CN109944984B - Hdpe中空壁复合增强缠绕管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种HDPE中空壁复合增强缠绕管，包括中空管壁和增强骨架，增强骨架设置在中空管壁中，中空管壁的外壁设置通孔，增强骨架的顶部与外壁平齐，增强骨架的顶部与其两侧的外壁之间存在间隙；中空管壁为HDPE材料，增强骨架为PVC材料，中空管壁的外表面热覆HDPE材料层。本发明还涉及一种复合增强缠绕管的制备方法，包括以下步骤：利用挤出机生产PVC增强骨架，经过双螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成卷待用；利用挤出机生产HDPE中空板带，经过单螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成盘待用；将HDPE中空板带和PVC增强骨架在成型机上缠绕复合成型，并在外表面热敷一层HDPE材料，形成复合增强缠绕管。该复合增强缠绕管同时具有较高的环刚度和环柔性。

Description

HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法

技术领域

本发明属于市政工程技术领域，具体涉及一种HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法，该缠绕管由HDPE和PVC两种材料复合而成。

背景技术

在市政工程基础设施中，排水排污等地下设施所使用的管道多为纯HDPE(高密度聚乙烯)结构壁管，但是纯HDPE结构壁管的环刚度低、单位米重大、生产效率低。另外纯HDPE结构壁管的强度低、环柔性差、存在分层，且非常容易出现结构壁连接处脱开的现象。

为了改善上述现象，出现了一些复合管，该类管道的管壁由塑料和钢材复合缠绕而成，其技术缺陷是钢材容易被腐蚀，特别是沿海地区和输送化工污水的管道，因此该类管道在使用中钢材会慢慢被腐蚀掉，从而使管道的环刚度受到严重破坏，导致安装好的管线发生塌陷。另外由于该类管道中塑料和钢材的膨胀系数不同，在实际使用中随着气候的变化，管材在内部应力作用下被破坏，容易造成管材脱节等问题。现有技术中也存在一些由塑料和塑料复合而成的缠绕管，但是结构复杂，且没有适当的结构参数，环刚度仍然很低，无法满足当前市政工程设施的需求。

授权公告号为CN202868109U的实用新型专利公开了一种双孔塑钢壁排水管，包括异形钢，管道的管壁中有三个环孔，异形钢置于第一环孔中，且抵接于第一环孔的上部，管壁对应于第一环孔处的外表面为光平面形状，第二环孔和第三环孔为塑料空心四方孔，采用该塑钢排水管，来自于外界的压力由管壁中的异形钢承受，没有放置异形钢的管壁地方承受的压力很小。虽然该塑钢排水管能大大提高管道的环刚度，但是在使用过程中，钢材会慢慢腐蚀，从而使管道的环刚度大幅度降低，导致安装好的管线发生塌陷；此外，塑料和钢材的膨胀系数不同，在使用中随着气候的变化，管材内部应力被破坏，容易造成管材脱节等问题。

公开号为CN1869348A的发明专利公开了一种HDPE、PVC塑塑复合缠绕管，具有缠绕管本体，缠绕管本体的管壁由呈螺旋缠绕状的矩形管状空心带材和HDPE塑料填充体构成，HDPE塑料填充体粘结并填充在空心带材的各螺旋之间的侧壁间隙处，空心带材的管壁由内至外分别由PVC塑料层、复合胶粘结层和HDPE塑料层构成。该缠绕管具有耐腐蚀、耐老化等优点，但是结构复杂，管材的环刚度较低、环柔性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种HDPE材料和PVC材料复合而成的HDPE中空壁增强缠绕管，采用PVC增强骨架替代传统的钢材料。旨在解决现有技术中管道的环刚度低、环柔性差；塑料与钢材膨胀系数不同，管道易变形；钢材易腐蚀，导致管道塌陷等问题。

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种HDPE中空壁复合增强缠绕管，包括中空管壁和增强骨架，所述增强骨架设置在所述中空管壁中；所述中空管壁的外壁设置通孔，所述增强骨架的顶部与所述外壁平齐，所述增强骨架的顶部与其两侧的外壁之间存在间隙；所述中空管壁为HDPE材料，所述增强骨架为PVC材料；所述中空管壁的外表面热覆HDPE材料层。

采用强度较高的PVC支撑骨架，镶嵌在HDPE中空管壁中，二者结合，共同受力。充分利用PVC材料的高强度、高承载力，达到大大提高环刚度和环柔性的目的。充分利用HDPE材料的柔韧性，很好地保护了PVC增强骨架，大大提高了管材整体的使用安全性。二者都是塑料材质，热膨胀系数和收缩率都比较接近，在温度发生变化时，二者变形也接近，不会产生局部应力不均衡，使管材达到最优共同受力的状态，大大提高了管材整体的实用性。

优选的是，所述中空管壁中设置两个环孔，两个环孔中至少有一个环孔的外壁设置通孔，设置通孔的环孔中设置所述增强骨架；多个中空管壁之间通过HDPE热熔料竖向连接。两个环孔的宽度、长度、高度相等，两个环孔的壁厚相等；通孔的宽度小于环孔的宽度，通孔两侧余留的外壁长度相等。

在上述任一方案中优选的是，所述中空管壁中设置三个环孔，两侧环孔的外壁均设置通孔，两侧环孔中均设置所述增强骨架；多个中空管壁之间通过HDPE热熔料竖向连接。两侧环孔的宽度、长度、高度相等；中间环孔的宽度小于两侧环孔的宽度；三个环孔的壁厚相等；通孔的宽度小于环孔的宽度，通孔两侧余留的外壁长度相等。

