CN113650273A - 一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统 - Google Patents

一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统，所述轻质耐高压复合材料管材包括塑料内层管、缠绕在所述塑料内层管上的连续纤维布、以及浸渍并加热固化在连续纤维布上的MC尼龙。本发明先在管道芯棒上缠绕连续纤维布并对其进行预热，再用MC尼龙预聚体对预热后的连续纤维布进行浸渍，最后对浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，制备得到复合材料管材成品，与现有技术相比，本发明的工艺更加简单、生产周期短、生产效率高，所制备的复合材料管材的整体机械性能较高，具有高强度、耐腐蚀、高抗压、质量轻的特点，其适用范围更广，特别适用于在恶劣工况下使用：如高温、腐蚀、高强度、受冲击等严苛工况。

Description

一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统
技术领域
本申请涉及复合材料管材技术领域，尤其涉及一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统。
背景技术
金属管道承压力强，但是不耐腐蚀、质量较重，安装和运输不方便，成本高。塑料管道质量轻，但是强度较金属低很多，不耐高压，高温。在一些环境恶劣、高压、耐温的管道工况下，为维护金属管道防腐效果，需要投入较大成本。研发一种耐腐蚀、耐高压的塑料复合材料管道除了实现轻量化之外，还能降低施工与维护成本。为了制备耐高压的塑料复合材料管道，当前采用较多的一种工艺是将纤维束通过环氧树脂或不饱和聚酯浸渍之后，缠绕成型，再常温或者加温固化，制备复合材料管道。这种成型方式生产周期非常长，而且采用的环氧树脂、不饱和聚酯在使用的过程中，污染环境，另一方面，这类管道回收困难，对环境危害大。为此，本申请提出一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种轻质耐高压复合材料管材、制备方法及制备系统。
第一方面，本申请提供一种轻质耐高压复合材料管材，包括塑料内层管、缠绕在所述塑料内层管上的连续纤维布、以及浸渍并加热固化在连续纤维布上的MC尼龙。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述塑料内层管为尼龙管或聚酯管。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述连续纤维布为玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布或混纺纤维布中的任意一种。
第二方面，本申请提供一种如上所述轻质耐高压复合材料管材的制备方法，所述方法包括如下步骤：
在管道芯棒上套设塑料内层管，并在塑料内层管上缠绕连续纤维布，得到第一中间产品；
对第一中间产品进行预热；
采用MC尼龙预聚体对预热后的第一中间产品进行浇注浸渍，得到第二中间产品；
对第二中间产品进行加热固化；
对加热固化后的第二中间产品进行冷却，并将冷却后的第二中间产品脱去管道芯棒，得到复合材料管材成品。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，在采用MC尼龙预聚体对预热后的第一中间产品进行浇注浸渍时，对浸渍区域进行抽真空形成负压，以排除连续纤维布里的空气。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述MC尼龙预聚体是通过向真空脱水后的己内酰胺溶液中加入氢氧化钠进行反应后再次真空脱水，再与固化剂TDI混合均匀得到的。
第三方面，本申请提供一种如上所述轻质耐高压复合材料管材的制备系统，包括依次设置的预热装置、浸渍装置以及加热固化装置；所述预热装置具有水平设置的第一牵引通道；所述浸渍装置具有水平设置的第二牵引通道；所述加热固化装置具有水平设置的第三牵引通道；所述第一牵引通道、所述第二牵引通道以及所述第三牵引通道位于同一水平线上；所述浸渍装置的顶部设有用于浇注MC尼龙预聚体的浇注口。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述浸渍装置的顶部还设有抽真空接口；所述第二牵引通道相对靠近所述第一牵引通道的一端设有一圈密封圈。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述第三牵引通道相对靠近所述第二牵引通道的一侧具有锥形开口；所述锥形开口的大口端朝向所述第二牵引通道。