CN109869540B

CN109869540B - 一种frp条带增强热塑性树脂螺旋波纹管

Info

Publication number: CN109869540B
Application number: CN201910283988.XA
Authority: CN
Inventors: 吴智深; 汪昕; 刘霞; 商烨青
Original assignee: Hengshui Ruixian New Material Technology Co ltd
Current assignee: Hengshui Ruixian New Material Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: CN109869540A

Abstract

本发明公开一种FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，包括热塑性树脂形成的内层、短切纤维增强热塑性树脂形成的外层和FRP条带，所述外层具有成螺旋状的凸肋，所述FRP条带成螺旋状固定在所述内层的外圈表面并对应于所述凸肋的位置。本发明充分利用FRP条带的高刚度和短切纤维增强热塑性树脂的高强度、抗冲击，实现螺旋波纹管三层结构组合优化设计，与普通螺旋波纹管道相比，具有轻质、高强、高刚度、抗冲击以及综合成本低等优点；与钢带增强螺旋波纹管相比，环刚度相当，内外层无分层、锈蚀剥离等不良现象，同时具有抗开裂、耐磨损、易切割等优点。

Description

一种FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管

技术领域

本发明公开一种FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，属于纤维增强聚乙烯螺旋波纹管技术领域。

背景技术

随着全国防治水污染，城镇建设和道路工程等投资热潮的兴起，塑料埋地排水管耐腐蚀性强、耐磨损、防渗漏，能防止对地下水资源的污染，有利于环境保护等优点已经被广泛认识。但塑料埋地排水管推广应用过程中的主要障碍是在大直径(内径≥800mm)塑料埋地排水管的管材为满足环刚度需求增加壁厚，用料较费，价格较贵。虽然通过钢带增强螺旋波纹管可提升大直径管道的强度及环刚度，但在大量工程应用调研中发现，管材与钢带之间存在内外分层、锈蚀剥离等现象，导致管道环刚度和抗冲击等性能下降，严重影响管道使用性能和寿命，甚至造成管道发生变形过大和压屈失稳工程事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种具有轻质、高强、高刚度、抗冲击、防开裂、耐腐蚀、易于切割的FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，有效解决管道环刚度难以满足导致的变形过大和压屈失稳，不良地质下外壁强度低、抗冲击性能差以及使用寿命短等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：包括热塑性树脂形成的内层、短切纤维增强热塑性树脂形成的外层和FRP条带，所述外层具有成螺旋状的凸肋，所述FRP条带成螺旋状固定在所述内层的外圈表面并对应于所述凸肋的位置。

本发明FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，在截面上，沿波纹管的长度方向，由三层段和两层段交替构成。两层段由内层和外层构成，内层为常规的塑料层，外层为短切纤维塑料复合层。三层段为由内层、中间层和外层构成，三层段的内层和外层与两层段的相同，内层依然为常规的塑料层，外层为短切纤维塑料复合层，三层段的内层和外层与两层段的内层和外层可连续加工，中间层为FRP条带，FRP条带与外层的螺旋凸肋位于同一截面位置，与螺旋凸肋一起对管道产生束箍效应，极大地提高了管道环刚度和抗冲击性能，有效地减小了外力作用下的变形。

本发明FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管采用常规的波纹管成型机通过高温热熔成型，内层采用挤出机挤出热塑性树脂并熔接成型；中间层螺旋缠绕FRP条带并熔接在管道内层之外；外层采用挤出机挤出短切纤维增强热塑性树脂并熔接成型。管道具有轻质高强、环刚度高、抗冲击、抗开裂、耐磨损、易于切割等优点。

所述FRP条带为采用连续纤维和热塑性树脂按比例挤出成型，所述连续纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维，所述热塑性树脂为聚乙烯树脂、聚丙烯或尼龙树脂。纤维含量50-60％，树脂含量40-50％，母料含量2.5-5％。纤维通过导引装置拉出，而后进入口模；热塑性树脂通过双螺杆挤出机物料料斗加入，在两螺杆间隙间受到强烈剪切、搅拌和压延作用后均匀塑化后进入口模。在口模内靠压力作用使得热塑性树脂与纤维结合，而后进入加热口模固化成型，经拉拔装置牵引，最后形成FRP条带。

所述双螺杆挤出机转速10-25r/min，加热口模温度110-160℃，牵引张力50-100kN；牵引速度0.3-0.5m/min。

所述FRP条带螺旋缠绕于管道内壁，其特征在于：厚度0.2mm-0.8mm，宽度50mm-100mm，强度≥1000MPa，弹性模量≥55GPa。FRP条带热熔后与内外层均匀牢固粘结，其弹性模量是热塑性树脂的68倍以上，因此螺旋缠绕于管道内层可提升管道环刚度9倍以上。