在上述任一方案中优选的是，所述增强骨架包括水平支架和斜支架，所述斜支架设置在所述水平支架的下方。

在上述任一方案中优选的是，所述增强骨架还包括加强支架，所述加强支架垂直设置在所述水平支架的下方。

在上述任一方案中优选的是，所述斜支架和/或加强支架的底部设置底部支架。

增强骨架的形状多种多样。若缠绕管的内径不超过500mm，则PVC骨架的形状为板凳状，包括水平支架和斜支架；若缠绕管的内径在500-800mm之间，则PVC骨架的形状为具有加强支架的板凳状，包括水平支架、斜支架和一根加强支架，该加强支架垂直设置在水平支架的下方；若缠绕管的内径在800-1000mm之间，则PVC骨架的形状为具有加强支架的板凳状，包括水平支架、斜支架和两根加强支架，两根加强支架垂直设置在水平支架的下方；若缠绕管的内径超过1000mm，则PVC骨架的形状为M形，包括水平支架和两组斜支架。

本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管中HDPE中空管壁的厚度、环孔内壁的宽度；PVC骨架的厚度、水平支架与斜支架之间的夹角、水平支架在HDPE中空管壁通孔中的间隙、水平支架的宽度、热覆HDPE材料层的厚度等各个参数之间相互配合，协同作用，几个重要参数必须符合一定关系，只有这样才能达到本发明记载的效果。

HDPE中空管壁的厚度h＝1.5-2.0mm；

PVC骨架的厚度H＝(1.5-4)h；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝20-80°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝(0.2-0.8)H；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，h﹤A﹤H且A＝(1.2-2.5)h。

本发明的缠绕管为全塑料复合管，由PVC骨架代替传统钢板来提高管道的环刚度和环柔性，PVC骨架又极耐腐蚀，从而解决了传统塑钢复合管在实际使用中钢板慢慢腐蚀这一致命缺陷，避免了管道环刚度严重下降以及管线因此发生塌陷的问题。整根管道的外表面呈光平形状，即放置有PVC增强骨架的地方呈光平形状，没有放置PVC增强骨架的地方也呈光平形状。当管道埋在地下后，管壁所受的压力集中到管壁的上表面处，HDPE中空管壁和PVC增强骨架二者共同受力，PVC增强骨架加强了管壁承受外部压力的能力，管道的大部分压力由管壁中的PVC增强骨架来承受，这样大大提高了管道的环刚度和环柔性。而且PVC增强骨架放置到HDPE中空管壁中，骨架的斜支架底部无需与中空管壁连接或使用其他组件将二者卡接在一起，骨架的斜支架底部处于自由状态，随着地下环境温度的变化以及受力程度的变化，PVC增强骨架在中空管壁内不易变形，即使发生变形，该变形也是可以恢复的。如果将PVC骨架的底部与HDPE中空管壁连接或卡接在一起，当HDPE中空管壁发生变形时，会带动PVC骨架变形，如果二者的变形不同，那么恢复的程度也不同，从而使PVC骨架发生扭曲，无法回到原始状态。

本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管由HDPE材料和PVC材料复合而成，两种材料的组分都具有独特性。本发明中PVC材料的配方非常关键，除了缠绕管本身的结构具有独创性以外，PVC材料的配方也发挥了很大作用，无论是与本申请的HDPE材料复合还是与现有技术的HDPE材料复合，都能发挥极大的效果。缠绕管本身结构的创新已经达到了本发明的有益效果，如果在此基础上对PVC材料的配方进行创新，那么远超过本发明的预期效果。

(1)PVC增强骨架包括以下重量组分(各物质占PVC增强骨架的百分比)：PVC树脂60-80％、增强剂4-10％、增韧剂4-10％、稀土复合稳定剂0.5-1％、石墨烯0.5-1％、内外润滑剂2-10％、着色剂2-10％。相比较，稀土复合稳定剂和石墨烯为微量添加，只是微量添加就能够使PVC增强骨架的力学性能大幅度提高。

所述增强剂优选氯化聚乙烯(CPE)；所述增韧剂优选丙烯酸酯共聚物(ACR)；所述内外润滑剂分别优选硬脂酸和聚乙烯蜡；所述着色剂优选碳黑。

所述稀土复合稳定剂由稀土元素的羧酸盐、脂肪酸盐为主要组分而合成，含有适量的稀土金属成份。稀土元素优选镧、钇，羧酸盐优选异辛酸稀土，脂肪酸盐优选硬脂酸盐。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧40-90％、硬质酸镧10-60％，其中镧元素在各物质中的占比仅为5-10％。

(2)HDPE中空管壁包括以下重量组分(各物质占HDPE中空管壁的百分比)：高密度聚乙烯树脂70-80％、增强剂10-20％、增韧剂4-6％、稀土复合稳定剂0.5-1％、石墨烯0.5-1％、内外润滑剂1-3％、着色剂2-5％。相比较，稀土复合稳定剂和石墨烯为微量添加，只是微量添加就能够使HDPE中空管壁的力学性能大幅度提高。

