CN103722781A - 一种复合夹芯保温管材及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合夹芯保温管材及其制作方法，复合夹芯保温管材包括连续纤维增强塑料复合管材层、纤维布层、保温层、增强材料。在保温层内或外设置增强材料，保温管材的内层和外层为连续纤维增强塑料复合管材层，复合夹芯保温管材是由连续纤维增强塑料复合管材层、保温层和增强材料采用一次性发泡成型。本发明结构简洁、保温性好、降低了流体的流动噪声，并且一体成型，具有抗震动强、寿命长的特点，可以广泛适用于耐高温地下直埋保温管道、气体和液体材料的输送。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，尤其是涉及一种复合夹芯保温管材及其制作方法。
背景技术
目前在管道的保温方面，采用将保温外壳主要采用金属管材外壳、玻璃钢管材外壳或混凝土外壳，由于金属管材外壳和混凝土外壳的重量大，金属管材外壳易生锈、混凝土外壳经受碰撞后易裂碎，严重影响了保温管材的整体强度，而玻璃钢管材外壳的保温管材的强度较连续纤维增强塑料复合管材的强度低，刚性差，因此，开发一种新型、节能环保的保温管材具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构更为科学合理，既具有传统保温管材优良的隔热保温性能，又具有强度高、耐腐蚀性能好、质量轻等性能的复合夹芯保温管材及其制备方法，该复合夹芯保温管材可作为耐高温防潮防水的地下直埋保温管道用于气体和液体材料的输送。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种复合夹芯保温管材，该管材包括自内向外呈同心套设的内层、保温层和外层。
所述的内层由连续纤维增强复合管材层与其外表面的纤维布层组成；所述的外层由连续纤维增强复合管材层与其内表面的纤维布层组成。
所述的连续纤维增强复合管材层采用的塑料基材选自聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6、尼龙66、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚氯乙烯中的一种；
所述的连续纤维增强复合管材层采用的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维中的一种。
所述的连续纤维增强塑料复合管材层的厚度为2～50mm，管材层中纤维的含量为30～70wt％。
所述的纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的外表面或内表面并与连续纤维增强塑料复合管材表面形成良好结合。
所述的纤维布层的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、尼龙或聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或一种以上。
纤维布层的厚度为0.2～1mm。
纤维布的成型工艺为热轧成型或浸胶成型。
纤维布表面为凹凸不平表面。
作为优选的方案，纤维布表面有网点纹或菱形纹。
所述的保温层的材料选自聚氨酯或聚苯乙烯中的一种。
所述的保温层厚度为5～200mm。
所述的保温层内设增强材料，增强材料的材质为金属网或玻璃纤维毡或金属构件；所述的增强材料金属网或玻璃纤维毡的厚度范围是3～15mm。
复合夹芯保温管材的制作方法，包括以下步骤：
(1)制作内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，缠绕到充气状态的涨紧成型模具上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到内层；
d.在充气状态的涨紧成型模具上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，缠绕到纤维布层上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到外层；
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承上，外层用施压模具与卡具固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具一端的注料口向内层和外层中间的环形空间注入保温发泡材料，在一定的温度和压力下，保温保压一定的时间；
c.松开卡具，放掉涨紧轴承中的气体，将管材取出，得到复合夹芯保温管材。
步骤(1)中所述的热熔的温度为140～270℃，优选170～240℃，辊压的压力为3～10MPa；步骤(2)中保温温度为60～80℃，保压压力为3～10MPa，保温保压的时间为10～50min，制作得到的复合夹芯保温管材的截面形状为圆形或方形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明的复合夹芯保温管材既具有优良的隔热保温性能，又具有强度高、耐腐蚀性能好、质量轻等性能特点，因此，可适用于耐高温地下直埋保温管道、气体和液体材料的输送。
2.本发明具有结构简单、美观、方便加工和强度高等特点，适用范围广。
3.本发明的复合夹芯保温管材具有使用年限长的优点，使用本发明的复合夹芯保温管材，在节能减排及环境保护方面具体突出优点。
附图说明
图1为复合夹芯保温管材的结构示意图；
图2为连续纤维增强复合管材层的结构示意图；
图3为金属构件的结构示意图；
图4为内层和外层制备流程示意图；
图5为一次性发泡成型示意图；
