CN107866983A - 一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法及其生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法及其生产设备，该生产方法包括：(1)挤出塑料芯管，并经真空定型、冷却处理；(2)通过缠绕站组在塑料管的表面上依次缠绕多层玻纤增强带层、加热熔融玻纤增强带层以及磙碾挤压加热熔融后的玻纤增强带层，形成增强层；(3)在与芯管融为一体的增强层上包覆护套层(外管)，经冷却定型及后处理形成成品。该生产设备包括第一挤出机、至少一组缠绕站组和第二挤出机，每组缠绕站组由缠绕机、张力控制装置、加热装置和磙碾机构组成。采用本发明方法和设备制得的连续玻纤增强热塑性塑料复合管，具有良好的耐腐蚀性能、机械性能，具有较高的承受压力载荷的能力。

Description

一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法及其生产 设备

技术领域

本发明涉及一种塑料管道的生产方法，尤其涉及一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法及其生产设备。

背景技术

金属管广泛用于排水，涵洞和其他类似的流体管道。虽然金属管易于磨损，但是由于金属管的强度比较高，且重量轻，所以金属管的使用普遍优于混凝土管道等。金属管的这些特征使得其生产制造、运输和处理成本相对较便宜，同时金属管可被允许用于支撑大量土壤覆盖层的应用中。

但由于金属管易受腐蚀，因此金属管的用途主要限于涵洞和雨水泄漏的应用。在卫生应用，即污水系统中，由废物产生的硫化氢形成腐蚀引起的硫酸，在这样具有废物和/或硫酸的卫生应用中使用金属管是不切实际的，因为金属管可能会在腐蚀性环境中迅速被腐蚀、破坏。因此，卫生应用中，普遍的方法是采用较重和更昂贵的混凝土、衬里混凝土和/或玻璃粘土管，以克服金属管易受腐蚀的缺陷。因此，尽管由于金属管具有高强度和相对较低的重量和成本，金属管是一种优选的方案，但是由于金属管易于腐蚀，迄今为止在卫生应用中尚未被广泛使用。

鉴于这些缺陷，现有技术试图采用混凝土管而不是玻璃粘土管应用于大型下水道中，同时为减少混凝土管的腐蚀敏感性，所采用的方法包括：在混凝土管内安装厚的耐腐蚀塑料衬套。这种现有技术的耐腐蚀塑料衬套通常包括大小适于容纳在每个混凝土管段内的衬垫，而这种衬垫通常在每个管段内铸造。随后在管段已经铺设就位之后，相邻的衬套结合在一起，目的是形成密封件，以防止腐蚀性流体和气体接触混凝土管本体。虽然这种现有技术的混凝土管/塑料衬套已被证明通常适用于大尺寸下水道施工应用中，但是这种解决方案的所产生的高成本对施工构成严重障碍，限制了其大规模的应用。此外，这种在混凝土管道内安装耐腐蚀塑料衬套的解决方案的使用寿命是有限的，随着时间推移，需要进行大规模的维修、恢复，产生巨大的额外费用。

鉴于金属管道和混凝土管道对在下水道应用中的普遍性不足，近年来塑料管已被引入市场。虽然这种塑料管道能够承受由下水道应用中的腐蚀环境引起的退化，但是迄今为止，其使用主要限于小型污水管道的应用。在这方面，塑料管的结构完整性非常有限，使得在大尺寸应用中，这种塑料管的侧壁必须被制造得非常厚或成型，以使得这种塑料管能够承受在埋设时施加的压力。而且，由于这种塑料材料的高成本，在大规模下水道应用中使用这种塑料管道在经济上是不可行的。因此，考虑到大型卫生污水应用中遇到的具体因素，几乎所有这些应用都已经使用了在内壁安装耐腐蚀塑料衬套且昂贵的混凝土管，在长期使用过程中，且耐腐蚀塑料衬套的耐腐蚀性会显着衰减，因此将需要进行昂贵的修复、更换。

与在卫生应用中遇到的废物和/或酸性环境相反，用于埋地暴雨排放应用的金属管道另外遇到与其操作环境相关的实质问题。其中，关于以金属管为优选材料的埋地风暴排水应用，但金属管的外部环境对埋藏的管道的外部具有一定的腐蚀，同时流过金属管道内部的水和碎屑通过磨损降低管道内壁耐腐蚀层的厚度。