所述增强剂优选氯化聚乙烯(CPE)；所述增韧剂优选丙烯酸酯共聚物(ACR)；所述内外润滑剂分别优选硬脂酸和聚乙烯蜡；所述着色剂优选碳黑。

所述稀土复合稳定剂由稀土元素的羧酸盐、脂肪酸盐为主要组分而合成，含有适量的稀土金属成份。稀土元素优选镧、钇，羧酸盐优选异辛酸稀土，脂肪酸盐优选硬脂酸盐。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧40-90％、硬质酸镧10-60％，其中镧元素在各物质中的占比仅为5-10％。

本发明还提供一种HDPE中空壁复合增强缠绕管的制备方法，用于制备上述任一种HDPE中空壁复合增强缠绕管，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：利用挤出机生产PVC增强骨架，经过双螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成卷待用；

步骤二：利用挤出机生产HDPE中空板带，经过单螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成盘待用；

步骤三：将HDPE中空板带和PVC增强骨架在成型机上缠绕复合成型，并在外表面热敷一层HDPE材料，形成复合增强缠绕管。

优选的是，所述PVC增强骨架的制备工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤1.1：将PVC原料投入高速捏合机中搅拌逐渐升温，升温速率5℃/min，当温度达到60℃时，投入增强剂和增韧剂，保持60℃的温度继续搅拌10min，然后保持60℃的温度投入稀土复合稳定剂继续搅拌15min，此时以10℃/min的升温速率逐渐升温，当温度升到120℃时，投入石墨烯、内外润滑剂和着色剂，保持120℃继续搅拌10min，此时以2℃/min的升温速率继续升温到130℃时转入低速捏合机中搅拌，当混合物料冷却到50℃时，放置密闭储存容器中备用；

步骤1.2：将PVC板带生产线的双螺杆挤出机分五段加温，从机尾到机头的温度依次为170℃、175℃、180℃、185℃和190℃，采用螺纹簧上料机将混合物料加入挤出机的料斗中，再由喂料机加入主机中；加入的混合物料经过PVC锥形双螺杆的挤压、剪切，在一定温度下变成熔融状态，经过螺杆的压力挤压到机头模具中形成PVC骨架胚胎，并由机头模具挤出；

步骤1.3：由机头模具挤出的PVC骨架胚胎进入冷却成型室，经过冷却水冷却和真空定型形成PVC骨架；PVC骨架经过喷淋水槽进一步降温后，由牵引机牵引形成连续生产，此时生产出的PVC骨架经检验合格后缠绕成卷待用。

步骤1.1中，各物料的投放顺序非常关键，对PVC材料的力学性能起到至关重要的作用，同时各个工艺参数相互协同作用，几种物料之间发生化学反应，微量添加的稀土复合稳定剂和石墨烯使PVC材料的内部微观结构发生变化，提高了PVC材料的综合力学性能，最终形成的PVC材料的抗拉强度提高80％，同时PVC材料的延展性也大幅度提高了50％以上。

在上述任一方案中优选的是，所述HDPE中空板带的制备工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤2.1：将HDPE原料投入混料机中搅拌逐渐升温，升温速率5℃/min，当温度达到80℃时，投入增强剂和增韧剂，保持80℃的温度继续搅拌20min，然后保持80℃的温度投入稀土复合稳定剂继续搅拌15min，此时以2℃/min的升温速率逐渐升温，当温度升到90℃时，投入石墨烯、内外润滑剂和着色剂继续搅拌10min，形成混合物料；

步骤2.2：将HDPE板带生产线的单螺杆挤出机分五段加温，从机尾到机头的温度依次为180℃、190℃、200℃、205℃和210℃，采用真空加料机将混合物料吸到挤出机的料斗中，混合物料进入加热的螺筒，经螺杆的挤压、剪切，在一定温度下形成熔融状态，经过螺杆的压力挤到机头模具中形成HDPE板带的胚胎，并由机头模具挤出；

步骤2.3：由机头模具挤出的HDPE板带胚胎进入冷却成型室，经过冷却水冷却和真空定型形成HDPE板带；HDPE板带经过喷淋水槽进一步降温后，由牵引机牵引形成连续生产，此时生产出的HDPE板带经检验合格后缠绕成盘待用。

步骤2.1中，各物料的投放顺序非常关键，对HDPE材料的力学性能起到至关重要的作用，同时各个工艺参数相互协同作用，几种物料之间发生化学反应，微量添加的稀土复合稳定剂和石墨烯使HDPE材料的内部微观结构发生变化，提高了HDPE材料的综合力学性能，最终形成的HDPE材料的抗拉强度提高70％以上，同时HDPE材料的延展性也大幅度提高了60％以上。

在上述任一方案中优选的是，所述HDPE中空板带和所述PVC增强骨架复合成型工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤3.1：根据生产规格，在缠绕成型机上安装成型转辊、HDPE板带送带装置和PVC骨架送带装置，将粘接HDPE板带的单螺杆挤出机和机头以及热敷HDPE外层的单螺杆挤出机和机头加温到180-210℃待用；

步骤3.2：开启成型转辊将HDPE板带经送带装置缠绕到成型转辊上，开启粘接缝的挤出机将HDPE热熔料挤到两个HDPE板带相连接的缝隙中，经压辊挤压成型形成管材雏形；

步骤3.3：将PVC骨架经过送带装置送到已成型的管材板带上面，用压辊将PVC骨架压到管材板带的环孔中，同时用外层挤出机通过机头将HDPE热熔料覆盖到管材的外表面并形成有效搭接，然后经过压辊挤压将搭接面熔为一体，并使整根管材的外表面平滑光亮，经过连续生产形成整根复合增强缠绕管；

