高性能纤维增强聚乙烯复合管及其制备方法
【专利摘要】本发明要解决的问题是：提供一种适用性更强，使用寿命更加稳定的高性能纤维增强聚乙烯复合管及其制备方法。其制备方法包括如下步骤：（1）上料、（2）芯管挤出成型、（3）真空定径和冷却、（4）前牵引和纤维缠绕（5）覆结合层、（6）挤出外层并冷却、（7）印字计米、（8）管材切割。其结构其截面由外至内依次包括外层、外层结合层、纤维增强层、芯管结合层和芯管。有益效果在于：1）可大大增加管道的压力等级；2）可便于维修时带压打孔；3）可进行热熔焊接，避免了电熔焊接时受人员工作经验、专业素质的人为影响。
【专利说明】高性能纤维增强聚乙烯复合管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及市政工程【技术领域】，尤其涉及一种高性能纤维增强聚乙烯复合管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中，在市政工程、油田气田、化学工业、电力工程、冶金矿山、海水输送、船舶制造、农业喷灌等领域中实用的输送管道较为先机的是钢丝网骨架(钢骨架)聚乙烯复合管。
[0003]钢丝网骨架塑料复合管是一过改良的新型的钢骨架塑料复合管。这种管材又称为srtp管。这种新型管道是用高强度过塑钢丝网骨架和热塑性塑料聚乙烯为原材料，钢丝缠绕网作为聚乙烯塑料管的骨架增强体，以高密度聚乙烯(HDPE)为基体，采用高性能的HDPE改性粘结树脂将钢丝骨架与内、外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起，使之具有优良的复合效果。因为有了高强度钢丝增强体被包覆在连续热塑性塑料之中，因此这种复合管克服了钢管和塑料管各自的缺点，而又保持了钢管和塑料管各自的优点。
[0004]钢丝网骨架塑料复合管，采用了优质的材质和先进的生产工艺，使之具有更高的耐压性能。同时，该复合管具有优良的柔性，适用于长距离埋地用供水、输气管道系统。钢丝网骨架聚乙烯复合管采用的管件是聚乙烯电熔管件。连接时，利用管件内部发热体将管材外层塑料与管件芯管塑料熔融，把管材与管件可靠地连接在一起。
[0005]这种管道的标准使用寿命为50年，属于柔性管道，由于钢丝网骨架结构作用，其抗冲击性性好，抗拉、耐压强度高，持久机械性能高；韧性好，不易断裂；使用温度范围从-40°C _70°C均可使用；具有优异的抗化学腐蚀性，对酸、碱盐溶液、有机溶剂等约275种腐蚀性介质有良好的耐腐蚀性。虽然有这样那样的优点，但是，该管道不能够在输送介质的工作中带压开孔，从而在销售的过程中，经常会因为客户的这一要求而无法满足。
[0006]高性能纤维包括芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维等纤维。
[0007]芳纶纤维属于高性能纤维的一种，其具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是一般钢丝的5?6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2?3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560摄氏度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。
[0008]芳纶纤维的性能如下:
[0009]1、良好的机械特性
[0010]芳纶纤维是一种柔性高分子，断裂强度高于普通涤纶、棉、尼龙等，伸长率较大，手感柔软，可纺性好，可生产成不同纤度、长度的短纤维和长丝，在一般纺织机械制成不同纱支织成面料、无纺布，经过后整理，满足不同领域的防护服装的要求。
[0011]2、优异的阻燃、耐热性能
