CN104421537A - 一种热塑性缠绕压力管道及其制备方法 - Google Patents

一种热塑性缠绕压力管道及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于管道材料技术领域，涉及一种热塑性缠绕压力管道及其制备方法，该管道从内到外依次包括内衬层、结构层和外保护层，内衬层与结构层的内壁连接，结构层的外壁与外保护层连接，所述的结构层为连续纤维增强热塑性塑料预浸带缠绕层。本发明制备的热塑性缠绕压力管道拥有较高的强度与刚性，能够制备大口径管道，同时轻质高强，抗冲击性能好，产品环保，运输施工方便。

Description

一种热塑性缠绕压力管道及其制备方法
技术领域
本发明属于管道材料技术领域，涉及一种热塑性缠绕压力管道及其制备方法。
背景技术
现在工业和生活中使用的管道主要有两种，金属管道和非金属管道。金属管道主要是钢管，非金属管道主要是塑料管道和玻璃钢管道。钢管强度高，耐压能力强，但是重量大，运输施工较为麻烦，而且不耐腐蚀，在腐蚀性场合应用必须做防腐处理，成本较高。塑料管道轻，耐腐蚀性也很好，但是塑料管道强度较差，一般只在低压领域进行应用，强行在高压领域进行应用时，只能增大壁厚，大大的增加了成本，其成本甚至超过了钢管。玻璃钢管目前通常指的是不饱和聚酯或者环氧玻璃钢管道，强度高，耐腐蚀，但是树脂基体均是热固性树脂，环保性差，一度因为安全性问题，在一些地方的市政给水管道领域被禁止使用，并且热固性树脂脆，导致玻璃钢管道在使用过程中对外界损伤表现出零容忍，一旦出现外部破坏整个管道将被破坏，直接影响着管道的使用性能和安全性。因此开发出一款质量轻、耐腐蚀、强度高、抗冲击强度高的管材具有十分重要的意义。
公开号为CN101418886A的中国专利申请公开了一种连续纤维增强热塑性复合管道，其结构上包含内衬层、增强层和外表面层三层结构，然而其增强层的制备方式是先铺设连续纤维或其织物，然后再浸润热塑性树脂，此工艺制备的增强层树脂浸润性差，管材性能低，从其实施例中就可以看出，62mm内径管，壁厚5mm，爆破压力才只有15MPa。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种质量轻、强度高、抗冲击性能好、耐压性能好、大口径、经济实用的热塑性缠绕压力管道及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热塑性缠绕压力管道，该管道从内到外依次包括内衬层、结构层和外保护层，内衬层与结构层的内壁连接，结构层的外壁与外保护层连接。
所述的热塑性缠绕压力管道的内径为80mm～1400mm；优选150mm～1000mm；
所述的内衬层厚度为1.0～10mm；
所述的结构层厚度为1.0～50mm；
所述的外保护层厚度为1.0～10mm。
所述的内衬层选自塑料管或热塑性塑料片材缠绕层，其中所述的塑料管选自聚乙烯管或聚丙烯管。所述的结构层为连续纤维增强热塑性塑料预浸带缠绕层。
优选的，所述连续纤维增强热塑性塑料预浸带中玻璃纤维重量百分比为50%～80%。
优选的，所述的连续纤维增强热塑性塑料预浸带缠绕层为连续纤维增强热塑性塑料预浸带通过交叉环向缠绕，层与层之间实现热熔粘结的缠绕层；
所述的外保护层为热塑性塑料片材缠绕层。
所述的热塑性塑料选自聚丙烯或聚乙烯。
所述的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。
一种上述热塑性缠绕压力管道的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备内衬层；
（2）将连续纤维增强热塑性塑料预浸带裁成缠绕需要的宽度，进行预热后通过缠绕机缠绕在步骤（1）制备的内衬层上，缠绕过程中边缠绕边进行辊压，缠绕时对材料保持加热，使得预浸带完全熔融，形成结构层；
（3）将热塑性片材通过缠绕机缠绕在步骤（2）制备的结构层上，加热使之熔融，并用PET薄膜缠绕在热塑性片材外面，使得管材外部光亮，然后通过冷风冷却管材，撕掉PET薄膜，制得热塑性缠绕压力管道。
所述的步骤（1）中，内衬层的制备是将热塑性塑料管套在胀缩轴上，然后将胀缩轴胀紧，作为内衬层；或将热塑性塑料片材缠绕在圆柱状芯模上，加热熔融粘结为一体作为内衬层。
所述的步骤（1）中，当采用热塑性塑料片材缠绕在圆柱状芯模上仅缠绕一层时，可以不进行加热。
所述的步骤（2）中，预浸带的缠绕方式为交叉缠绕和环向缠绕配合使用；优选的所述的缠绕方式为交叉缠绕1～2层配合1层环向缠绕压实；所述交叉缠绕角度为45°～75°，优选55°～65°；所述辊压压力为0.1～0.2MPa；
所述步骤（1）、（2）和（3）中的熔融加热方式选自红外加热器加热、火焰加热或者激光加热器加热。
与现有技术相比，发明具有以下优点：
（1）本发明制备的热塑性缠绕压力管道拥有较高的强度与刚性，能够制备大口径管道，同时轻质高强，运输施工方便。
（2）结构层的厚度可以根据管道压力等级和口径大小调节，抗冲击性能好。
（4）管材内层具有很好的密封性能。