在为了防止这种腐蚀作用，金属管的内部已经被衬有在混凝土，一个较厚的衬里会更耐磨，从而抵抗劣化和腐蚀。然而，没有任何将混凝土固定在金属管内壁上的故障安全手段。因此，混凝土衬砌的片段不可避免地从管子上落地，并相互间发生的持续研磨作用，这迅速破坏了保护性的混凝土层。另外，由于操作失误、土体运动和热应力，混凝土容易产生开裂和碎裂，而这种开裂和碎裂又导致了在裂纹附近的金属管表面的腐蚀。

迄今为止，尝试将更厚的聚合物衬里施加到这种现有金属管产品上，但聚合物衬里与金属管的起泡和分离更大。因此，迄今为止，将保护性聚合物层施加到金属管上是无效的。因此，现有技术的金属管内衬已经被证明容易被磨蚀和腐蚀，并且由于耐磨惰性衬套如由混凝土或惰性聚合物材料构成的惰性衬里不能有效地保持在金属管壁上，金属管在诸如下水道下水道的卫生应用中是不可接受的。

因此，在本领域中迫切需要提供一种能够具有较大强度、耐腐蚀、防开裂且生产成本低、使用寿命长的塑料管，以期能够卫生应用、埋地暴雨排放应用中取代金属管道和混凝土管道。

发明内容

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出的一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法及其生产设备。

本发明首先提供一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法，在塑料管(内管)上交叉缠绕多层预制的连续玻纤增强带，形成管道主要的受力结构层(增强层)；在增强层外包覆护套层，并采用加热熔融与磙碾挤压分别进行的技术方案，可以不受限制延长加热区间和时间，便于分别控制，保证了带材充分受热熔透；增强层选用可与内外层树脂熔合为一体的树脂，优选为连续玻纤增强带；在产品壁厚方向上，塑料管、增强层和护套层的界面彼此是熔合为一体的，增强层所具有的多层CFRT带层(玻纤增强带层)也是彼此熔合为一体，采用该方法制得的连续玻纤增强热塑性塑料复合管具有较好的耐腐蚀性能、机械性能，以及具有承受压力载荷(例如外部压力)的能力，如应对组合载荷工况或非轴向载荷，并且对快速的气体压降有较好的抗性。

本发明还提供了一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产设备，复合管的内管(塑料管)的挤出、具有多层玻纤增强带层的增强层的缠绕及熔结、外层护套层的挤出包覆都是连续进行的，因而该生产设备可以一次性得到复合管道成品，而不需要将预制的内管反复在开卷和收卷设备间缠绕多次，或者转移到另外的挤出生产线上增加护套层。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法，包括如下步骤：

(1)挤出塑料芯管，并经真空定型、冷却处理；

(2)通过缠绕站组在塑料管的表面上根据预先设计计算的强度系数，依次缠绕多层玻纤增强带层、加热熔融玻纤增强带层以及磙碾挤压加热熔融后的玻纤增强带层，形成增强层；

(3)在与芯管融为一体的增强层上包覆护套层(外管)，经冷却定型及后处理形成成品，制得连续玻纤增强热塑性塑料复合管。

进一步地，在所述连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，所述步骤(2)中，再次使所述磙碾挤压后的玻纤增强带层经过至少一组缠绕站组，以便将另一缠绕的玻纤增强带层熔结到之前已磙碾挤压的熔融玻纤增强带层上。

进一步优选地，在所述连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，所述步骤(2)中，每个所述缠绕站组所提供的加热温度和/或磙碾压力互不相同。

进一步地，在所述连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，所述步骤(2)中，在缠绕部位的塑料管内部设置支撑体，以防止塑料管在缠绕张力下变形或瘪塌。

进一步地，在所述连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，所述步骤(2)中，所述玻纤增强带层由紧密相邻的玻纤增强带缠绕而成，各层玻纤增强带层之间采相对交叉缠绕。

进一步地，在所述连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，所述步骤(2)还包括对通过缠绕站组之前的塑料管采用辐射炉快速加热至表面熔融状态。

进一步地，在所述连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，所述步骤(3)中后处理包括对包覆护套层后的塑料管进行真空定型和冷却处理。