步骤3.4：采用切割锯将整根复合增强缠绕管切割成需要的长度，并经检验合格后入库存放。

本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法具有如下有益效果：

(1)该缠绕管改进了现有技术中塑钢管环刚度低、环柔性差的缺点，在HDPE中空管壁中加入PVC增强骨架，二者结合既提高管道的环刚度又提高管道的环柔度，使管材的力学性能大大提高，非常适合各种状态下的排水、排污。

(2)该缠绕管在使用过程中不会生锈、不会因热胀冷缩不均衡而开裂。目前，工程要求环刚度较高的项目大多采用复合钢板的管材(如钢带增强波纹管、双平壁复合缠绕管、塑钢缠绕管等)，其复合在管材内的钢板在使用中都存在不同程度的锈蚀，当使用一定年限后就会全部腐蚀掉，使管道垮塌造成堵塞，路面造成塌陷，还可能发生其他严重的安全事故，特别是沿海地区和输送化工污水的管道更是如此。本发明的缠绕管正好弥补了目前管材的缺点，既有较高的环刚度和环柔性，又不会因温差过大、膨胀系数不同而发生开裂，也不会受潮(水)、海水、污水、化工水等腐蚀性生锈损坏。

(3)该缠绕管在制备过程中，在管材的外表面整体敷设了一层HDPE材料，使管材形成整体受力状态，解决了缠绕管缠绕接缝容易脱开的问题，大大提高了管材的质量。

(4)由于PVC增强骨架形状及各个参数的改进，使管材的整体屈服强度提高到350MPa以上，抗拉强度提高到800MPa以上，延伸率提高到40％以上，环刚度提高到20KN/m²以上。

(5)PVC材料的配方经过创新后，无论与本发明的HDPE材料复合还是与现有技术的HDPE材料复合，都能够使管材的综合力学性能进一步提高，屈服强度提高到500MPa以上，抗拉强度提高到1200MPa以上，延伸率提高到50％以上，环刚度提高到23KN/m²以上。

(6)在制备PVC增强骨架和HDPE中空管壁的过程中，各种物料的添加顺序和工艺参数也非常重要，能够使管材的综合力学性能在配方优化的基础上进一步提高5-10％左右。

附图说明

图1为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的一优选实施例结构示意图；

图2为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的图1所示实施例中PVC增强骨架的结构示意图，PVC增强骨架的形状为板凳状，包括水平支架和斜支架；

图3为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的图1所示实施例中PVC增强骨架的结构示意图，PVC增强骨架的形状为具有加强支架的板凳状，包括水平支架、斜支架和一根加强支架；

图4为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的图1所示实施例中PVC增强骨架的结构示意图，PVC增强骨架的形状为具有加强支架的板凳状，包括水平支架、斜支架和两根加强支架；

图5为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的图1所示实施例中PVC增强骨架的结构示意图，PVC增强骨架的形状为M形，包括水平支架和两组斜支架；

图6为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的图1所示实施例中HDPE中空管壁的结构示意图；

图7为按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的图1所示实施例中多个中空管壁组合连接的结构示意图。

图中标注说明：1-复合增强缠绕管，2-中空管壁，21-外壁，22-通孔，23-环孔，3-增强骨架，31-顶部，32-水平支架，33-斜支架，34-加强支架，35-底部支架，36-水平支架与斜支架之间的夹角，4-间隙，5-HDPE材料层，6-HDPE热熔料。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1所示，按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管1的一实施例，其包括中空管壁2和增强骨架3，所述增强骨架3设置在所述中空管壁2中；所述中空管壁2的外壁21设置通孔22，所述增强骨架3的顶部31与所述外壁21平齐，所述增强骨架3的顶部31与其两侧的外壁21之间存在间隙4；所述中空管壁2为HDPE材料，所述增强骨架3为PVC材料；所述中空管壁2的外表面热覆HDPE材料层5；多个中空管壁之间通过HDPE热熔料6竖向连接。

如图2-5所示，增强骨架的形状多种多样。所述增强骨架3包括水平支架32和斜支架33，所述斜支架33设置在所述水平支架32的下方。所述增强骨架3还包括加强支架34，所述加强支架34垂直设置在所述水平支架32的下方。所述斜支架33和/或加强支架34的底部设置底部支架35。

如图2所示，若缠绕管的内径不超过500mm，则PVC骨架的形状为板凳状，包括水平支架和斜支架。如图3所示，若缠绕管的内径在500-800mm之间，则PVC骨架的形状为具有加强支架的板凳状，包括水平支架、斜支架和一根加强支架，该加强支架垂直设置在水平支架的下方。如图4所示，若缠绕管的内径在800-1000mm之间，则PVC骨架的形状为具有加强支架的板凳状，包括水平支架、斜支架和两根加强支架，两根加强支架垂直设置在水平支架的下方。如图5所示，若缠绕管的内径超过1000mm，则PVC骨架的形状为M形，包括水平支架和两组斜支架。

如图6所示，所述中空管壁2中设置两个环孔23，两个环孔23中至少有一个环孔23的外壁21设置通孔22，设置通孔22的环孔23中设置所述增强骨架3。两个环孔的宽度、长度、高度相等，两个环孔的壁厚相等；通孔的宽度小于环孔的宽度，通孔两侧余留的外壁长度相等。

还可以在中空管壁2中设置三个环孔23，两侧环孔23的外壁21均设置通孔22，两侧环孔23中均设置所述增强骨架3。两侧环孔的宽度、长度、高度相等；中间环孔的宽度小于两侧环孔的宽度；三个环孔的壁厚相等；通孔的宽度小于环孔的宽度，通孔两侧余留的外壁长度相等。