（5）管材具有很好外密封、抗破坏性。
（6）环保。
附图说明
图1为本发明实施例中热塑性缠绕压力管道横截面示意图。
图2为本发明实施例中热塑性缠绕压力管道结构示意图。
图3为本发明实施例中连续纤维增强热塑性塑料预浸带结构示意图。
附图标注：
1内衬层，            2结构层，
3外保护层，          4连续纤维，
5热塑性塑料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
本发明中所述的连续纤维增强热塑性塑料预浸带均为市售的已知材料。
实施例1
如图1～图3所示，一种热塑性缠绕压力管道，其内径为150mm，从内到外依次由内衬层1、结构层2和外保护层3组成（其结构组成数据见表1）。
图3中，结构层2由连续纤维4增强热塑性塑料5预浸带构成，预浸带通过交叉与环向缠绕工艺配合缠绕在内衬层1上，结构层厚度为3mm；外保护层3由热塑性塑料片材构成，厚度为1mm，通过将热塑性塑料片材缠绕在结构层2上。
表1
管材 厚度 材质 缠绕角度 加热温度
内衬层 2mm PP管材 环向缠绕 预热，表面熔融
结构层 3mm 40%PP+60%玻 65°交叉缠绕/环 熔融
璃纤维 向缠绕
外保护层 1mm PP片材 环向缠绕 熔融
其制备方法如下：
（1）将内径150mm，壁厚2mm的PP管材直接套在胀缩轴上，然后胀紧胀缩轴；
（2）连续纤维增强热塑性塑料预浸带经过红外加热器预热后，按照交叉缠绕一层后随即配上一层环向缠绕的铺层工艺进行缠绕，缠绕厚度为3mm，缠绕过程中通过红外加热器对芯模处加热，使得缠绕在芯模上的基材熔化。缠绕过程中配以压辊压实，压力为0.1MPa。红外加热器对芯模加热时，只使得内衬层表面熔融；
（3）将聚丙烯片材缠绕在结构层2上，缠绕厚度为1mm，加热使之熔融，并用PET薄膜缠绕在管材外面，使得管材外部光亮。最后，通过冷风冷却管材，撕掉PET薄膜。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力可达20MPa。
实施例2
如图1～图3所示，一种热塑性缠绕压力管道，其内径为500mm，从内到外依次由内衬层1、结构层2和外保护层3组成（其结构组成数据见表2）。
图3中，结构层2由连续纤维4增强热塑性塑料5预浸带构成，预浸带通过交叉与环向缠绕工艺配合缠绕在内衬层1上，厚度为10mm；外保护层3由热塑性塑料片材构成，厚度为1mm，通过将热塑性塑料片材缠绕在结构层2上。
表2
制备方法如下：
（1）将厚度为1mm的聚丙烯片材缠绕在芯模上，形成内衬层。
（2）连续纤维增强热塑性塑料预浸带经过红外加热器预热后，按照交叉缠绕一层后随即配上一层环向缠绕的铺层工艺进行缠绕，缠绕厚度为10mm，缠绕过程中通过红外加热器对芯模处加热，使得缠绕在芯模上的基材熔化。缠绕过程中配以压辊压实，压力为0.1MPa。红外加热器对芯模加热时，只使得内衬层表面熔融；
（3）将聚丙烯片材缠绕在结构层2上，缠绕厚度为1mm，加热使之熔融，并用PET薄膜缠绕在管材外面，使得管材外部光亮。最后，通过冷风冷却管材，撕掉PET薄膜。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力可达20MPa。
实施例3
如图1～图2所示，一种热塑性缠绕压力管道，该管道从内到外依次包括内衬层1、结构层2和外保护层3,管道内径为80mm（其结构组成数据见表3）。
图3中，结构层2为连续玻璃纤维4增强聚丙烯5预浸带加热后通过在内衬层表面相向交叉环向缠绕，形成相向交叉环向结构的缠绕层；外保护层为聚丙烯片材加热后缠绕在结构层表面形成的缠绕层。
表3
制备方法如下：
（1）将内径80mm，壁厚1mm的PP管材直接套在胀缩轴上，然后胀紧胀缩轴；
（2）连续纤维增强热塑性塑料预浸带经过红外加热器预热后，按照交叉缠绕一层后随即配上一层环向缠绕的铺层工艺进行缠绕，缠绕厚度为1mm，缠绕过程中通过红外加热器对芯模处加热，使得缠绕在芯模上的基材熔化。缠绕过程中配以压辊压实，压力为0.1MPa。红外加热器对芯模加热时，只使得内衬层表面熔融；
（3）将聚丙烯片材缠绕在结构层2上，缠绕厚度为1mm，加热使之熔融，并用PET薄膜缠绕在管材外面，使得管材外部光亮。最后，通过冷风冷却管材，撕掉PET薄膜。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力可达12MPa。
连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为辽宁辽杰有限公司生产的市售产品。
实施例4
如图1～图2所示，一种热塑性缠绕压力管道，该管道从内到外依次包括内衬层1、结构层2和外保护层3，管道内径为1400mm（其结构组成数据见表4）。
图3中，结构层2为连续碳纤维4增强聚乙烯5预浸带加热后通过在内衬层表面同向交错环向缠绕，形成同向交错环向结构的缠绕层；外保护层为聚乙烯片材加热后缠绕在结构层表面形成的缠绕层。
表4
制备方法如下：
（1）将内径1400mm，壁厚10mm的PE管材直接套在胀缩轴上，然后胀紧胀缩轴；
