CN105856584A - 一种非开挖管道修复用织物增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非开挖管道修复用织物增强复合材料及其制备方法，涉及复合材料的制备，其特征在于，采用涤纶针刺非织造布、自制机织物和热塑性氨纶弹性体为原料，先进行热压成型工艺处理，再经VARI成型工艺灌注树脂，制备得非开挖管道修复用织物增强复合材料，该方法加工的复合材料机械性能非常远超过同类复合材料，可应用于不同直径的城市供水管道、排水管道、电力管道、热力管道的修复翻新改造等领域。

Description

一种非开挖管道修复用织物增强复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非开挖管道修复用织物增强复合材料及其制备方法，用于城市的非开挖管道修复。
背景技术：
城市的生存与发展需要供应水、气、油、电以及排泄污水、洪涝等功能都需要管道来完成，为了不干扰人们的生活，这些管道常铺设于地下，称为地下管道，这些管道按照其功能可分为：燃气管道、供水管道、排水管道、电力管道、热力管道、及电视、电话、网络电缆或者光缆等。城市埋地管道投入使用15～20年后，就进入了事故高发期，有计划地开展对旧管道的修复已刻不容缓。采取非开挖手段解决现代管网改造中的开挖问题，减少管网改造带来的负面影响是城市建设以及现代社会生活的强烈要求。
目前，采用软管内衬法修复技术适应性强、质量可靠，可以做到在不开挖地表的条件下，采用纤维材料制作非织造布，将其进行防渗附膜处理并缝合成管状，然后浸渍树脂，采用翻转法利用气压或水压使之衬于旧管道内壁上，一定压力下常温或加热固化后形成内壁光滑的复合材料内衬管，从而完成对旧管道的保护与修复。非开挖修复技术是一种施工快、成本低、局部开挖的环保型修复技术，采用非开挖修复技术对受损的管道进行修复施工引起国内外学者的关注，然而内衬材料在翻转过程中需要承受复杂的应变与腐蚀，开发一种防渗透且力学性能良好的非开挖管道修复用织物增强复合材料具有一定的意义。
发明内容：
本发明的第一方面目的是提供一种防渗效果和机械性能优良的非开挖管道修复用织物增强复合材料。
本发明采取的技术方案如下：
一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：选择涤纶针刺非织造布作为复合材料的基体，机织物作为复合材料的增强体，采用热塑性氨纶弹性体和耐高温AB胶环氧树脂作为防渗膜。
进一步的设置在于：
所述涤纶针刺非织造布:断裂应力7.3MPa，断裂伸长率60.7％，厚度3.9mm，重量448g/m2。
所述热塑性氨纶弹性体：厚度0.06mm，重量83.8g/m2，耐油、耐水、耐磨、化学惰性强，温度适应范围在-55～150℃条件下长期使用，粘结强力高，密封能力好。
所述耐高温AB胶环氧树脂为E44-环氧树脂/650固化剂，为使树脂更好地浸润在织物中，在环氧树脂、固化剂中加入适量的稀释剂，以增加树脂的流动性，稀释剂为无水乙醇，环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比为100:60:20。
所述机织物的经纬密度为100×60根/10cm，经纬纱均采用新型纱线，纱线皮层为PVC和碳酸钙，芯层为涤纶长丝，纱线的线密度3820dtex，断裂强度2.0cN/dtex。
本发明第二方面的目的是提供一种非开挖管道修复用织物增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用涤纶针刺非织造布、机织物和热塑性氨纶弹性体为原料，先进行热压成型工艺处理，再经VARI成型工艺灌注树脂，制备得非开挖管道修复用织物增强复合材料。
进一步的设置在于：
所述热压成型工艺：在模具中依次平铺放入涤纶针刺非织造布、机织物和热塑性氨纶弹性体，进行热压成型，得到热压成型复合材料。
所述热压成型工艺中：
涤纶针刺非织造布:断裂应力7.3MPa，断裂伸长率60.7％，厚度3.9mm，重量448g/m2；
热塑性氨纶弹性体：厚度0.06mm，重量83.8g/m2，耐油、耐水、耐磨、化学惰性强，温度适应范围在-55～150℃条件下长期使用，粘结强力高，密封能力好；
机织物的经纬密度为100×60根/10cm，经纬纱均采用新型纱线，纱线皮层为PVC和碳酸钙，芯层为涤纶长丝，纱线的线密度3820dtex，断裂强度2.0cN/dtex。
所述热压成型工艺：选择7层热塑性氨纶弹性体与1层涤纶针刺非织造布、1层机织物经过热压复合，机织物的经纬密度为100×60根/10cm，热压复合工艺为：压强为5MPa，温度为140℃，时间为300s，制备的热压成型复合材料，断裂应力达到了35.3MPa，断裂伸长率在25.4％。
所述VARI成型工艺：将前述制备的热压成型复合材料置于VARI成型装置中，通过真空泵抽真空加载负压力，将树脂胶液注入成型装置中，利用树脂胶液的流动、渗透，将树脂胶液均匀地浸渍在增强织物中，然后室温下固化，即得非开挖管道修复用织物增强复合材料；
