中，将所述滑石粉改性体与聚丙烯塑料按6～8:4～2的比例混合，在双螺杆挤出内在160℃～230℃条件下挤出造粒制成滑石粉改性成母粒，混合添加分散到聚丙烯材料中。
38.在一个实施例中，所述增强芯层4
‑
2用连续纤维预浸带，以由前进方向x轴50
°
～55
°
的缠绕角多层次搭接缠绕构成增强层管熔贴在内层塑料管外层壁。
39.本发明还提供了所述预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材制作方法，包括以下步骤：
40.1)将滑石粉改性成母粒按照一定比例与pp
‑
hm塑料材料搅拌均匀后装入到内层挤出机料筒内；
41.2)开启内层挤出机挤出复合塑料熔体，经真空喷淋水冷却定型制作内层管4
‑
1；
42.3)开启多组预浸带缠绕盘，边加热预浸带与内层管表层呈熔融状态，以40～65
°
倾斜角度多层次缠绕预浸带熔贴于内层管4
‑
1外层壁，组成由轴向斜向敷设组成的连续纤维预浸带缠绕层制成的增强芯层管4
‑
2；
43.4)开启外层管挤出机，基础外层聚丙烯熔体包覆在增强芯层4
‑
2管外壁，制成聚丙烯外层管4
‑
3；
44.5)将支架3按照设定的间距固定在聚丙烯外层管4
‑
3外壁；
45.6)将聚乙烯外护层管1外套在支架3外层上，二头端封堵组成空腔体；
46.7)将纳米级碳酸钙与聚氨酯液体搅拌均匀后，用聚氨酯溶体输送机压入空腔体并发泡，制成纳米碳酸钙复合聚氨酯保温层管2。
47.在一个实施例中，所述步骤1)中滑石粉改性成母粒与pp
‑
hm塑料材料的重量比为1～3：9～7。
48.本发明采用长期耐腐蚀的聚丙烯塑料作为内层管，极大延长了管道系统自身的防腐蚀及其长期寿命性；采用高微卡软化点157～165℃无机材料改性后的聚丙烯塑料作为内
层管，极大提高了管道系统耐热性，改性后的管道能够在130℃的环境下长期使用；采用高模量的聚丙烯塑料与无机材料改性后作为内层管，使得由本发明制备的管材制成的管道系统能够在70～130℃的温度下保持较高的刚度；采用高强的连续预浸带作为增强抗径向与轴向应力的方法，极大提高了管道自身的耐高压与耐高温性能，同时提高了管道的稳定性；采用絮状纤维丝束来增强聚氨酯保温材料，极大提高了复配保温材料的整体强度，提升了保温体自身的抗压强度与耐磨强度，继而确保了管材保温层的耐压耐磨保温效果。
49.以下结合实施例对本发明提供的预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材进行进一步说明。
50.实施例1
51.一种预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管道，其由外到内依次设置有外护层1、保温层2、支架3、工作管道4，所述外护层1由高密度聚乙烯制成包裹在保温层外壁上；所述保温层2用含2％重量比的纳米级碳酸钙复合聚氨酯制成的增强聚氨酯保温层包覆在工作管4外壁上；所述支架3是间距为1000mm的镂空木质或塑料空心圆环支架，起到支撑外护层的作用；所述工作管道4包括采用经过改性增强具有高耐热高模量高韧性的聚丙烯内层管4
‑
1、连续纤维预浸带径向轴向增强芯层4
‑
2、聚丙烯外层管4
‑
3组成的复合管材a、用复合管材同品质管件管制成的复合管接头b、复合管道熔接口c组成，所述复合管接头b由管端上台阶b1下台阶b2构成的承口和复合管材段a'组成，所述的复合管道熔接口c由a复合管端口的上下台阶承口承插到b复合管接头管端的上下台阶承口经热熔或电熔构成c1与c2承口制成。
52.所述聚丙烯内层管4
‑
1中含有重量百分比30％的滑石粉母粒与70％是聚丙烯材料，经搅拌均匀后，通过单螺杆挤出机在180～220℃条件下挤出成为熔体，经定径套真空箱、冷却水箱定型切割制成。
53.所述滑石粉改性体由硅烷与钛酸脂复配偶联剂，在常温下800r/min的条件下，表面改性处理后得到。
54.将所述滑石粉改性体与聚丙烯塑料按6:4的比例混合均匀，在双螺杆挤出内在200℃条件下挤出造粒制成滑石粉改性成母粒，混合添加分散到聚丙烯材料中。
55.在一个实施例中，所述增强芯层4
‑
2用连续纤维预浸带，以由前进方向x轴50
°
的缠绕角多层次搭接缠绕构成增强层管熔贴在内层塑料管外层壁。
56.所述预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管材制作方法，包括以下步骤：
57.1)将滑石粉改性成母粒按照与pp
‑
hm塑料材料按照重量比为2:8的比例搅拌均匀后装入到内层挤出机料筒内；
58.2)开启内层挤出机挤出复合塑料熔体，经真空喷淋水冷却定型制作内层管4
‑
1；
59.3)开启多组预浸带缠绕盘，边加热预浸带与内层管表层呈熔融状态，以50
°
倾斜角度多层次缠绕预浸带熔贴于内层管4
‑
1外层壁，组成由轴向斜向敷设组成的连续纤维预浸带缠绕层制成的增强芯层管4
‑
2；
60.4)开启外层管挤出机，基础外层聚丙烯熔体包覆在增强芯层4
‑
2管外壁，制成聚丙烯外层管4
‑
3；
61.5)将支架3按照设定的间距固定在聚丙烯外层管4
‑
3外壁；
62.6)将聚乙烯外护层管1外套在支架3外层上，二头端封堵组成空腔体；
63.7)将纳米级碳酸钙与聚氨酯液体搅拌均匀后，用聚氨酯溶体输送机压入空腔体并
发泡，制成纳米碳酸钙复合聚氨酯保温层管2。
64.所述连续纤维预浸带是购于市场的产品。
65.所述聚丙烯外层管4
‑
3与聚丙烯内层管4
‑
1材质相同，通过熔融挤出包覆在增强芯层4
‑
2外壁上。
66.所述的聚氨酯材料购于市场的产品。
67.所述的纳米级碳酸钙购于市场的产品。
68.所述的复合管材、复合管接头，能满足于130℃、2.0mpa、1000小时和95℃、3.0mpa、1000小时静液压试验要求。
69.所述的复合管材、复合管接头构成的管道接口，能满足于130℃、2.0mpa、1000小时和95℃、3.0mpa、1000小时和23℃、6.0mpa、1小时静液压试验要求。
70.测试例1
71.对实施例1中得到的预制保温连续玻璃纤维预浸带增强管道的各项性能进行测定，检测方法和检测结果如下：
[0072][0073]