如图7所示，将多个中空管壁依次竖向连接起来形成复合增强缠绕管，相邻两个中空管壁之间通过HDPE热熔料粘合连接。

本实施例的复合增强缠绕管中HDPE中空管壁的厚度、环孔内壁的宽度；PVC骨架的厚度、水平支架与斜支架之间的夹角、水平支架在HDPE中空管壁通孔中的间隙、水平支架的宽度、热覆HDPE材料层的厚度等各个参数之间相互配合，协同作用，几个重要参数必须符合一定关系，只有这样才能分别提高PVC骨架和HDPE中空管壁的力学性能，并且能够大幅度提高PVC骨架与HDPE中空管壁复合后的缠绕管的整体力学性能。

HDPE中空管壁的厚度h＝1.5mm；

PVC骨架的厚度H＝1.5h＝2.25mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝20°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.2H＝0.45mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，1.5mm﹤A﹤2.25mm且A＝1.2h＝1.8mm。

确定了缠绕管的内径和上述参数后，缠绕管的其他尺寸可以根据实际情况调整。

本实施例的HDPE中空壁缠绕管为全塑料复合管，由PVC骨架代替传统钢板来提高管道的环刚度和环柔性，PVC骨架又极耐腐蚀，从而解决了传统塑钢复合管在实际使用中钢板慢慢腐蚀这一致命缺陷，避免了管道环刚度严重下降以及管线因此发生塌陷的问题。整根管道的外表面呈光平形状，即放置有PVC增强骨架的地方呈光平形状，没有放置PVC增强骨架的地方也呈光平形状。当管道埋在地下后，管壁所受的压力集中到管壁的上表面处，HDPE中空管壁和PVC增强骨架二者共同受力，PVC增强骨架加强了管壁承受外部压力的能力，管道的大部分压力由管壁中的PVC增强骨架来承受，这样大大提高了管道的环刚度和环柔性。而且PVC增强骨架放置到HDPE中空管壁中，骨架的斜支架底部无需与中空管壁连接或使用其他组件将二者卡接在一起，骨架的斜支架底部处于自由状态，随着地下环境温度的变化以及受力程度的变化，PVC增强骨架在中空管壁内不易变形，即使发生变形，该变形也是可以恢复的。本实施中，无论采用哪种形状的PVC增强骨架和HDPE中空管壁，两种材料复合后缠绕管的屈服强度达到350MPa以上、抗拉强度达到800MPa以上、延伸率到达40％以上、环刚度达到30KN/m²以上，管材圆滑、无反向弯曲、无破裂。

实施例二：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

HDPE中空管壁的厚度h＝2mm；

PVC骨架的厚度H＝4h＝8mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝30°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.8H＝6.4mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，2mm﹤A﹤8mm且A＝2.5h＝5mm。

实施例三：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

HDPE中空管壁的厚度h＝1.7mm；

PVC骨架的厚度H＝3.8h＝6.46mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝40°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.5H＝3.23mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，1.7mm﹤A﹤6.46mm且A＝2.2h＝3.74mm。

实施例四：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

HDPE中空管壁的厚度h＝1.9mm；

PVC骨架的厚度H＝3h＝5.7mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝80°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.7H＝3.99mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，1.9mm﹤A﹤5.7mm且A＝2.4h＝4.56mm。

实施例五：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

HDPE中空管壁的厚度h＝1.6mm；

PVC骨架的厚度H＝3.5h＝5.6mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝70°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.3H＝1.68mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，1.6mm﹤A﹤5.6mm且A＝1.8h＝2.88mm。

实施例六：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

HDPE中空管壁的厚度h＝1.8mm；

PVC骨架的厚度H＝2.5h＝4.5mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝50°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.4H＝1.8mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，1.8mm﹤A﹤4.5mm且A＝2h＝3.6mm。

实施例七：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：

HDPE中空管壁的厚度h＝1.65mm；

PVC骨架的厚度H＝2h＝3.3mm；

PVC骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α＝60°；

水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C＝0.6H＝1.98mm；

HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，1.65mm﹤A﹤3.3mm且A＝1.5h＝2.475mm。

实施例八：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管的另一实施例，其结构、各部件之间的位置关系与实施例一至七中的任一实施例相同，不同的是：

本实施例中PVC材料的配方非常关键，除了缠绕管本身的结构具有独创性以外，PVC材料的配方也发挥了很大作用，无论是与本实施例的HDPE材料复合还是与现有技术的HDPE材料复合，都发挥极大的效果。如果在上述七个实施例的缠绕管结构基础上对PVC材料配方进行创新，管材的综合力学性能得到进一步提高。屈服强度提高到500MPa以上，抗拉强度提高到1200MPa以上，延伸率提高到50％以上，环刚度提高到23KN/m²以上。

(1)PVC增强骨架包括以下重量组分(各物质占PVC增强骨架的百分比)：PVC树脂60％、增强剂4％、增韧剂4％、稀土复合稳定剂0.5％、石墨烯0.5％、内外润滑剂2％、着色剂2％。

所述增强剂为氯化聚乙烯(CPE)，所述增韧剂为丙烯酸酯共聚物(ACR)，所述内外润滑剂分别为硬脂酸和聚乙烯蜡，所述着色剂为碳黑。所述稀土复合稳定剂由稀土元素的羧酸盐、脂肪酸盐为主要组分而合成，含有适量的稀土金属成份，稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧40％、硬质酸镧60％，其中镧元素在各物质中的占比仅为5％。