所述短切纤维增强热塑性树脂采用短切纤维按一定比例均匀添加到热塑性树脂中，所述短切纤维为玻璃纤维、芳纶纤维和玄武纤维中的一种或至少两种以上的混合，短切长度8-12mm，纤维掺量5％-20％，所述热塑性树脂为聚乙烯树脂、聚丙烯或尼龙树脂。短切纤维与热塑性树脂后共同加入双螺杆挤出机物料料斗，通过双螺杆挤出机进行塑化挤出，形成短切纤维增强热塑性树脂。所述双螺杆挤出机转速10-25r/min。

所述短切纤维增强热塑性树脂，提升外壁管道强度及抗冲击性能，其特征在于：强度≥30MPa，弹性模量≥2400MPa，抗冲击性能≥80kJ/m²。与普通热塑性树脂相比，强度提升60％以上，弹性模量提升200％以上，抗冲击性能提升30％。

本发明的有益效果为：

本发明波纹管结构中不含钢带，波纹管在凸肋位置采用三层组合结构设计，内层采用普通热塑性树脂，中层采用FRP条带，外层采用短切纤维增强热塑性树脂。国际ISO标准定义管材的环向刚度为环刚度，即管环断面的刚度为:S＝EI/D³(kN/m²),D为管道直径；E为材料的弹性模量；I为管道纵截面处每延米管壁的惯性矩。短切纤维增强热塑性树脂可实现管道外壁弹性模量提升2倍以上，强度提升60％以上，抗冲击性能提升30％以上；FRP条带弹性模量是热塑性树脂的68倍以上，通过螺旋缠绕于管道内壁，在管道外壁的强度和抗冲击性能提升的基础上，进一步实现管道环刚度提升9倍以上。与普通螺旋波纹管相比，管道环刚度大幅提升，材料用量大幅下降，同时管道具有轻质、高强、抗冲击以及综合成本低等优点；与钢带增强螺旋波纹管相比，环刚度相当，内外层无分层、锈蚀剥离等不良现象，精简了钢带弯曲成型、粘结树脂涂覆等工艺，同时管道具有抗开裂、耐磨损、易切割等优点。

FRP条带的有益作用为：FRP条带弹性模量是热塑性树脂的60倍以上，利用FRP条带的高刚度提升管道环刚度，与通过增加管道壁厚提高环刚度相比，材料用量省，经济性高，管道减重显著；FRP条带采用连续纤维和热塑性树脂，通过双螺杆挤压机挤塑成型，模具精度高，条带质量稳定，同时便于缠绕适用于不同管道直径，易于切割满足管道不同长度截断需求。与热固性FRP条带相比，热塑性FRP条带具有优良的二次加工特性。FRP条带通过热熔与管道内层牢固粘结，界面粘结性能优异，避免了管道内外分层、剥离等不良现象。

短切纤维增强热塑性树脂的有益作用：在受力过程中，裂纹扩展遇到纤维的阻碍作用增强，导致裂纹扩展方向不断偏转、路径不断增大，吸收的断裂功增大，提升了材料强度、模量和抗冲击性能。同时纤维阻碍裂缝前进路径，并起到桥接作用，阻止缺陷继续扩大，提升了管道在使用过程中的抗裂性、耐磨性和耐久性。

附图说明

图1为本发明FRP条带增强螺旋波纹管的结构示意图；

图2为图1的A部放大示意图；

图3粘结强度保留率对比图。

图中，1-波纹管外层；2-波纹管中间层；3-波纹管内层。

具体实施方式

为进一步说明本发明的原理和特征，以下结合附图来详细说明本发明。

如图1-2所示，本发明FRP增强热塑性树脂螺旋波纹管，包括外层1，中间层2和内层3。中间2螺旋绕制在内层3的外表面。根据流通量设计，管道公称直径800mm，内径785mm，内层壁厚4mm，中间层纤维增强FRP条带厚0.5mm，外层壁厚3mm，层压壁厚7.5mm，螺旋肋间距100mm，FRP条带间距100mm。

内层3采用普通热塑性树脂，选用聚乙烯树脂，强度18MPa，弹性模量800MPa，抗冲击强度68kJ/m²。

中间层2为FRP条带。纤维选用连续玄武岩纤维，热塑性树脂选用聚乙烯树脂，通过双螺杆挤出机挤塑成型，形成玄武岩纤维条带(BFRP条带)，BFRP条带厚度0.5mm，宽度70mm，强度1000MPa，弹性模量55GPa。