[0012]芳纶纤维的极限氧指数(LOI)大于28，因此当它离开火焰时不会继续燃烧芳纶纤维的阻燃特性是由其自身化学结构所决定的，因而是一种永久阻燃纤维，不会因使用时间和洗涤次数降低或丧失阻燃性能。；芳纶纤维具有很好的热稳定性，在205°C的条件下可以连续使用，在大于205°C高温条件下仍能保持较高的强力。芳纶纤维具有较高的分解温度，而且在高温条件下不会熔融、融滴，当温度大于370°C时才开始炭化。
[0013]3、稳定的化学性质
[0014]芳纶纤维具有优异的耐大多数化学物质的性能，可耐大多数高浓度的无机酸，常温下耐碱性能好。
[0015]4、耐辐射性
[0016]芳纶纤维的耐辐射性能十分优异。例如在1.2 X 10-2w/in2紫外线和
1.72X IOSrads的Y射线的长时间照射下，其强度仍保持不变。
[0017]5、耐久性
[0018]芳纶纤维优良的耐摩擦和耐化学品性能，经过100次洗涤后，用纽士达fceg;芳纶纤维加工的布料撕破强力仍可以达到原强力的85%以上。
[0019]碳纤维的主要性能
[0020]I强度高。其抗拉强度在3500MPa以上。
[0021]2模量高。其弹性模量在230GPa以上。
[0022]3密度小，比强度高。碳纤维的密度是钢的1/4，是铝合金的1/2，其比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。
[0023]4能耐超高温。在非氧化气氛条件下，碳纤维可在2000°C时使用，在3000°C的高温下不融熔软化。
[0024]5耐低温性能好。在_180°C低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软。
[0025]6耐酸性能好。能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%
[0026]的盐酸、硫酸和磷酸中，200d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和钼金。此外，碳纤维的耐油、耐腐蚀性能也很好。
[0027]7热膨胀系数小，导热系数大。可以耐急冷急热，即使从3000°C的高温突然降到室温也不会炸裂。
[0028]8防原子辐射，能使中子减速。
[0029]9导电性能好(5?17 μ Ωηι)。
[0030]10轴向抗剪切模量较低，断裂延伸率小，耐冲击差，并且后加工较为困难。
[0031]玻璃纤维的主要性能
[0032]I密度玻璃纤维的密度高于有机纤维，但低于金属纤维。
[0033]2断裂强度玻璃纤维具有较高的拉伸强度，在相同重量时，其断裂强度比钢丝高2?4倍。
[0034]3尺寸稳定性玻璃纤维不会因环境温度变化而变形，最大伸长率仅为3%。玻璃纤维的应力应变之间保持线性关系，直至断裂。
[0035]4玻璃纤维的硬度较高，约为锦纶的15倍。玻璃纤维的硬度与其固有的脆性相结合，构成了突出的低弯曲阻抗性。在对玻璃纤维进行纺织加工的过程中，玻璃纤维会受到弯曲应力，为了提高纤维的弯曲阻抗性，其直径应减少。[0036]5玻璃纤维有很好的耐热性，本身不会引起燃烧，玻璃纤维在较低的温度下受热，其性能虽变化不大，但会引起收缩现象。玻璃纤维的导热系数非常小，因而它常用于管道和容器的隔热，以及作为成型件的绝缘壳。
[0037]6玻璃纤维对腐蚀性化学品如酸和碱，有好的阻抗，它几乎不受有机溶剂的影响，并对大多数无机化合物是稳定的。
[0038]7电性能:玻璃纤维具有高的比电阻和低的电介质常数。
【发明内容】
[0039]本发明要解决的问题是:提供一种适用性更强，承压能力更强，的高性能纤维增强聚乙烯复合管及其制备方法。
[0040]本发明的技术方案如下:一种高性能纤维增强聚乙烯复合管的制备方法，包括以下步骤:
[0041](I)上料:以颗粒状聚乙烯为主料配成高性能纤维增强聚乙烯复合管的芯管及外层原料，将原料分别放入芯管聚乙烯管螺杆挤塑机和外层聚乙烯管挤塑机的料斗；