(2)HDPE中空管壁包括以下重量组分(各物质占HDPE中空管壁的百分比)：高密度聚乙烯树脂70％、增强剂10％、增韧剂4％、稀土复合稳定剂0.5％、石墨烯0.5％、内外润滑剂1％、着色剂2％。稀土复合稳定剂和石墨烯为微量添加，只是微量添加就能够使HDPE中空管壁的力学性能大幅度提高。

所述增强剂为氯化聚乙烯(CPE)，所述增韧剂丙烯酸酯共聚物(ACR)，所述内外润滑剂分别为硬脂酸和聚乙烯蜡，所述着色剂为碳黑。所述稀土复合稳定剂由稀土元素的羧酸盐、脂肪酸盐为主要组分而合成，含有适量的稀土金属成份，稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧40％、硬质酸镧60％，其中镧元素在各物质中的占比仅为5％。

本实施例还提供一种HDPE中空壁复合增强缠绕管的制备方法，用于制备HDPE中空壁复合增强缠绕管，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：利用挤出机生产PVC增强骨架，经过双螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成卷待用；

步骤二：利用挤出机生产HDPE中空板带，经过单螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成盘待用；

步骤三：将HDPE中空板带和PVC增强骨架在成型机上缠绕复合成型，并在外表面热敷一层HDPE材料，形成HDPE中空壁复合增强缠绕管。

所述PVC增强骨架的制备工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤1.1：将PVC原料投入高速捏合机中搅拌逐渐升温，升温速率5℃/min，当温度达到60℃时，投入增强剂和增韧剂，保持60℃的温度继续搅拌10min，然后保持60℃的温度投入稀土复合稳定剂继续搅拌15min，此时以10℃/min的升温速率逐渐升温，当温度升到120℃时，投入石墨烯、内外润滑剂和着色剂，保持120℃继续搅拌10min，此时以2℃/min的升温速率继续升温到130℃时转入低速捏合机中搅拌，当混合物料冷却到50℃时，放置密闭储存容器中备用；

步骤1.2：将PVC板带生产线的双螺杆挤出机分五段加温，从机尾到机头的温度依次为170℃、175℃、180℃、185℃和190℃，采用螺纹簧上料机将混合物料加入挤出机的料斗中，再由喂料机加入主机中；加入的混合物料经过PVC锥形双螺杆的挤压、剪切，在一定温度下变成熔融状态，经过螺杆的压力挤压到机头模具中形成PVC骨架胚胎，并由机头模具挤出；

步骤1.3：由机头模具挤出的PVC骨架胚胎进入冷却成型室，经过冷却水冷却和真空定型形成PVC骨架；PVC骨架经过喷淋水槽进一步降温后，由牵引机牵引形成连续生产，此时生产出的PVC骨架经检验合格后缠绕成卷待用。

所述HDPE中空板带的制备工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤2.1：将HDPE原料投入混料机中搅拌逐渐升温，升温速率5℃/min，当温度达到80℃时，投入增强剂和增韧剂，保持80℃的温度继续搅拌20min，然后保持80℃的温度投入稀土复合稳定剂继续搅拌15min，此时以2℃/min的升温速率逐渐升温，当温度升到90℃时，投入石墨烯、内外润滑剂和着色剂继续搅拌10min，形成混合物料；

步骤2.2：将HDPE板带生产线的单螺杆挤出机分五段加温，从机尾到机头的温度依次为180℃、190℃、200℃、205℃和210℃，采用真空加料机将混合物料吸到挤出机的料斗中，混合物料进入加热的螺筒，经螺杆的挤压、剪切，在一定温度下形成熔融状态，经过螺杆的压力挤到机头模具中形成HDPE板带的胚胎，并由机头模具挤出；

步骤2.3：由机头模具挤出的HDPE板带胚胎进入冷却成型室，经过冷却水冷却和真空定型形成HDPE板带；HDPE板带经过喷淋水槽进一步降温后，由牵引机牵引形成连续生产，此时生产出的HDPE板带经检验合格后缠绕成盘待用。

所述HDPE中空板带和所述PVC增强骨架复合成型工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤3.1：根据生产规格，在缠绕成型机上安装成型转辊、HDPE板带送带装置和PVC骨架送带装置，将粘接HDPE板带的单螺杆挤出机和机头以及热敷HDPE外层的单螺杆挤出机和机头加温到180-210℃待用；

步骤3.2：开启成型转辊将HDPE板带经送带装置缠绕到成型转辊上，开启粘接缝的挤出机将HDPE热熔料挤到两个HDPE板带相连接的缝隙中，经压辊挤压成型形成管材雏形；

步骤3.3：将PVC骨架经过送带装置送到已成型的管材板带上面，用压辊将PVC骨架压到管材板带的环孔中，同时用外层挤出机通过机头将HDPE热熔料覆盖到管材的外表面并形成有效搭接，然后经过压辊挤压将搭接面熔为一体，并使整根管材的外表面平滑光亮，经过连续生产形成整根复合增强缠绕管；

步骤3.4：采用切割锯将整根复合增强缠绕管切割成需要的长度，并经检验合格后入库存放。

在制备PVC增强骨架和HDPE中空管壁的过程中，各种物料的添加顺序和工艺参数也非常重要，几种物料之间发生化学反应，微量添加的稀土复合稳定剂和石墨烯使材料的内部微观结构发生变化，能够使管材的综合力学性能在配方优化的基础上再进一步提高5-10％左右。