所述的树脂胶液为环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂、固化剂和稀释剂的配比选择100:60:20，固化时间为9小时。
一种非开挖管道修复用织物增强复合材料的制备方法，其特征在于：选择为1层涤纶针刺非织造布、1层机织物、7层热塑性氨纶弹性体，机织物的经纬密度为100×60根/10cm，先采用热压机进行热压成型处理，热压成型处理条件为：热压压力5MPa、热压温度140℃、热压时间300s，然后再通过VARI工艺处理，VARI工艺处理条件为：环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比为100:60:20，固化时间为9小时，即制备得非开挖管道修复用织物增强复合材料，断裂应力46.8MPa，断裂伸长率在15.1％。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明要解决的技术问题主要有两个方面，一是通过优化制备工艺，开发机械性能和防渗效果良好的非开挖管道修复用织物增强复合材料；二是研究增强体组织结构对非开挖管道修复用复合材料的影响，通过织物组织结构参数的优化，开发机械性能优异的的复合材料。
2、本方法以涤纶针刺非织造布作为复合材料的基体，机织物作为复合材料的增强体，采用热熔性能较好的热塑性氨纶弹性体(TPU)和耐高温AB胶环氧树脂(E44-环氧树脂/650固化剂)作为防渗膜，经热压成型和真空辅助成型(VARI)联合工艺开发机械性能优良的非开挖管道修复用复合材料，该方法加工的复合材料机械性能非常远超过同类复合材料，可应用于不同直径的城市供水管道、排水管道、电力管道、热力管道的修复翻新改造等领域。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明的热压复合工艺示意图；
图3为本发明热压复合工艺处理后的实物图；
图4为本发明VARI成型工艺示意图。
图中标号：11为涤纶针刺非织造布；12为机织物；13为TPU；20为导流网；21为脱模布；22为热压成型复合材料；23为真空袋薄膜；24为模具装备；25为树脂注入；26为多余树脂输出。
具体实施方式：
如图1-图4所示，本发明的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，选择涤纶针刺非织造布作为复合材料的基体，机织物作为复合材料的增强体，采用热塑性氨纶弹性体和耐高温AB胶环氧树脂作为防渗膜。
前述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其制备方法如下：
1、材料选择：
选择涤纶针刺非织造布作为复合材料的基体，不同规格的自制机织物作为复合材料的增强体，采用热熔性能较好的热塑性氨纶弹性体(TPU)和耐高温AB胶环氧树脂(E44-环氧树脂/650固化剂)作为防渗膜，其中：
涤纶针刺非织造布:断裂应力7.3MPa，断裂伸长率60.7％，厚度3.9mm，重量448g/m2。
热塑性氨纶弹性体(TPU)：厚度0.06mm，重量83.8g/m2，其特点是耐油，耐水，耐磨，化学惰性强，温度适应范围可在-55～150℃条件下长期使用，粘结强力高，密封能力好。
耐高温AB胶环氧树脂(E44-环氧树脂/650固化剂)，为使树脂更好地浸润在织物中，需加入适量的稀释剂(无水乙醇)，以增加树脂的流动性，稀释剂的添加量过多，则延缓树脂固化时间，若稀释剂的添加过少，则不利于树脂的流动，所以一般稀释剂的质量分数为10％。环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比优选为100:80:20。
机织物的经纬密度为100×60根/10cm，经纬纱均采用新型纱线，纱线皮层为PVC(聚氯乙烯)和碳酸钙，芯层涤纶长丝，纱线的线密度3820dtex，断裂强度2.0cN/dtex。
2、机织物的增强工艺:
本发明创新的采用了机织物增强工艺：在作为基体的涤纶针刺非织造布中，加入了自制机织物，自制机织物的经纬纱均采用新型纱线，纱线皮层为PVC(聚氯乙烯)和碳酸钙，芯层涤纶长丝，纱线的线密度3820dtex，断裂强度2.0cN/dtex。纱线在SGA598型半自动小样机上织造，具体参数如表所示1。
表1、不同织物组织规格及性能
从表1数据可以看出：当经纱根数一定时，随着纬纱根数的增加，织物的纬向断裂应力增加，织物径向的断裂应力开松时也增加，但是纬纱根数超过60根/10cm，织物径向的断裂应力会有所下降。因此优选织物的经纬密度为100×60根/10cm。
3、热压成型工艺：
如图2所示的热压成型工艺：依次平铺放入涤纶针刺非织造布11、自制机织物12和热塑性氨纶弹性体(TPU)13，经过XLB型热压机热压复合后，得到织物增强复合材料。