本发明的第二个方面是提供一种用于所述生产方法的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备，包括第一挤出机、至少一组缠绕站组和第二挤出机，每组缠绕站组由缠绕机、张力控制装置、加热装置和磙碾机构组成。

进一步地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，所述磙碾机构具有与塑料管外壁贴合的轮廓。

进一步优选地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，所述磙碾机构为高温弹性材料制成。

进一步优选地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，每个所述磙碾机构由前后贴合在塑料管外壁的第一组辊轮和第二组辊轮组成，所述第一组辊轮与所述第二组辊轮垂直设置。

进一步地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，还包括依次设置于所述第一挤出机和所述缠绕站组之间的第一定型机、第一冷却水槽和第一牵引机。

进一步优选地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，还包设置于所述第一牵引机和所述组缠绕站组之间的辐射炉，以将塑料管快速加热至熔融状态。

进一步地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，所述缠绕站组为八组，分别依次布置。

进一步地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，在所述缠绕机部位的塑料管内部设置支撑体，以防止塑料管在缠绕张力下变形或瘪塌。

进一步地，在所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，还包括依次设置于所述缠绕站组下游的依次连接的第二定型机、第二冷却水槽、第二牵引机、喷码器、截断锯和盘管机。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提供的连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法，采用缠绕、加热熔融与磙碾挤压分别多次且连续进行的技术方案，有效保证了塑料管、增强层和护套层的界面彼此熔合为一体，可以一次性得到复合管道成品，降低了生产成本；采用该方法制得的连续玻纤增强热塑性塑料复合管，具有较好的耐腐蚀性能、机械性能，以及具有承受压力载荷(例如外部压力)的能力，如应对组合载荷工况或非轴向载荷，并且对快速的气体压降有较好的抗性，而且生产成本低、使用寿命长，可广泛应用于卫生应用、埋地暴雨排放应用中。

附图说明

图1为本发明连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备的生产工艺流程图；

图2为本发明连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备中磙碾机构的结构示意图；其中，2a为左右安装的第一组辊轮；2b为上下安装的第二组辊轮；

其中，各附图标记为：

1-第一挤出机，2-第一定型机，3-第一冷却水槽，4-第一牵引机，5-缠绕机，6-加热器，7-磙碾机构，701-第一组辊轮，702-第二组辊轮，8-第二挤出机，9-第二定型机，10-第二冷却水槽，11-第二牵引机，12-喷码器，13-截断锯，14-盘管机，15-支撑体，16-塑料管。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

本发明实施例提供了一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法，包括如下步骤：(1)挤出塑料芯管，并经真空定型、冷却处理；(2)通过缠绕站组在塑料管的表面上根据预先设计计算的强度系数，依次缠绕多层玻纤增强带层、加热熔融玻纤增强带层以及磙碾挤压加热熔融后的玻纤增强带层，形成增强层；(3)在与芯管融为一体的增强层上包覆护套层(外管)，经冷却定型及后处理形成成品，制得连续玻纤增强热塑性塑料复合管。本方法中复合管的塑料管的挤出、增强层的缠绕及熔结、外层护套层的挤出包覆都是连续进行的，因而该生产设备可以一次性得到复合管道成品，而不需要将预制的内管反复在开卷和收卷设备间缠绕多次，或者转移到另外的挤出生产线上增加护套层。

在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法中，护套层与增强层是彼此熔接为一体的，因此可以通过管材外壁连接传递轴向负荷，不必采用扣压式(或其他机械连接的压紧式管端接头)，即可将轴向负荷通过护套层传递到增强层。

采用该生产方法制得的复合管的横断面结构是具有高玻纤含量芯层的密实环面，内外层实际上是与增强层不可分离的整体，不存在螺旋孔隙或气孔。因而在管壁内不会形成压力介质的通路。其有益效果是，避免了非熔结型增强管或具有缠绕匝间距的增强管在管内介质通过内壁渗透至增强层时，沿管道纵向发生泄漏，或者穿过增强层在内层与外护套之间形成压力，造成内层塌陷或外层鼓泡、分离。而且由于各层彼此完全熔为一体，并且其横断面是密实的，不仅提高了管材整体在径向的抗渗透能力，而且压力介质也不会通过管材端面沿纵向窜入内外壁之间。

