一种超大口径的竹缠绕复合管及其制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于复合管材相关技术领域，更具体地，涉及一种超大口径的竹缠绕复合管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]目前在国内外多个行业中，均广泛需要使用到各种类型的管材。传统管材主要被划分为金属管材(如无缝钢管、球磨铸铁管等)，塑料管材(如PVC管、HDPE管等)，水泥管材以及玻璃钢管(如夹砂玻璃钢管)等类别，它们各自具备不同的性能特点，同时也呈现不同的优缺点:如无缝钢管的承压能力高、耐高温，易加工，但重量大、易腐蚀，施工困难且使用寿命一般;HDPE管的重量轻、耐腐蚀，便于加工，但耐温性能和承压能力较差、刚度小且容易老化;夹砂玻璃钢管的强度高、耐腐蚀，摩擦系数较小，但在大口径情况下承压能力有限、长期使用可能析出玻璃纤维，同时不利于回收利用，等等。
[0003]有鉴于此，本申请的发明人在早期已经提出了利用竹纤维作为主要增强材料、以树脂作为粘结剂，并采用缠绕方式来加工成型的新型生物基管材。例如，CN200910099279.2中公开了一种竹纤维缠绕复合管的制备方法，其中将管材由内到外设置为内衬层、增强层和外防护层，该增强层是由成卷的竹纤维片装在缠绕机上退卷，先经过树脂槽涂上譬如环氧树脂的改性材料，接着缠绕在直管模具的内衬层上最后经固化形成。又如，CN201010301399.9中公开了一种直竹条增强竹复管的制备方法，其中将成卷的连续竹片状在缠绕机上退卷，多条连续竹片先通过竖直槽浸泡树脂，然后环形缠绕在内衬层上成为环向增强层，接着在该环向增强层外铺设帘状直竹条对管道进行加强，外层再缠绕环向增强层，由此经固化形成增强层并最终在增强层外喷涂形成外防护层。以上这些新型生物基管材的基本原理为充分利用竹纤维的轴向拉伸强度，并在管道结构中形成无应力缺陷分布，相应与常规的各类管材相比，不仅在耐压强度、刚度、重量、防腐和绝缘性能等多项主要指标方面均表现优良，而且原材料为可再生资源，生产过程基本无三废排放，具备低碳环保、节能减排等特色，因而被列入国家重点推广的低碳技术项目目录。
[0004]然而，随着竹缠绕复合管材在多个行业和项目的推广和实际应用，进一步的研究表明，对于管道运输之类的场合而言，大口径管材作为其运输过程中的主动脉，为了满足长时期运输使用过程的性能稳定，往往在其关键性能指标和加工制造工艺等方面存在特定的要求。例如，目前常见的塑料管材用于传输应用时其最大口径可达1600_，但在开发设计过程中，不可回避的关键技术研发要点集中在如何保证其抗快速开裂和长期耐压性能等方面。与此类似地，当面对特定应用场合需要采用大口径甚至超大口径的竹缠绕复合管材的情况下，如何基于上述生物基管材的自身特点来作出针对性设计以便继续保持其独有的性能特点，并从抗弯抗撞击、环刚度、轴向拉伸强度以及避免开裂等方面均满足超大口径管材在加工制造和长期运输运用过程的质量要求，正成为本领域亟需解决的技术问题所在。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种超大口径的竹缠绕复合管及其制造方法，其中通过对各个关键组件的结构组成和设置方式充分结合超大管径的特定场合来予以考虑和重新设计，尤其是对一些直接影响到该超大口径复合管材在加工制造和使用可靠性等方面的一些重要结构参数进行调整和改进，具体测试表明，其不仅能够有效克服随着管径显著增大所造成的各种不利影响，而且还可确保此超大口径的竹缠绕复合管材长期稳定地保持自身的无应力缺陷分布特性，因而尤其适用于譬如农业灌溉、海水输送、电厂循环水、油气输送、混合砂浆、城市排水排污等应用场合。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超大口径的竹缠绕复合管，其特征在于，该竹缠绕复合管的内孔直径为1800mm?4000mm，进一步优选为2200mm?3600mm，并且从内到外依次包括内衬层、复合增强层和外防护层;其中:
[0007]所述内衬层由浸有胶黏剂的纤维毡或无纺布固化制得，并形成防渗且光滑的内壁;所述复合增强层由粘附有树脂的竹篾帘多层缠绕在所述内衬层外固化而成，该竹篾帘是由多个竹篾片通过编织线连接组成的帘状结构，所有竹篾帘相对于所述内衬层均采用缠绕角为85°?90°的环向方式进行缠绕，并且缠绕总层数被设定为14层以上;此外，所述复合增强层从内到外包括第一增强层和第二增强层，其中该第一增强层的竹篾帘采用环向竹篾帘也即所有竹篾片的长度方向与其所组成的竹篾帘长度方向均保持一致，该第二增强层的竹篾帘则采用轴向竹篾帘也即所有竹篾片的长度方向均与其所组成的竹篾帘宽度方向保持一致，并且该第一增强层的厚度至少占所述增强层总厚度的70%以上;所述外防护层直接涂覆固化在所述第二增强层的外表面，并起到防水防腐和防辐射的作用。