外层1为短切纤维增强热塑性树脂。短切纤维选用玄武岩纤维，短切纤维长度8mm，掺量7.5％，热塑性树脂选用聚乙烯树脂，掺量90％，母料掺量2.5％。通过将短切玄武岩纤维和聚乙烯树脂及母料加入双螺杆挤出机共同挤出形成玄武岩纤维增强聚乙烯，玄武岩纤维增强聚乙烯强度30MPa，弹性模量2400MPa，抗冲击强度90kJ/m²。纤维增强后，强度提高60％，弹性模量提高200％，抗冲击强度提高30％。

波纹管道制作包括如下步骤：(1)内层选用普通聚乙烯，中间层选用BFRP条带，外层选用短切玄武岩纤维增强聚乙烯；(2)内层采用挤出机挤出聚乙烯树脂并熔接成型；中间层螺旋缠绕BFRP条带并熔接在管道内层之外；外层采用挤出机挤出玄武岩纤维增强聚乙烯并熔接成型；(3)各部分通过温度、压力和速度的控制保证各层熔接成一个牢固整体，形成BFRP条带增强螺旋波纹管。

根据实施例管材规格尺寸，采用有限元软件进行BFRP条带增强螺旋波纹管与普通螺旋波纹肋和钢带增强螺旋波纹肋环刚度对比分析。三维模型中下压板采用固支约束，用于模拟管道放置于地面。上压板施加位移荷载施加根据GB/T 9647《热塑性塑料管材环刚度的测定》，即管道内径垂直方向产生3％变形量。

基于有限元分析，提取三种管道结构分析结果(表1)。

表1环刚度对比分析

FRP条带增强聚乙烯螺旋波纹管环刚度19.3kN/m²与钢带增强螺旋波纹管(20.2kN/m²)相当，是普通螺旋波纹肋管道的10倍，环刚度提升效果显著。采用FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，与钢带增强螺旋波纹管相比，环刚度相当，精简了钢带弯曲成型、粘结树脂涂覆等工艺；同时与普通螺旋波纹管相比，管道环刚度大幅提升，材料用量大幅下降。

针对管道内外层分层、剥离等不良现象，进行FRP条带增强和钢带增强聚乙烯螺旋波纹管和钢带增强盐腐蚀溶液下的老化试验对比(图3)。经过320天，在55℃高温盐腐蚀溶液浸泡，FRP条带增强的粘结强度保留率保持在80％以上；钢带增强粘结强度保留率保持在50％以上。从粘结强度退化规律看，在腐蚀320天后，钢带增强的退化速率要远高于FRP条带，即钢带的锈蚀、分层、剥离等不良现象进入一个快速发展的过程。

通过对比发现，FRP条带与管道内外层粘结强度保留率高，且随时间退化缓慢，良好稳定的粘结性能保证了管道的环刚度以及整体工作性能，因此FRP条带增强聚乙烯螺旋波纹管具有性能稳定，使用寿命长，经济耐久等优点。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：包括热塑性树脂形成的内层、短切纤维增强热塑性树脂形成的外层和FRP条带，所述外层具有呈螺旋状的凸肋，所述FRP条带呈螺旋状固定在所述内层的外圈表面并对应于所述凸肋的位置；

所述短切纤维增强热塑性树脂采用短切纤维与热塑性树脂按比例挤出成型，短切纤维和热塑性树脂的质量份为：短切纤维：5-10份，热塑性树脂：80-90份，母料：2.5-5份；

短切纤维长度为8 mm-12 mm；

所述FRP条带采用连续纤维和热塑性树脂按比例挤出成型，连续纤维和热塑性树脂的质量份为：连续纤维：50-60份，热塑性树脂：40-50份，母料：2.5-5份。

2.权利要求1所述的FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：所述FRP条带的制备方法是：热塑性树脂经均匀塑化后与连续纤维一起进入口模，在口模内靠压力作用使得热塑性树脂与纤维结合，而后进入加热口模固化成型。

3.权利要求2所述的FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：热塑性树脂通过双螺杆进行均匀塑化。

4.权利要求1-3任一所述的FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：所述连续纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维或碳纤维；所述热塑性树脂为聚乙烯树脂、聚丙烯树脂或尼龙树脂。

5.权利要求1-3任一所述的FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：所述FRP条带厚度0.2 mm -0.8 mm，宽度50 mm-100 mm，强度≥1000 MPa，弹性模量≥55 GPa。

6.权利要求5所述的FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：短切纤维为玄武岩纤维、芳纶纤维和玻璃纤维中的一种或以上种类中至少两种混合的混杂纤维；所述热塑性树脂为聚乙烯树脂、聚丙烯或尼龙树脂。

7.权利要求1所述FRP条带增强热塑性树脂螺旋波纹管，其特征在于：内层采用挤出机挤出热塑性树脂并熔接成型；中间层螺旋缠绕FRP条带并熔接在管道内层之外；外层采用挤出机挤出纤维增强热塑性树脂并熔接在内层上。