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连续玻璃纤维(CFRT)增强聚乙烯管作为一种新型的复合管道以其重量轻、强度高、成本低、耐腐蚀、绿色环保等一系列的独特优势,在市政、水利、煤炭、化学、油气等领域等有着巨大的应用前景,受到管道行业的广泛关注,因此,近些年来连续玻璃纤维增强聚乙烯管复合材料及其工艺研究都进展十分迅速。
国内外的管道企业对连续玻璃纤维增强聚乙烯管复合材料及其工艺进行了深入的研究,也取得了一些成果,比如荷兰 Airborne公司开发成功的连续纤维增强热塑性塑料增强复合管2012年获得了JEC美洲创新奖。美国企业 Composite Fluid Transfer LLC开发成功的连续纤维增强聚乙烯管获2013 JEC 美国创新奖。国内企业如晨光、伟星、合宁等企业也在积极开发玻璃纤维增强聚乙烯管等等。但目前产品大都集中在小口径(300mm以下)管道或者低压排水管道等市场领域,而大口径管道开发领域存在产品成本高,生产效率低,市场竞争力不强等缺点,无法在大口径管道领域市场上大规模的推广和应用,纤维增强大口径热塑性管道国内外都处在开发阶段。
玻纤预浸、复合、直接缠绕成型增强聚乙烯管工艺(简称CHY工艺)的出现,有效的解决了现行工艺中大直径管熔接不方便、用料太费、成本太高、效率低下等问题,使得大口径连续玻璃纤维增强聚乙烯管大规模使用成为可能。
1.CHY工艺介绍
CHY工艺主要包括玻璃纤维预浸、烘干、玻璃纤维与聚乙烯复合、复合纤维缠绕4个主要步骤,以及由它们组成的连续生产工艺过程,其既可以独立生产,也可以与带缠聚乙烯管工艺或者克拉管工艺结合起来生产“芯管+增强层+保护层”结构的聚乙烯复合管(简称CHY复合管)。工艺流程图如下所示:
CHY工艺具体工艺过程如下所示:
CHY工艺主要生产设备包括:玻璃钢管道缠绕机、单螺杆挤出机、玻璃纤维预浸装置,烘箱、玻璃纤维与聚乙烯复合装置及其配套的辅助设施。
2.CHY复合管道结构及连接方式
CHY热塑性复合管由三层组成。内层是采用PE100级高密度聚乙烯作为内衬层,是连续的实壁层,用挤出熔融的聚乙烯带材片材在预热的芯模上缠绕熔接成型,也可以用预制的薄壁实壁管。中间层是是采用往复式缠绕工艺用复合玻纤多层缠绕形成的增强层。往复式缠绕工艺在热固性玻璃钢管道行业已经得到广泛应用,非常成熟可靠,缠绕角的大小可以根据实际需要调整。外层是高密度聚乙烯的外护层,用挤出熔融的聚乙烯带片材缠绕熔接成型。在需要某些功能(如成型承口插口)时可以通过反复缠绕局部增加厚度。
CHY热塑性复合管材的两端分别通过缠绕熔接和机械加工成型连接体的承口、插口。
3.CHY工艺优势
CHY工艺与当前为先进的连续玻纤增强HDPE/PP预浸带的柔性热塑性复合塑料管相比较,在技术先进性方面主要体现在:
(1)技术先进:CHY工艺技术水平在国、内外均属。工艺技术要点是采用了塑料挤出、纤维预浸、管道缠绕联合一次成型的工艺技术。其中:①增强纤维的在线预浸技术是CHY工艺的专有技术,②将塑料挤出、纤维预浸、管道缠绕三大工艺模块集成在一起,形成联合一次成型的技术也是CHY工艺的专有技术。
(2)采用单丝并排缠绕的工艺与带式缠绕的方式相比较张力控制更加容易,通过合理设计的张力装置能保证每根丝张力一致和恒定,不存在带式缠绕时中央与边缘存在张力差需要精密机构校正的问题。同时,一次性的将热塑性树脂和纤维复合并融合成一个整体结构,比先制带然后将纤维带表面树脂加热再熔化复合的方式熔接的效果更好,保证断面形成整体的增强结构。为了保证纤维带的再加热融合的性能,通常纤维带的厚度设计得比较薄0.2-0.3mm左右。这样如果要达到设计色3-5mm的增强层厚度,需要10层以上的纤维带融合形成。因此,需要使用10台以上的带式缠绕机,设备投资很大,同时多层的熔接对工艺控制的要求非常高,对加热和冷却方式的选择非常严格。而采用CHY的复合纤维丝的复合方式,由于可以往复缠绕,同时单丝的厚度可以达到1-2mm,所以配置一台或者两台缠绕机就可以达到需要的增强层厚度,设备投资比较小。从复合工艺的方面来看,熔融状态的树脂和纤维直接熔接成增强体,不需要使用非常高级的加热装置就可以保证良好的熔接效果。
(3)适应性广:基体材料可选用多种热塑性塑料,如PE、PP、PA等,用于增强的纤维可选用玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等各种高性能纤维。根据基本材料或增强纤维的不同,只需要调整相关工艺参数即可。
(4)调整方便:在生产制造管材时,CHY工艺根据复合管材性能、规格的不同,可以在线方便、灵活的调整三大工艺模块工艺参数,进行调整、组合、匹配,以满足产品的符合性要求。
(5)成本低廉:由于集成了挤出、预浸、缠绕三大工艺,减少了很多中间工艺环节,因此采用CHY工艺技术制造的复合管材,具有能耗低、材料省、效率高的成本优势。
4.CHY工艺复合材料性能优势
复合材料是基体材料与骨架材料的复合体,骨架材料对制品的性能和寿命起着决定性作用。在CHY复合管中玻璃纤维就是骨架材料,骨架材料与基体材料的界面结合性能决定玻璃纤维发挥作用的程度。下表是未经专用浸润剂处理的复合材料和经过CHY工艺专用浸润剂处理的复合材料的力学性能对比(测试标准:GB/T-1447):
| CHY复合材料拉伸断裂强度(MPA)
| |||||
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玻璃纤维含量(%)
|
20%
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30%
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40%
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50%
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60%
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玻纤表面经过CHY工艺过程处理(MPA)
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133
|
182
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246
|
289
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354
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玻纤表面未进行CHY处理(MPA)
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98
|
131
|
182
|
221
|
265
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