图中，1为内层、101为连续纤维增强复合管材层、102为纤维布层、2为保温层、3为外层、301为连续纤维增强复合管材层、302为纤维布层、4为涨紧轴承、5为注料口、6为卡具、7为施压模具、8为连续纤维增强塑料复合片材、9为导辊、10为加热箱、11为涨紧成型模具、12为冷却辊、13为金属构件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示的一种复合夹芯保温管材，从内到外依次为内层1、保温层2、外层3。本实施例中所述的连续纤维增强塑料复合管材为连续玻璃纤维增强聚丙烯复合管材。内层1为连续纤维增强塑料复合管材层101与其外侧的纤维布层102组成。外层3为连续纤维增强塑料复合管材层301与其内侧的纤维布层302组成。连续纤维增强塑料复合管材层厚度为2mm，玻璃纤维的含量为70wt％。纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的内表面或外表面，与连续纤维增强塑料复合管材表面良好结合。纤维布的材质为PET，表面有菱形纹，厚度为0.2mm，采用热轧工艺成型。
保温层2为聚氨酯发泡材料，保温层厚度为5mm。保温层内设增强材料，增强材料的材质为金属构件13，厚度是3mm，金属构件13的形状如图3。
如图4和图5所示，所述的复合夹芯保温管材采用以下方法制备：
(1)制备内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材8通过导辊9输送到加热箱10预热后热熔，缠绕到充气状态的涨紧成型模具11上，通过冷却辊12辊压的方式提缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为3MPa。热熔温度范围为170℃；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊12内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具11中的气体，将材料从涨紧成型模具上脱下得到内层。
d.先在充气状态的涨紧成型模具11上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过加热箱10预热后热熔，缠绕到纤维布层上，通过冷却辊12辊压的方式提缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为3Mpa，热熔温度范围为170℃；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊12内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具11中的气体，将材料从涨紧成型模具上脱下得到外层。
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承4上，外层用施压模具7与卡具6固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具6将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具6一端的注料口5向内层和外层中间的环形空间注入聚氨酯发泡材料，在60℃温度和3MPa压力下，保温保压10min；
c.松开卡具6，放掉涨紧轴承4中的气体，将管材取出，得到复合夹芯保温管材。
实施例2
如图1所示的一种复合夹芯保温管材，从内到外依次为内层1、保温层2、外层3。本实施例中连续纤维增强塑料复合管材为连续芳纶纤维增强PA6复合管材。内层1为连续纤维增强塑料复合管材层101与其外侧的纤维布层102组成。外层3为连续纤维增强塑料复合管材层301与其内侧的纤维布层302组成。其中，连续纤维增强塑料复合管材层厚度为50mm，纤维的含量为30wt％。
所述的纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的内表面或外表面，与连续纤维增强塑料复合管材表面良好结合。纤维布的材质为PET，表面有网点纹，厚度为1mm，采用热轧工艺成型。
所述的保温层为聚苯乙烯发泡材料，保温层厚度为200mm。如图2所示，保温层内设增强材料4，增强材料的材质为玻璃纤维毡，厚度是15mm。
所述的复合夹芯保温管材采用以下方法制备：
(1)制备内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材8通过导辊9输送到加热箱10预热后热熔，缠绕到充气状态的涨紧成型模具11上，通过冷却辊12辊压的方式提缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为10MPa。热熔温度范围为240℃；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊12内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具11中的气体，将材料从涨紧成型模具上脱下得到内层。
d.先在充气状态的涨紧成型模具11上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过加热箱10预热后热熔，缠绕到纤维布层上，通过冷却辊12辊压的方式提缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为10MPa，热熔温度范围为240℃；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊12内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具11中的气体，将材料从涨紧成型模具上脱下得到外层。
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承4上，外层用施压模具7与卡具6固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具6将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具6一端的注料口5向内层和外层中间的环形空间注入聚苯乙烯发泡材料，在80℃温度和10MPa压力下，保温保压50min；
c.松开卡具6，放掉涨紧轴承4中的气体，将管材取出，得到复合夹芯保温管材。
实施例3