[0042](2)芯管挤出成型:芯管聚乙烯管螺杆挤塑机挤出聚乙烯进入芯管聚乙烯管模具成型，得到芯管坯料；
[0043](3)真空定径和冷却:快速向芯管坯料孔喷冷却水，使芯管快速冷却定型进而固定内径，再向芯管坯料连续喷水两次进一步冷却，得到芯管成品；
[0044](4)前牵引和纤维缠绕:芯管通过牵引机进入缠绕机，在芯管外表面以45度至60度的角度左右缠绕至少两层高性能纤维丝或者由高性能纤维制成的扁平纤维带，形成纤维增强层；
[0045](5)覆结合层:胶层挤出机挤出熔融状态的中密度聚乙烯或环氧树脂将纤维增强层与芯管粘接在一起；
[0046](6)挤出外层并冷却:外层聚乙烯管挤塑机挤出聚乙烯进入外层聚乙烯管模具，在纤维增强层外表面成型外层聚乙烯管，向外层连续喷水两次冷却，得到高性能纤维增强聚乙烯复合管；
[0047](7)印字计米:纤维增强层骨架复合管通过牵引机进入印字计米装置进行表面文字印制和长度标示；
[0048](8)管材切割:用切割机将印字计米后的高性能纤维增强复合管分断成规定长度。
[0049]进一步，步骤(2)所述芯管聚乙烯管螺杆挤出机与芯管聚乙烯管模具是一体的。
[0050]进一步，步骤(6)所述外层聚乙烯管挤塑机与外层聚乙烯管模具是一体的。
[0051]进一步，步骤(4)中的高性能纤维优选芳纶纤维。
[0052]一种纤维增强层聚乙烯复合管，其截面由外至内依次包括外层、外层结合层、纤维增强层、芯管结合层和芯管。
[0053]进一步，所述外层和芯管为PE管。
[0054]进一步，所述外层结合层和芯管结合层为中密度聚乙烯或环氧树脂。
[0055]进一步，所述纤维增强层由高性能纤维丝或者由高性能纤维制成的扁平纤维带制成。
[0056]进一步，所述纤维增强层至少为两层。[0057]进一步，所述纤维增强层所采用的高性能纤维为芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维。
[0058]再进一步，所述芳纶纤维优选对位芳纶纤维。
[0059]本发明的有益效果在于:1)可大大增加管道的压力等级；2)可便于维修时带压打孔；3)可进行热熔焊接，避免了电熔焊接时受人员工作经验、专业素质的人为影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]图1是本发明中制备方法的流程图。
[0061]图2是本发明中高性能纤维增强聚乙烯复合管的截面结构示意图。
[0062]其中:1、外层，2、外层结合层，
[0063]3、纤维增强层，4、芯管结合层，
[0064]5、芯管。
【具体实施方式】
[0065]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作出简要说明。
[0066]实施例1
[0067]本实施例中所采用的高性能纤维为芳纶纤维，且为对位芳纶纤维。
[0068]如图1所示，一种高性能纤维增强聚乙烯复合管的制备方法，包括以下步骤:
[0069](I)上料:以颗粒状聚乙烯为主料配成高性能纤维增强聚乙烯复合管的芯管及外层原料，将原料分别放入芯管聚乙烯管螺杆挤塑机和外层聚乙烯管挤塑机的料斗；
[0070](2)芯管挤出成型:芯管聚乙烯管螺杆挤塑机挤出聚乙烯进入芯管聚乙烯管模具成型，得到芯管坯料；
[0071](3)真空定径和冷却:快速向芯管坯料孔喷冷却水，使芯管快速冷却定型进而固定内径，再向芯管坯料连续喷水两次进一步冷却，得到芯管成品；
[0072](4)前牵引和纤维缠绕:芯管通过牵引机进入缠绕机，在芯管外表面以45度至60度的角度左右缠绕至少两层芳纶纤维丝或者由芳纶纤维制成的扁平纤维带，形成纤维增强层；
[0073](5)覆结合层:胶层挤出机挤出熔融状态的中密度聚乙烯或环氧树脂将纤维增强层与芯管粘接在一起；