（2）连续纤维增强热塑性塑料预浸带经过红外加热器预热后，按照交叉缠绕一层后随即配上一层环向缠绕的铺层工艺进行缠绕，缠绕厚度为50mm，缠绕过程中通过红外加热器对芯模处加热，使得缠绕在芯模上的基材熔化。缠绕过程中配以压辊压实，压力为0.2MPa。红外加热器对芯模加热时，只使得内衬层表面熔融；
（3）将聚乙烯片材缠绕在结构层2上，缠绕厚度为10mm，加热使之熔融，并用PET薄膜缠绕在管材外面，使得管材外部光亮。最后，通过冷风冷却管材，撕掉PET薄膜。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力为48MPa。
所述的连续碳纤维增强聚乙烯预浸带为辽宁辽杰有限公司生产的市售产品。
实施例5
一种热塑性缠绕压力管道，其交叉缠绕角度为45°，其余工艺与实施例1相同。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力可达15MPa，此工艺适用于一些对轴向强度要求较高的特殊场合。
实施例6
一种热塑性缠绕压力管道，其交叉缠绕角度为55°，其余工艺与实施例2相同。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力可达20MPa。
实施例7
一种热塑性缠绕压力管道，其交叉缠绕角度为75°，其余工艺与实施例3相同。
根据测试标准GB/T15560测试得到管材的爆破压力可达10MPa，此工艺适用于一些对强度要求不高的场合。
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)

1.一种热塑性缠绕压力管道，其特征在于：该管道从内到外依次包括内衬层、结构层和外保护层，内衬层与结构层的内壁连接，结构层的外壁与外保护层连接。 
2.根据权利要求1所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述的热塑性缠绕压力管道的内径为80mm～1400mm。 
3.根据权利要求1所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述的内衬层厚度为1.0～10mm； 
或所述的结构层厚度为1.0～50mm； 
或所述的外保护层厚度为1.0～10mm。 
4.根据权利要求1所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述的内衬层选自热塑性塑料管或热塑性塑料片材缠绕层； 
或所述的结构层为连续纤维增强热塑性塑料预浸带缠绕层。 
5.根据权利要求4所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性塑料预浸带中纤维重量百分比为50%～80%； 
或所述的连续纤维增强热塑性塑料预浸带缠绕层为连续纤维增强热塑性塑料预浸带通过交叉环向缠绕，层与层之间实现热熔粘结的缠绕层。 
6.根据权利要求1所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述的外保护层为热塑性塑料片材缠绕层。 
7.根据权利要求4或6所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述的热塑性塑料选自聚丙烯或聚乙烯。 
8.根据权利要求4或5所述的热塑性缠绕压力管道，其特征在于：所述的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。 
9.一种权利要求1-8中任一所述的热塑性缠绕压力管道的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 
（1）制备内衬层； 
（2）将连续纤维增强热塑性塑料预浸带裁成缠绕需要的宽度，进行预热后通过缠绕机缠绕在步骤（1）制备的内衬层上，缠绕过程中边缠绕边进行辊压，缠绕时对材料保持加热，使得预浸带完全熔融，形成结构层； 
（3）将热塑性片材通过缠绕机缠绕在步骤（2）制备的结构层上，加热使之熔融，并用PET 薄膜缠绕在热塑性片材外面，使得管材外部光亮，然后通过冷风冷却管材，撕掉PET薄膜，制得热塑性缠绕压力管道。 
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，内衬层的制备是将热塑性塑料管套在胀缩轴上，然后将胀缩轴胀紧，作为内衬层；或将热塑性塑料片材缠绕在圆柱状芯模上，加热熔融粘结为一体作为内衬层； 
或所述的步骤（2）中，预浸带的缠绕方式为交叉缠绕和环向缠绕配合使用；优选的所述的缠绕方式为交叉缠绕1～2层配合1层环向缠绕压实；所述交叉缠绕角度为45°～75°，优选55°～65°；所述辊压压力为0.1～0.2MPa； 
或所述步骤（1）、（2）和（3）中的熔融加热方式选自红外加热器加热、火焰加热或者激光加热器加热。 
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