实施例九：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法，其缠绕管的结构、制备方法、原理、有益效果等与实施例八相同，不同的是：

PVC增强骨架包括以下重量组分(各物质占PVC增强骨架的百分比)：PVC树脂80％、增强剂10％、增韧剂10％、稀土复合稳定剂1％、石墨烯1％、内外润滑剂10％、着色剂10％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧90％、硬质酸镧10％，其中镧元素在各物质中的占比仅为10％。

HDPE中空管壁包括以下重量组分(各物质占HDPE中空管壁的百分比)：高密度聚乙烯树脂80％、增强剂20％、增韧剂6％、稀土复合稳定剂1％、石墨烯1％、内外润滑剂3％、着色剂5％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧90％、硬质酸镧10％，其中镧元素在各物质中的占比仅为10％。

实施例十：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法，其缠绕管的结构、制备方法、原理、有益效果等与实施例八相同，不同的是：

PVC增强骨架包括以下重量组分(各物质占PVC增强骨架的百分比)：PVC树脂70％、增强剂7％、增韧剂7％、稀土复合稳定剂0.7％、石墨烯0.7％、内外润滑剂6％、着色剂6％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧60％、硬质酸镧30％，其中镧元素在各物质中的占比仅为8％。

HDPE中空管壁包括以下重量组分(各物质占HDPE中空管壁的百分比)：高密度聚乙烯树脂75％、增强剂15％、增韧剂5％、稀土复合稳定剂0.7％、石墨烯0.7％、内外润滑剂2％、着色剂4％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧60％、硬质酸镧30％，其中镧元素在各物质中的占比仅为8％。

实施例十一：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法，其缠绕管的结构、制备方法、原理、有益效果等与实施例八相同，不同的是：

PVC增强骨架包括以下重量组分(各物质占PVC增强骨架的百分比)：PVC树脂65％、增强剂6％、增韧剂5％、稀土复合稳定剂0.6％、石墨烯0.6％、内外润滑剂4％、着色剂4％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧50％、硬质酸镧20％，其中镧元素在各物质中的占比仅为6％。

HDPE中空管壁包括以下重量组分(各物质占HDPE中空管壁的百分比)：高密度聚乙烯树脂72％、增强剂12％、增韧剂4.5％、稀土复合稳定剂0.6％、石墨烯0.6％、内外润滑剂1.5％、着色剂3％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧50％、硬质酸镧20％，其中镧元素在各物质中的占比仅为6％。

实施例十二：

按照本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法，其缠绕管的结构、制备方法、原理、有益效果等与实施例八相同，不同的是：

PVC增强骨架包括以下重量组分(各物质占PVC增强骨架的百分比)：PVC树脂75％、增强剂8％、增韧剂9％、稀土复合稳定剂0.8％、石墨烯0.9％、内外润滑剂8％、着色剂8％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧80％、硬质酸镧50％，其中镧元素在各物质中的占比仅为9％。

HDPE中空管壁包括以下重量组分(各物质占HDPE中空管壁的百分比)：高密度聚乙烯树脂78％、增强剂18％、增韧剂5.5％、稀土复合稳定剂0.8％、石墨烯0.9％、内外润滑剂2.5％、着色剂4.5％。稀土复合稳定剂包括以下重量组分(各物质占稀土复合稳定剂的百分比)：异辛酸镧80％、硬质酸镧50％，其中镧元素在各物质中的占比仅为9％。

以下是对比试验数据，本发明实施例与对比试验的测试环境、测试条件等试验条件相同，不同的是PCV材料和HDPE材料的配方不同。所有试验原材料均在北京某化学试剂公司购买。

表1：实施例八至十二的配方及力学性能数据

本发明实施例八至十二中PVC材料和HDPE材料的配方中，若没有添加稀土复合稳定剂和石墨烯，则各项力学性能均下降50-60％。

表2：对比试验数据

本领域技术人员不难理解，本发明的HDPE中空壁复合增强缠绕管及其制备方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种HDPE中空壁复合增强缠绕管，包括中空管壁和增强骨架，所述增强骨架设置在所述中空管壁中，其特征在于：所述中空管壁的外壁设置通孔，所述增强骨架的顶部与所述外壁平齐，所述增强骨架的顶部与其两侧的外壁之间存在间隙；所述中空管壁为HDPE材料，所述增强骨架为PVC材料；所述中空管壁的外表面热覆HDPE材料层；

PVC增强骨架包括以下重量组分：PVC树脂60-80%、增强剂4-10%、增韧剂4-10%、稀土复合稳定剂0.5-1%、石墨烯0.5-1%、内外润滑剂2-10%、着色剂2-10%；

HDPE中空管壁包括以下重量组分：高密度聚乙烯树脂70-80%、增强剂10-20%、增韧剂4-6%、稀土复合稳定剂0.5-1%、石墨烯0.5-1%、内外润滑剂1-3%、着色剂2-5%。

2.如权利要求1所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管，其特征在于：所述中空管壁中设置两个环孔，两个环孔中至少有一个环孔的外壁设置通孔，设置通孔的环孔中设置所述增强骨架；多个中空管壁之间通过HDPE热熔料竖向连接。

3.如权利要求1所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管，其特征在于：所述中空管壁中设置三个环孔，两侧环孔的外壁均设置通孔，两侧环孔中均设置所述增强骨架；多个中空管壁之间通过HDPE热熔料竖向连接。