一种复合夹芯保温管材，该管材包括自内向外呈同心套设的内层、保温层及外层。其中，内层由连续纤维增强复合管材层与其外表面的纤维布层组成，外层由连续纤维增强复合管材层与其内表面的纤维布层组成。连续纤维增强复合管材层采用的塑料基材为聚对苯二甲酸乙二醇酯，采用的连续纤维为碳纤维，纤维的含量为40wt％，连续纤维增强塑料复合管材层的厚度为10mm，纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的外表面或内表面并与连续纤维增强塑料复合管材表面形成良好结合。纤维布层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为0.5mm，纤维布的成型工艺为热轧成型，纤维布表面为凹凸不平表面。保温层的材料为聚氨酯，保温层厚度为20mm。另外，在保温层内设增强材料，增强材料的材质为厚度3mm的玻璃纤维毡。
复合夹芯保温管材的制作方法，包括以下步骤：
(1)制作内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，热熔的温度为255℃，缠绕到充气状态的涨紧成型模具上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为5MPa；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到内层；
d.在充气状态的涨紧成型模具上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，热熔的温度为255℃，缠绕到纤维布层上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为5MPa；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到外层；
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承上，外层用施压模具与卡具固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具一端的注料口向内层和外层中间的环形空间注入保温发泡材料，控制温度为60℃，压力为5MPa，，保温保压30min；
c.松开卡具，放掉涨紧轴承中的气体，将管材取出，得到截面形状为方形复合夹芯保温管材。
实施例4
一种复合夹芯保温管材，该管材由包括内向外呈同心套设的内层、保温层及外层。其中，内层由连续纤维增强复合管材层与其外表面的纤维布层组成，外层由连续纤维增强复合管材层与其内表面的纤维布层组成。连续纤维增强复合管材层采用的塑料基材为尼龙66，采用的连续纤维为玄武岩纤维，纤维的含量为40wt％，连续纤维增强塑料复合管材层的厚度为20mm，纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的外表面或内表面并与连续纤维增强塑料复合管材表面形成良好结合。纤维布层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为0.35mm，纤维布的成型工艺为热轧成型，纤维布表面为凹凸不平表面。保温层的材料为聚氨酯，保温层厚度为20mm。
复合夹芯保温管材的制作方法，包括以下步骤：
(1)制作内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，热熔的温度为270℃，缠绕到充气状态的涨紧成型模具上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为5MPa；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到内层；
d.在充气状态的涨紧成型模具上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，热熔的温度为270℃，缠绕到纤维布层上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为5MPa；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到外层；
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承上，外层用施压模具与卡具固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具一端的注料口向内层和外层中间的环形空间注入保温发泡材料，控制温度为60℃，压力为5MPa，，保温保压30min；
c.松开卡具，放掉涨紧轴承中的气体，将管材取出，得到截面形状为方形复合夹芯保温管材。
实施例5
一种复合夹芯保温管材，该管材包括自内向外呈同心套设的内层、保温层及外层。其中，内层由连续纤维增强复合管材层与其外表面的纤维布层组成，外层由连续纤维增强复合管材层与其内表面的纤维布层组成。连续纤维增强复合管材层采用的塑料基材为聚乙烯，采用的连续纤维为超高分子量聚乙烯纤维，纤维的含量为70wt％，连续纤维增强塑料复合管材层的厚度为20mm，纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的外表面或内表面并与连续纤维增强塑料复合管材表面形成良好结合。纤维布层的材料为尼龙6，厚度为0.3mm，纤维布的成型工艺为热轧成型，纤维布表面为凹凸不平表面。保温层的材料为聚氨酯，保温层厚度为100mm。
复合夹芯保温管材的制作方法，包括以下步骤：
(1)制作内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，热熔的温度为140℃，缠绕到充气状态的涨紧成型模具上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为5MPa；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到内层；