[0008]对于本发明的上述构思所形成的技术方案，一方面在制造该超大口径的竹缠绕复合管时，通过将作复合增强层采用多层竹篾帘而不是单独的竹篾片或条与树脂混合进行缠绕，这样不仅有助于树脂在管道径向方向上对相邻竹篾帘的间距以及它们内部的间隙均获得充分和均匀的填充，更重要的是能使得竹篾帘在环向缠绕时获得充分伸展，使其轴向拉伸强度发挥至最大化，同时可有效克服竹篾帘尾端容易翘曲的现象;另一方面，通过将复合增强层分为多层结构且各自采用不同编制方式的竹篾帘逐层加工，特别是对它们的不同厚度占比作出针对性的调整，相应可使得两种不同的竹篾帘起到很好的互补作用，并导致最终缠绕形成的复合增强层即便在管径显著扩大的情况下仍能够很好地保持管道整体结构无应力分布缺陷的特点，同时提高了竹缠绕复合管道在抗压性、环刚度以及长期使用质量稳定性等方面的性能。
[0009]作为本发明的一个改进方案，上述复合增强层优选还包括第三增强层，该第三增强层的竹篾帘同样采用环向竹篾帘也即所有竹篾片的长度方向与其所组成的竹篾帘长度方向均保持一致，然后以缠绕角为85°?90°的环向方式继续缠绕在所述第二增强层的外侦U。此外，上述第一增强层和第三增强层的厚度之和进一步被设定为占所述复合增强层总厚度的85%?90%，该第二增强层的厚度被设定为占所述复合增强层总厚度的10%?15%。较多的样品质量测试表明，上述厚度占比的数值范围使得最终制得的复合增强层及复合管材在所需缠绕厚度与整体结构强度之间取得更好的平衡，其不仅有助于复合增强层的抗压性能最优化，而且对于实际加工过程而言无需增加过大层数和造成原材料浪费，对于提高生产效率和质量可控性方面起到明显作用。
[0010]作为本发明的另一改进方案，对于组成所述环向竹篾帘中的各个竹篾片而言，其规格参数优选设定如下:长为1500mm?2500mm、宽为4mm?10mm、厚度为0.5mm?1.5mm，并且逐片搭接形成长度大于100m、宽度为20mm?50mm的环向竹篾帘。此外，对于组成所述轴向竹篾帘的各个竹篾片而言，其规格参数优选设定如下:长为20mm?50mm、宽为4mm?10mm、厚度为0.5mm?1.5mm，并且逐片搭接形成长度大于100m、宽度为20mm?50mm的环向竹篾帘。之所以对以上竹篾片及两类竹篾帘的具体规格参数作出以上设计，主要是考虑到它们作为复合增强层中的基础组成部分之一，其所具备的竹纤维尺寸及其排列组合方式均会直接影响到各竹篾片以及竹篾卷的强度尤其是轴向拉伸强度，因此在本专利中将其同样进行了针对性的研究和测试，并设定以上的具体参数规格以便更好地符合超大口径竹缠绕管材的制造和使用要求。
[0011 ]作为本发明的另一改进方案，上述竹篾片的横截面形状优选被加工为矩形，含水量为10%?20%，并且相邻竹篾片之间的间隙面积为0.09cm2?0.25cm2。通过以上设计，矩形的竹篾片不仅有助于在端面进行搭接，同时在其内外侧面上也可获得更大程度的彼此贴近，相应使得在复合增强层的各个方向上均可充分获取竹纤维的高轴向拉伸强度特性;此夕卜，竹篾片和含水量和间隙面积还会对树脂组分的填充过程起到较大的影响，上述特定规格能够使得树脂更易于渗入到竹篾帘中与其充分结合，进而有助于提高各类增强层的结构强度和抗弯抗撞击等性能。
[0012]作为本发明的另一改进方案，上述复合增强层的总厚度被设定为占整体管材壁厚的90 %以上，进一步优选为占整体管材壁厚的92 %?96 %。以此方式，能够充分发挥复合增强层对整个超大口径竹缠绕管承压方面所起到核心作用，并便于对各组成层之间的加工质量控制起到指导作用。
[0013]作为本发明的又一改进方案，上述复合增强层中除了竹篾帘和树脂之外，还可添加有生物基填料以及固化剂，其中所述树脂、生物基填料和固化剂这三者之间的质量份数被设定为100:15?25:2?5，并一同混合后淋浇粘附于所述竹篾帘上。此外，所述树脂选自于聚氨酯树脂、酚醛树脂、脲醛树脂或者环氧树脂中的一种;所述生物基填料选自竹、木、麻、秸杆、植物果壳或其他硬质生物材料，并且其平均目数设定为20?100。通过以上设计，包含生物基填料、固化剂的树脂混合物能够促进与竹篾帘以及竹纤维之间的填充和结合，并且上述具体类型和颗粒度的生物基填料与竹纤维之间具备很好的亲和性，进而能够进一步提高复合增强层的结构强度。
[0014]作为本发明的又一改进方案，对于上述内衬层而言，其厚度至少为2mm，并优选从内到外包括第一内衬层和第二内衬层，其中该第一内衬层的厚度小于该第二内衬层，并且该第一内衬层的树脂粘附量被设定为大于该第二内衬层。此外，上述内衬层中的的纤维毡或无纺布优选为竹纤维毡或竹纤维无纺布，并且该竹纤维的直径为0.8mm?1.2mm;所述第一内衬层优选采用35g/m2?50g/m2的纤维毡或无纺布，所述第二内衬层优选采用150g/m2?30