为了优选热压的压强、温度和时间，选用L9(34)正交表格，以压强、温度和时间为3因子，每个因子分3个水平进行试验，试验采用1层针刺非织造布、1层自制机织物(经纬密度为100×60根/10cm)和3层TPU复合，以材料的经向断裂应力为综合指标对热压工艺进行优化，因子水平表如表2所示和正交试验极差分析表如表3所示。
表2、因子水平表
水平 时间/s 温度/℃ 压强/MPa
1 150 120 5
2 300 130 6
3 450 140 7
。
表3、正交试验极差分析
编号 时间/s 温度/℃ 压强/MPa 断裂应力/MPa
1 1 1 1 24.5
2 1 2 2 22.3
3 1 3 3 25.4
4 2 1 2 27.3
5 2 2 3 25.1
6 2 3 1 26.4
7 3 1 3 24.3
8 3 2 1 25.2
9 3 3 2 25.7
均值k1 24.1 25.4 25.3
均值k2 26.3 24.2 25.1
均值k3 25.0 25.8 24.9
极差 2.2 1.7 0.4
。
正交试验极差分析结果如表3所示：从综合指标断裂应力判定，3个因子对其影响程度大小顺序为时间>温度>压强，热压成型复合材料的最优热压工艺为：压强5MPa，温度140℃，时间为300s。通过补充试验，得到热压成型复合材料的经向断裂应力达到了27.9MPa，说明正交试验优化热压成型工艺较为合理。
经XLB型热压机处理(实验条件为最佳工艺：压强5MPa、温度140℃和时间300s)后的复合材料如图3所示。
4、TPU含量对复合材料的影响：
根据本发明的复合工艺，复合材料选择采用1层针刺非织造布、1层自制机织物(经纬密度为100×60根/10cm)和TPU经过热压而成，测试不同TPU含量的复合材料的经向拉伸性能如表4。
表4、复合材料的拉伸性能及厚度
从表4中可以看出：随着TPU含量的增加，复合材料的断裂应力得到提高而断裂伸长率随之下降，但当TPU层数超过7层时，复合材料的力学性能变化不明显。因此从复合材料的力学性能及制作成本考虑，选择7层TPU与1层针刺非织造布、1层自制机织物(经纬密度为100×60根/10cm)经过热压复合，复合材料的断裂应力达到了35.3MPa，断裂伸长率在25.4％。
5、真空辅助成型(VARI)工艺：
真空辅助成型(VARI)工艺是一种成本较低的复合材料成型技术，其原理是在常温下，真空泵抽真空加载负压力，利用树脂的流动、渗透，实现树脂均匀地浸渍在织物中，固化后形成一种新型复合材料。
真空辅助成型(VARI)工艺示意图如图4所示：(1)、模具的准备：将热压成型复合材料22、脱膜布21、导流网20、真空袋薄膜23按照工艺要求依次放置于模具中，然后用密封胶带将两层真空袋薄膜粘结防止漏气；(2)、树脂胶液的制备：树脂胶液选择环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比选择100:60:20；(3)、树脂胶液的灌注：开启真空泵抽取空气，当压力值稳定在-0.08MPa时，将树脂胶液注入成型装置中，使树脂胶液均匀地浸渍在增强织物中；(4)、真空袋薄膜的剥离：剥离上层的真空袋薄膜23，然后在室温固化，最后剥离导流网20和脱膜布21，得到本发明的非开挖管道修复用织物增强复合材料。
本发明的树脂胶液选择采用耐高温AB胶环氧树脂(E44-环氧树脂/650固化剂)，并加入适量的稀释剂(无水乙醇)，稀释剂的质量分数为10％。树脂固化时间在VARI工艺中对试样的制备时间和复合材料在修复后固化成型是一个关键因素，因此对环氧树脂、固化剂和稀释剂采用不同配比，混合均匀后抽真空，在室温下观察树脂固化时间，具体如表5所示。
表5、树脂胶液配比及固化时间测试结果
如表5所示：在室温条件下，混合体系中固化剂的含量越大，树脂的固化时间越快。这是因为固化剂的伯胺和仲胺对环氧树脂的固化作用是由氮原子上的活泼氢打开环氧基团，使之交联固化，这种交联固化作用的强弱与固化剂的含量多少成正比。一方面为提高生产效率，树脂的固化时间应在满足试验的前提下尽可能短，另一方面固化剂比环氧树脂价格高，故从经济效益和固化时间两个方面考虑，本发明选择：环氧树脂、固化剂和稀释剂的配比选择100:60:20，固化时间为9小时。
6、产品检测：
本发明的复合材料选择为1层涤纶针刺非织造布、1层机织物(100×60根/10cm)、7层热塑性氨纶弹性体(TPU)，先采用热压机热压处理(处理条件优选为热压压力5MPa、热压温度140℃、热压时间300s)，然后再通过真空辅助成型(VARI)工艺处理(环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比为100:60:20)，将本发明制备的复合材料，进行经向断裂应力和断裂伸长率的检测，并与涤纶针刺非织造布、自制机织物等进行对照如表6所示。
表6、材料的拉伸性能
试样 断裂应力(MPa) 断裂伸长率(％)
1# 7.3 60.7
2# 23.1 35.6
3# 35.3 25.4
4# 46.8 15.1
。
