連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸帶在管道中的應(yīng)用研究
柔性增強(qiáng)熱塑性塑料管，簡(jiǎn)稱為RTP（Reinforced Thermoplastic Pip），內(nèi)層熱塑性塑料管，材料為 PE80、PE100等熱塑性塑料，外層為保護(hù)層，根據(jù)需要可選白色（地表鋪設(shè)防紫外線）或黑色（埋地鋪設(shè)），中間層選用角度交錯(cuò)纏繞的CFRTP材料作為增強(qiáng)層，其基材可以選擇PP或PE，也就是說(shuō)CFRTP將傳統(tǒng)的一些玻纖束、聚酯纖維、鋼帶等進(jìn)行代替，該增強(qiáng)層可以為直接纏繞，也可熔融纏繞，在常溫甚至在-40℃低溫度下均可在管道行業(yè)廣泛應(yīng)用，但是，相對(duì)于復(fù)合材料體系中，HDPE拉伸強(qiáng)度很低，通過(guò)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)HDPE制成預(yù)浸帶后，具有高強(qiáng)度、高模量、高抗沖、比重輕、耐疲勞、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、低翹曲及環(huán)保可回收等優(yōu)越性能，連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)HDPE、PP預(yù)浸帶在柔性增強(qiáng)熱塑性管道（RTP）和大口徑引排水管道領(lǐng)域的應(yīng)用研究是極具影響力的。
筆者采用臺(tái)州市家得寶科技有限公司生產(chǎn)的連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)HDPE預(yù)浸帶，研究CFRTP材料的界面結(jié)合對(duì)爆破壓力的影響及連續(xù)玻纖增強(qiáng)帶纏繞層數(shù)對(duì)管道爆破壓力的影響。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要原料
HDPE：中石油、中石化原料
E-Glass：巨石、歐文斯科寧2400tex
1.2 設(shè)備儀器
連續(xù)玻纖增強(qiáng)HDPE預(yù)浸帶生產(chǎn)設(shè)備:
電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WDW-20KN，吉林省泰和試驗(yàn)機(jī)有限公司；
掃描式電子顯微鏡（SEM）：日本Hi-tachi公司
管道纏繞設(shè)備：臺(tái)州市家得寶科技有限公司；
管道爆破試驗(yàn)機(jī)：承德金建檢測(cè)設(shè)備有限公司；
1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
(1) 用連續(xù)玻纖增強(qiáng)HDPE預(yù)浸帶生產(chǎn)設(shè)備制備CFRTP材料，該材料厚度：0.3mm；寬度：5mm；長(zhǎng)度：300m；玻纖含量：60% ；
(2) 采用PE80基材、直徑110mm的HDPE管道作為內(nèi)管，通過(guò)管道纏繞設(shè)備纏繞CFRTP增強(qiáng)帶，工藝參數(shù)：纏繞角度：73°增強(qiáng)帶盤：2個(gè)
1.4 性能測(cè)試
拉伸強(qiáng)度按GB/T 3354-1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為6mm/min；
爆破壓力按GB T6111-2003測(cè)試；
掃描式電子顯微鏡（SEM）：對(duì)CFRTP材料取樣用SEM觀察并拍照
2、結(jié)果與討論
2.1、CFRTP材料對(duì)比鋼帶、玻纖束在RTP管道應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
表1 玻纖束與CFRTP-PP和CFRTP-HDPE在RTP管道中應(yīng)用的性能對(duì)比表
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項(xiàng)目 |
CFRTP-PP |
CFRTP-HDPE |
無(wú)堿玻璃纖維 |
|
|
1 |
纖維種類 |
巨石17-1200tex |
巨石17-1200tex |
巨石17-1200tex |
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2 |
熱塑性樹(shù)脂 |
聚丙烯 |
高密度聚乙烯 |
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|
3 |
材料拉伸測(cè)試（實(shí)測(cè)） |
3285N/4200tex |
3120N/4200tex |
0.52N/tex |
|
938 N/1200tex |
891 N/1200tex |
624 N/1200tex |
||
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4 |
纏繞成管道后性能損耗情況 |
≥900 N/1200tex |
≥850 N/1200tex |
≤400 N/1200tex |
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5 |
纏繞成管道后受力情況 |
結(jié)構(gòu)承載 |
結(jié)構(gòu)承載 |
分散承載 |
從表1可以看出：1、CFRTP材料拉伸性能比玻纖束要強(qiáng)50%；2、玻纖束在纏繞成管道后性能損耗比較嚴(yán)重。從圖1、2可以看出玻纖在CFRTP結(jié)構(gòu)中分布均勻，與熱塑性界面結(jié)合良好，沒(méi)有分層、孔隙等缺陷，從而保證了CFRTP材料結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定，使其不會(huì)在復(fù)雜的加工過(guò)程中受到二次損耗給成品管道帶來(lái)潛在性能影響。因此，CFRTP材料對(duì)比玻纖束在RTP管道應(yīng)用中具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。
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RTP管材 |
管材直徑/mm |
增強(qiáng)層 |
增強(qiáng)帶 拉伸強(qiáng)度 |
增強(qiáng)層重量 |
爆破壓力 |
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CFRTP-RTP管 |
110 |
2.4mmCFRTP帶材 |
700MPa |
1200g/m |
23MPa |
|
鋼帶-RTP管 |
110 |
2層鋼帶 |
690MPa |
4300g/m |
21MPa |
2.2、CFRTP材料纏繞層數(shù)對(duì)RTP管道爆破壓力的影響
表4 不同CFRTP材料的纏繞層數(shù)對(duì)RTP管道爆破壓力的影響
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NO. |
管道直徑/mm |
纏繞角度 |
CFRTP-HDPE帶寬/mm |
增強(qiáng)帶盤/個(gè) |
纏繞層數(shù) |
爆破壓力/Mpa |
|
1 |
110 |
73° |
50 |
2 |
2 |
2.2 |
|
2 |
110 |
73° |
50 |
2 |
4 |
4.5 |
|
3 |
110 |
73° |
50 |
2 |
6 |
6.5 |
|
4 |
110 |
73° |
50 |
2 |
8 |
9.1 |
|
5 |
110 |
73° |
50 |
2 |
10 |
12.1 |
從表4中可以看出：在相同管徑、纏繞角度、CFRTP帶寬、增強(qiáng)帶盤下，RTP管道的爆破壓力隨著CFRTP增強(qiáng)帶纏繞層數(shù)增加而提高。由于CFRTP帶材中玻纖與HDPE界面結(jié)合良好，使其具有很好拉伸性能和產(chǎn)品穩(wěn)定性，并且CFRTP帶材是連續(xù)有規(guī)律地纏繞于內(nèi)管之上，使RTP管道內(nèi)部所受到的壓力能夠均勻地分散至各增強(qiáng)層，從而使各增強(qiáng)層均勻承載內(nèi)部壓力。因此隨著CFRTP增強(qiáng)帶層數(shù)的增加，RTP管道的爆破壓力必然會(huì)不斷地增加。
圖4 直徑110mmCFRTP帶73°纏繞照片
3、結(jié)論
(1)CFRTP材料對(duì)比玻纖束在RTP管道應(yīng)用中具有更好的穩(wěn)定性及更高的物理性能。
(2)CFRTP材料比鋼帶在RTP管應(yīng)用具有重量更輕的優(yōu)點(diǎn)。
(3)隨著CFRTP增強(qiáng)帶層數(shù)的增加，RTP管道的爆破壓力必然會(huì)不斷地增加。