作为本发明的一个优选实施例，于上述技术方案的基础上，在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法的步骤(2)中，再次使磙碾挤压后的玻纤增强带层经过至少一组缠绕站组，以便将另一缠绕的玻纤增强带层熔结到之前已磙碾挤压的熔融玻纤增强带层上。玻纤增强带(CFRT带)的缠绕角度可根据带材工作时最佳受力方向设计和调节；增强带的层数通常为偶数并可根据需要增减。而且缠绕CFRT带材之间是紧密相邻的，且各层之间完全熔合，形成整体式的密实的管壁。

于上述技术方案的基础上，在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法的步骤(2)中，每个缠绕站组所提供的加热温度和/或磙碾压力互不相同。

于上述技术方案的基础上，在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法的步骤(2)中，在缠绕部位的塑料管内部设置支撑体，以防止塑料管在缠绕张力下变形或瘪塌。玻纤增强带层由紧密相邻的玻纤增强带缠绕而成，各层玻纤增强带层之间采用(相对)交叉缠绕。

于上述技术方案的基础上，在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法的步骤(2)中，在缠绕各层CFRT带材之前，还包括对通过缠绕站组之前的塑料管采用辐射炉快速加热至表面熔融状态，根据单次缠绕厚度不同，可以改变温度和时间，调整熔融深度实现表面熔融或熔透CFRT带材。

于上述技术方案的基础上，在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法的步骤(3)中后处理包括对包覆护套层后的塑料管进行真空定型和冷却处理。外护套与增强层是彼此熔接为一体的，因此可以通过管材外壁连接传递轴向负荷，不必采用扣压式(或其他机械连接的压紧式管端接头)，即可将轴向负荷通过护套层传递到增强层。

采用本发明方法制得的连续玻纤增强热塑性塑料复合管为整体熔接式管壁结构，其有益效果还包括：可以通过热熔对接将复合管的管材断面封闭，或者采用(端面热熔对接+外壁电熔连接)的方式连接管道，避免使用昂贵的防腐金属管端连接件。

本发明还提供了一种用于生产方法的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备，如图1所示为该连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备的生产工艺流程图，包括第一挤出机1、至少一组缠绕站组和第二挤出机8，其中，每组缠绕站组由缠绕机5、张力控制装置(图中未示出)、加热装置6和磙碾机构7组成。采用该生产设备，复合管的内管挤出、增强层的缠绕及熔结、外层护套层的挤出包覆都是连续进行的，通过现有设备张力控制装置控制CFRT带材的缠绕张力，因而该生产设备可以一次性得到复合管道成品，而不需要将预制的内管反复在开卷和收卷设备间缠绕多次，或者转移到另外的挤出生产线上增加护套层。

作为本发明的一个优选实施例，该连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备配置多个缠绕站组(例如8组)并依次设置，其包括多台缠绕机(例如8台)；每台缠绕机可以缠绕1～4层CFRT带材；如果需要更多层缠绕更多层，可以增加缠绕机，或者增加单台缠绕机的缠绕盘。缠绕张力根据复合管的设计需求自动调节，缠绕角度根据塑料管材的直径、CFRT带材宽度以及设计缠绕角度自动调节。此外，如图2a和2b所示，可在缠绕部位的管材内部设置支撑体15，或者充入压力介质，防止管材即塑料管16在缠绕张力下变形或瘪塌，支撑体15固定设置在缠绕部位的塑料管16内部，其形状为十字形结构，与塑料管16的内壁间隙贴合。

在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，磙碾机构用于磙碾熔结加热至适当温度的增强带，其具有与缠绕玻纤增强带层的塑料管外壁贴合的轮廓，通过磙碾机构对熔融的增强带施加磙碾压力，使其与相邻层熔结成一体，在磙碾CFRT带材的同时具有冷却和整形功能，确保熔结密实与外壁平整。

此外，所采用的磙碾机构可以按需要改变旋向、速度和磙碾压力，从而可以增加CFRT带材张紧力，或者抵消CFRT带材缠绕力引起的管材扭转力矩。磙碾机构与管材接触的轮廓可随着管材外径增大自适应调整。对较小口径复合管而言，可以采用高温弹性材料制作轮组；对于大口径复合管，则可以采用具有静定结构特征的辊轮组结构。