4.如权利要求1所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管，其特征在于：所述增强骨架包括水平支架和斜支架；所述斜支架设置在所述水平支架的下方。

5.如权利要求4所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管，其特征在于：所述增强骨架还包括加强支架，所述加强支架垂直设置在所述水平支架的下方。

6.如权利要求4或5所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管，其特征在于：所述斜支架和/或加强支架的底部设置底部支架。

7.如权利要求6所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管，其特征在于：

所述HDPE中空管壁的厚度h=1.5-2.0mm；

所述PVC增强骨架的厚度H=（1.5-4）h；

所述PVC增强骨架中水平支架与斜支架之间的夹角α=20-80°；

所述水平支架与中空管壁中通孔两侧的外壁之间的间隙C=（0.2-0.8）H；

所述HDPE中空管壁外表面热覆HDPE材料层的厚度为A，h﹤A﹤H且A=（1.2-2.5）h。

8.一种如权利要求1所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管的制备方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：利用挤出机生产PVC增强骨架，经过双螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成卷待用；

步骤二：利用挤出机生产HDPE中空板带，经过单螺杆挤出、定型、冷却，缠绕成盘待用；

步骤三：将HDPE中空板带和PVC增强骨架在成型机上缠绕复合成型，并在外表面热敷一层HDPE材料，形成复合增强缠绕管。

9.如权利要求8所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管的制备方法，其特征在于：所述PVC增强骨架的制备工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤1.1：将PVC原料投入高速捏合机中搅拌逐渐升温，升温速率5℃/min，当温度达到60℃时，投入增强剂和增韧剂，保持60℃的温度继续搅拌10min，然后保持60℃的温度投入稀土复合稳定剂继续搅拌15min，此时以10℃/min的升温速率逐渐升温，当温度升到120℃时，投入石墨烯、内外润滑剂和着色剂，保持120℃继续搅拌10min，此时以2℃/min的升温速率继续升温到130℃时转入低速捏合机中搅拌，当混合物料冷却到50℃时，放置密闭储存容器中备用；

步骤1.2：将PVC板带生产线的双螺杆挤出机分五段加温，从机尾到机头的温度依次为170℃、175℃、180℃、185℃和190℃，采用螺纹簧上料机将混合物料加入挤出机的料斗中，再由喂料机加入主机中；加入的混合物料经过PVC锥形双螺杆的挤压、剪切，在一定温度下变成熔融状态，经过螺杆的压力挤压到机头模具中形成PVC骨架胚胎，并由机头模具挤出；

步骤1.3：由机头模具挤出的PVC骨架胚胎进入冷却成型室，经过冷却水冷却和真空定型形成PVC骨架；PVC骨架经过喷淋水槽进一步降温后，由牵引机牵引形成连续生产，此时生产出的PVC骨架经检验合格后缠绕成卷待用。

10.如权利要求8所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管的制备方法，其特征在于：所述HDPE中空板带的制备工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤2.1：将HDPE原料投入混料机中搅拌逐渐升温，升温速率5℃/min，当温度达到80℃时，投入增强剂和增韧剂，保持80℃的温度继续搅拌20min，然后保持80℃的温度投入稀土复合稳定剂继续搅拌15min，此时以2℃/min的升温速率逐渐升温，当温度升到90℃时，投入石墨烯、内外润滑剂和着色剂继续搅拌10min，形成混合物料；

步骤2.2：将HDPE板带生产线的单螺杆挤出机分五段加温，从机尾到机头的温度依次为180℃、190℃、200℃、205℃和210℃，采用真空加料机将混合物料吸到挤出机的料斗中，混合物料进入加热的螺筒，经螺杆的挤压、剪切，在一定温度下形成熔融状态，经过螺杆的压力挤到机头模具中形成HDPE板带的胚胎，并由机头模具挤出；

步骤2.3：由机头模具挤出的HDPE板带胚胎进入冷却成型室，经过冷却水冷却和真空定型形成HDPE板带；HDPE板带经过喷淋水槽进一步降温后，由牵引机牵引形成连续生产，此时生产出的HDPE板带经检验合格后缠绕成盘待用。

11.如权利要求8所述的HDPE中空壁复合增强缠绕管的制备方法，其特征在于：所述HDPE中空板带和所述PVC增强骨架复合成型工艺按照先后顺序包括以下步骤：

步骤3.1：根据生产规格，在缠绕成型机上安装成型转辊、HDPE板带送带装置和PVC骨架送带装置，将粘接HDPE板带的单螺杆挤出机和机头以及热敷HDPE外层的单螺杆挤出机和机头加温到180-210℃待用；

步骤3.2：开启成型转辊将HDPE板带经送带装置缠绕到成型转辊上，开启粘接缝的挤出机将HDPE热熔料挤到两个HDPE板带相连接的缝隙中，经压辊挤压成型形成管材雏形；

步骤3.3：将PVC骨架经过送带装置送到已成型的管材板带上面，用压辊将PVC骨架压到管材板带的环孔中，同时用外层挤出机通过机头将HDPE热熔料覆盖到管材的外表面并形成有效搭接，然后经过压辊挤压将搭接面熔为一体，并使整根管材的外表面平滑光亮，经过连续生产形成整根复合增强缠绕管；

步骤3.4：采用切割锯将整根复合增强缠绕管切割成需要的长度，并经检验合格后入库存放。