d.在充气状态的涨紧成型模具上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，热熔的温度为140℃，缠绕到纤维布层上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合，辊压的压力为5MPa；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到外层；
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承上，外层用施压模具与卡具固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具一端的注料口向内层和外层中间的环形空间注入保温发泡材料，控制温度为60℃，压力为5MPa，，保温保压30min；
c.松开卡具，放掉涨紧轴承中的气体，将管材取出，得到截面形状为方形复合夹芯保温管材。
对实施例1～5中制得的复合夹芯保温管材进行性能测试，测试结果见表1：
表1
从测试结果可以看出，本发明实施例中制备的复合夹芯保温管材的导热系数为0.021～0.024W/(m·℃)具有很好的保温性能同时压缩强度和拉伸强度较好，具备较好的力学性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合夹芯保温管材，其特征在于，该管材包括自内向外呈同心套设的内层、保温层和外层。
2.根据权利要求1所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的内层由连续纤维增强复合管材层与其外表面的纤维布层组成；所述的外层由连续纤维增强复合管材层与其内表面的纤维布层组成。
3.根据权利要求2所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的连续纤维增强复合管材层采用的塑料基材选自聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6、尼龙66、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚氯乙烯中的一种；采用的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的连续纤维增强塑料复合管材层的厚度为2～50mm，管材层中纤维的含量为30～70wt％。
5.根据权利要求2所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的纤维布层部分浸于连续纤维增强塑料复合管材的外表面或内表面并与连续纤维增强塑料复合管材表面形成良好结合。
6.根据权利要求2或5所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的纤维布层的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、尼龙或聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或一种以上；纤维布层的厚度为0.2～1mm；纤维布的成型工艺为热轧成型或浸胶成型；纤维布表面为凹凸不平表面，优选的，纤维布表面有网点纹或菱形纹。
7.根据权利要求1所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的保温层的材料选自聚氨酯或聚苯乙烯中的一种，保温层厚度为5～200mm。
8.根据权利要求1或7所述的一种复合夹芯保温管材，其特征在于，所述的保温层内设增强材料，增强材料的材质为金属网或玻璃纤维毡或金属构件；所述的增强材料金属网或玻璃纤维毡的厚度范围是3～15mm。
9.根据权利要求1～8中任一所述的复合夹芯保温管材的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制作内层和外层
a.将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，缠绕到充气状态的涨紧成型模具上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合；
b.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断连续纤维增强塑料复合片材，在表面继续缠绕一层纤维布层，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
c.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到内层；
d.在充气状态的涨紧成型模具上缠绕一层纤维布层，然后将连续纤维增强塑料复合片材通过预热后热熔，缠绕到纤维布层上，通过辊压的方式提高缠绕材料各层间的结合；
e.当热熔的连续纤维增强塑料复合片材缠绕到要求的厚度时，剪断纤维预浸树脂的片材，然后向冷却辊内部通入冷却水，冷却固化成型；
f.放掉涨紧成型模具中的气体，将上述材料层从涨紧成型模具上脱下得到外层；
(2)一次性发泡成型
a.将内层套在涨紧轴承上，外层用施压模具与卡具固定，使外层套在内层的外面，作为复合夹芯板材的内层和外层，卡具将内层和外层的两端封闭，使内层和外层的中间形成封闭的环形空间；
b.从卡具一端的注料口向内层和外层中间的环形空间注入保温发泡材料，在一定的温度和压力下，保温保压一定的时间；
c.松开卡具，放掉涨紧轴承中的气体，将管材取出，得到复合夹芯保温管材。
10.根据权利要求9所述的复合夹芯保温管材的制作方法，其特征在于，步骤(1)中所述的热熔的温度为140～270℃，优选170～240℃，辊压的压力为3～10MPa；步骤(2)中保温温度为60～80℃，保压压力为3～10MPa，保温保压的时间为10～50min，制作得到的复合夹芯保温管材的截面形状为圆形或方形。
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2012
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