上述技术方案的基础上，该连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备还包括依次设置于第一挤出机1和缠绕站组之间的第一定型机2、第一冷却水槽3和第一牵引机4。以及还包设置于第一牵引机4和组缠绕站组之间的辐射炉，以将塑料管快速加热至熔融状态。

于上述技术方案的基础上，在该连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备上，如图2所示，每个磙碾机构7由前后贴合在塑料管外壁上的第一组辊轮701和第二组辊轮702组成，其中，图2a为安装在塑料管16左右两侧的第一组辊轮701；图2b为上下安装在塑料管16上下两侧的第二组辊轮702；第一组辊轮701与第二组辊轮702相对垂直设置。且磙碾机构第一组辊轮701与第二组辊轮702均为高温弹性材料制成。此外，所采用的磙碾机构可以按需要改变旋向、速度和磙碾压力，从而可以增加CFRT带材张紧力，或者抵消CFRT带材缠绕力引起的管材扭转力矩。磙碾机构与管材接触的轮廓可随着管材外径增大自适应调整。对较小口径复合管而言，可以采用高温弹性材料制作磙碾机构；对于大口径复合管，则可以采用具有静定结构特征的辊轮组结构。

于上述技术方案的基础上，该连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备还包括依次设置于缠绕站组下游的依次连接的第二定型机9、第二冷却水槽10、第二牵引机11、喷码器12、截断锯13和盘管机14。

如图1所示，本发明连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产设备的工作原理为:首先，采用第一挤出机1挤出塑料管，并依次通过第一定型机2和第一冷却水槽3进行真空定型和冷却处理；然后，通过第一牵引机4，将处理后的塑料管通过至少一组具有缠绕机5、加热器6和磙碾机构7的缠绕站组，以在塑料管的表面上依次缠绕多层玻纤增强带层、加热熔融玻纤增强带层以及磙碾挤压加热熔融后的玻纤增强带层，使相邻层熔结为一体，再依次通过7组缠绕站组重复上述缠绕、加热熔融和磙碾挤压工序，形成增强层；然后，采用第二挤出机8在熔融状态下的增强层上挤出包覆护套层，依次经第二定型机9和第二冷却水槽10进行真空定型和冷却处理后处理，最后再将依次经喷码器12喷码、截断锯13截断和盘管机14绕盘后，制得具有较好的耐腐蚀性能、机械性能，以及具有承受压力载荷(例如外部压力)能力的连续玻纤增强热塑性塑料复合管成品。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种连续玻纤增强热塑性塑料复合管的生产方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)挤出塑料芯管，并经真空定型、冷却处理；

(2)通过缠绕站组在塑料管的表面上根据预先设计计算的强度系数，依次缠绕多层玻纤增强带层、加热熔融玻纤增强带层以及磙碾挤压加热熔融后的玻纤增强带层，形成增强层；

(3)在与芯管融为一体的增强层上包覆护套层(外管)，经冷却定型及后处理形成成品，制得连续玻纤增强热塑性塑料复合管。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，再次使所述磙碾挤压后的玻纤增强带层经过至少一组缠绕站组，以便将另一缠绕的玻纤增强带层熔结到之前已磙碾挤压的熔融玻纤增强带层上。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，每个所述缠绕站组所提供的加热温度和/或磙碾压力互不相同。

4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在缠绕部位的塑料管内部设置支撑体，以防止塑料管在缠绕张力下变形或瘪塌。

5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述玻纤增强带层由紧密相邻的玻纤增强带缠绕而成，各层玻纤增强带层之间相对交叉缠绕。

6.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括对通过缠绕站组之前的塑料管采用辐射炉快速加热至表面熔融状态。

7.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(3)中后处理包括对包覆护套层后的塑料管进行真空定型和冷却处理。

8.一种采用所述权利要求1-7任一项所述方法的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备，其特征在于，包括第一挤出机、至少一组缠绕站组和第二挤出机，每组缠绕站组由缠绕机、张力控制装置、加热装置和磙碾机构组成。

9.根据权利要求8所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备，其特征在于，所述磙碾机构具有与塑料管外壁贴合的轮廓。

10.根据权利要求8所述的连续玻纤增强热塑性塑料复合管生产设备，其特征在于，所述磙碾机构为高温弹性材料制成。