[0074](6)挤出外层并冷却:外层聚乙烯管挤塑机挤出聚乙烯进入外层聚乙烯管模具，在纤维增强层外表面成型外层聚乙烯管，向外层连续喷水两次冷却，得到高性能纤维增强聚乙烯复合管；
[0075](7)印字计米:纤维增强层骨架复合管通过牵引机进入印字计米装置进行表面文字印制和长度标示；
[0076](8)管材切割:用切割机将印字计米后的高性能纤维增强复合管分断成规定长度。
[0077]如图2所示，一种纤维增强层聚乙烯复合管，其截面由外至内依次包括PE外层1、外层结合层2、纤维增强层3、芯管结合层4和PE芯管5。
[0078]所述外层结合层2和芯管结合层4为中密度聚乙烯或环氧树脂。所述纤维增强层3由对位芳纶纤维丝或者由对位芳纶纤维制成的扁平纤维带制成多层复合网。
[0079]数据对比:如表一所示
【权利要求】
1.一种高性能纤维增强聚乙烯复合管的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)上料:以颗粒状聚乙烯为主料配成高性能纤维增强聚乙烯复合管的芯管及外层原料，将原料分别放入芯管聚乙烯管螺杆挤塑机和外层聚乙烯管挤塑机的料斗； (2)芯管挤出成型:芯管聚乙烯管螺杆挤塑机挤出聚乙烯进入芯管聚乙烯管模具成型，得到芯管坯料； (3)真空定径和冷却:快速向芯管坯料孔喷冷却水，使芯管快速冷却定型进而固定内径，再向芯管坯料连续喷水两次进一步冷却，得到芯管成品； (4)前牵引和纤维缠绕:芯管通过牵引机进入缠绕机，在芯管外表面以45度至60度的角度左右缠绕至少两层高性能纤维丝或者由高性能纤维制成的扁平纤维带，形成纤维增强层； (5)覆结合层:胶层挤出机挤出熔融状态的中密度聚乙烯或环氧树脂将纤维增强层与芯管粘接在一起； (6)挤出外层并冷却:外层聚乙烯管挤塑机挤出聚乙烯进入外层聚乙烯管模具，在纤维增强层外表面成型外层聚乙烯管，向外层连续喷水两次冷却，得到高性能纤维增强聚乙烯复合管； (7)印字计米:纤维增强层骨架复合管通过牵引机进入印字计米装置进行表面文字印制和长度标示； (8)管材切割:用切割机将印字计米后的高性能纤维增强复合管分断成规定长度。
2.根据权利要求1所述高性能纤维增强聚乙烯复合管的制备方法，其特征在于:步骤(2)所述芯管聚乙烯管螺杆挤出机与芯管聚乙烯管模具是一体的。
3.根据权利要求1所述高性能纤维增强聚乙烯复合管的制备方法，其特征在于:步骤(6 )所述外层聚乙烯管挤塑机与外层聚乙烯管模具是一体的。
4.根据权利要求1所述高性能纤维增强聚乙烯复合管的制备方法，其特征在于:步骤(4)中的高性能纤维包括芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维。
5.一种纤维增强层聚乙烯复合管，其特征在于:其截面由外至内依次包括外层(I)、外层结合层(2)、纤维增强层(3)、芯管结合层(4)和芯管(5)。
6.根据权利要求5所述纤维增强层聚乙烯复合管，其特征在于:所述外层(I)和芯管(5)为PE管。
7.根据权利要求5所述纤维增强层聚乙烯复合管，其特征在于:所述外层结合层(2)和芯管结合层(3 )为中密度聚乙烯或环氧树脂。
8.根据权利要求5所述纤维增强层聚乙烯复合管，其特征在于:所述纤维增强层(3)由高性能纤维丝或者由高性能纤维制成的扁平纤维带制成。
9.根据权利要求5所述纤维增强层聚乙烯复合管，其特征在于:所述纤维增强层(3)至少为两层。
10.根据权利要求5所述纤维增强层聚乙烯复合管，其特征在于:所述纤维增强层(3)所采用的高性能纤维为芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维。
【文档编号】F16L9/12GK103847106SQ201410008225
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】诸葛文娜, 王岗, 欧阳青 申请人:天津耀德环保科技有限公司