表6中：1#表示涤纶针刺非织造布，2#表示自制机织物(100×60根/10cm)，3#表示一层涤纶针刺非织造布、一层自制机织物(100×60根/10cm)、7层TPU经热压成型的复合材料，4#表示一层涤纶针刺非织造布、一层自制机织物(100×60根/10cm)、7层TPU联合工艺依次经过热压成型和真空辅助成型(VARI)联合工艺处理得到的复合材料。
由表6可知，经热压成型处理制成的复合材料(3#)的断裂应力达到了35.3MPa，其断裂伸长率为25.4％；经过热压工艺和真空辅助成型(VARI)工艺联合制成的复合材料(4#)的断裂应力达到了46.8MPa，其断裂伸长率为15.1％。因此，复合材料经过热压处理和真空辅助成型(VARI)联合工艺处理的复合材料，断裂应力远远高于仅经过热压处理工艺所制得的复合材料力学性能最优。

Claims (10)

1.一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：选择涤纶针刺非织造布作为复合材料的基体，机织物作为复合材料的增强体，采用热塑性氨纶弹性体和耐高温AB胶环氧树脂作为防渗膜。
2.根据权利要求1所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：所述涤纶针刺非织造布: 断裂应力7.3MPa，断裂伸长率60.7%，厚度3.9mm，重量448g/m2。
3.根据权利要求1所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：所述热塑性氨纶弹性体：厚度0.06 mm，重量83.8 g/m2，耐油、耐水、耐磨、化学惰性强，温度适应范围在-55～150 ℃条件下长期使用，粘结强力高，密封能力好。
4.根据权利要求1所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：所述耐高温AB胶环氧树脂为E44-环氧树脂/650固化剂，为使树脂更好地浸润在织物中，在环氧树脂、固化剂加入适量的稀释剂，以增加树脂的流动性，稀释剂为无水乙醇，环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比为100:60:20。
5.根据权利要求1所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：所述机织物的经纬密度为100×60根/10cm，经纬纱均采用新型纱线，纱线皮层为PVC和碳酸钙，芯层为涤纶长丝，纱线的线密度3820 dtex，断裂强度2.0 cN/dtex。
6.一种非开挖管道修复用织物增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用涤纶针刺非织造布、自制机织物和热塑性氨纶弹性体为原料，先进行热压成型工艺处理，再经VARI成型工艺灌注树脂，制备得非开挖管道修复用织物增强复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述热压成型工艺：在模具中依次平铺放入涤纶针刺非织造布、机织物和热塑性氨纶弹性体，进行热压成型得到热压成型复合材料。
8.根据权利要求6所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料，其特征在于：所述热压成型工艺：选择7层热塑性氨纶弹性体与1层涤纶针刺非织造布、1层机织物经过热压复合，机织物的经纬密度为100×60根/10cm，热压复合工艺为：压强为5 MPa，温度为140 ℃，时间为300s，制备的热压成型复合材料，断裂应力达到了35.3MPa，断裂伸长率在25.4%。
9.根据权利要求5所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述VARI成型工艺：将制备的热压成型复合材料置于VARI成型装置中，通过真空泵抽真空加载负压力，将树脂胶液注入成型装置中，利用树脂胶液的流动、渗透，将树脂胶液均匀地浸渍在增强织物中，然后室温下固化，即得非开挖管道修复用织物增强复合材料；
所述的树脂胶液为环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂、固化剂和稀释剂的配比选择100:60:20，固化时间为9小时。
10.根据权利要求6所述的一种非开挖管道修复用织物增强复合材料的制备方法，其特征在于：选择为1层涤纶针刺非织造布、1层机织物、7层热塑性氨纶弹性体，机织物的经纬密度为100×60根/10cm，先采用热压机进行热压成型处理，热压成型处理条件为：热压压力5MPa、热压温度140℃、热压时间300s，然后再通过VARI工艺处理，VARI工艺处理条件为：环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比为100:60:20，固化时间为9小时，即制备得非开挖管道修复用织物增强复合材料，复合材料的断裂应力46.8MPa，断裂伸长率在15.1%。
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