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述预热装置内设有若干第一加热管和若干第一风扇；所述加热固化装置内设有若干第二加热管和若干第二风扇。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本发明采用MC尼龙作为树脂基材，连续纤维布作为增强骨架，先在管道芯棒上缠绕连续纤维布并对其进行预热，再用MC尼龙预聚体对预热后的连续纤维布进行浸渍，最后对浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，制备得到复合材料管材成品。与现有技术中先将纤维束浸渍再缠绕成型的制备复合材料管材的工艺相比，本发明的工艺更加简单、生产周期短、生产效率高，所制备的复合材料管材的整体机械性能较高，具有高强度、耐腐蚀、高抗压、质量轻的特点，其适用范围更广，特别适用于在恶劣工况下使用：如高温、腐蚀、高强度、受冲击等严苛工况。
附图说明
图1为本申请实施例2提供的轻质耐高压复合材料管材的制备系统的结构示意图；
图2为本申请实施例2提供的轻质耐高压复合材料管材的制备系统的浸渍装置的局部放大示意图；
图3为本申请实施例2提供的轻质耐高压复合材料管材的制备系统的浸渍装置的剖视结构示意图；
图4为本申请实施例2提供的轻质耐高压复合材料管材的制备系统的浇注装置的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、后端牵引导向支撑棒；2、支撑架；3、预热装置；4、第一风扇；5、第一加热管；6、密封圈；7、液位观察窗；8、抽真空接口；9、竖直隔板；10、浇注口；11、连续纤维布；12、塑料内层管；13、加热固化装置；14、管道芯棒；15、前端牵引导向支撑棒；16、牵引装置；17、过滤网；18、控制阀门；19、第一容器；20、第二容器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
本实施例提供一种轻质耐高压复合材料管材，包括塑料内层管、缠绕在所述塑料内层管上的连续纤维布、以及浸渍并加热固化在连续纤维布上的MC尼龙。
所述塑料内层管为尼龙管或聚酯管，所述塑料内层管的厚度为1-10mm，所述塑料内层管的设置，一方面，可以在复合材料管材的制备过程中，避免树脂与管道芯棒直接接触固化，脱模困难；另一方面也可以保证制备完成的管材内壁的光滑，在使用时有利于降低流体阻力。
所述连续纤维布的克重数为50-1000g/m2，在本申请中，所述连续纤维布为玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布或混纺纤维布中的任意一种。
所述MC尼龙预聚体是通过向真空脱水后的己内酰胺溶液中加入氢氧化钠进行反应后再次真空脱水，再与固化剂TDI混合均匀得到的。具体地，将己内酰胺溶液在135-145℃经过真空脱水，加入0.3-0.7％氢氧化钠，再次真空脱水，并与固化剂TDI混合均匀，其中混合比例为100：0.7-1.5。
本申请提供的轻质耐高压复合材料管材采用连续纤维布作为骨架，采用MC尼龙作为基体，与常规的塑料管道相比，具有更高的强度，整体复合材料具有高抗压的特点；其中MC尼龙为热塑性树脂，因此本复合材料管材可以回收和再次利用。
实施例2
请参考图1，本实施例提供一种制备如实施例1所述的轻质耐高压复合材料管材的制备系统，该制备系统包括从左到右依次设置的预热装置3、浸渍装置以及加热固化装置13；所述预热装置3具有水平设置的第一牵引通道；所述浸渍装置具有水平设置的第二牵引通道；所述加热固化装置13具有水平设置的第三牵引通道；所述第一牵引通道、所述第二牵引通道以及所述第三牵引通道位于同一水平线上。
所述预热装置3相对远离所述浸渍装置的一侧设有支撑架2，在制备复合材料管材时，将管道芯棒14的一端连接前端牵引导向支撑棒15，另一端连接后端牵引导向支撑棒1，将牵引装置16与前端牵引导向支撑棒15相连接，后端牵引导向支撑棒1搭在支撑架2上，牵引装置16牵引着缠绕连续纤维布11的管道芯棒14在水平方向上匀速运动，在运动的过程中依次经过预制装置的第一牵引通道、浸渍装置的第二牵引通道以及加热固化装置13的第三牵引通道，其中牵引装置16的牵引速度为0.1-1米/分钟。
所述预热装置3内设有若干第一加热管5和若干第一风扇4，用于对经过第一牵引通道的管道芯棒14上的连续纤维布11进行预热处理；所述预热装置3的预热温度为180-220℃。
请参考图2和图3，所述浸渍装置内设有竖直隔板9；竖直隔板9将浸渍装置内部分隔成真空吸附腔室和液体浇注腔室；所述浸渍装置的顶部设有抽真空接口8以及用于浇注MC尼龙预聚体的浇注口10；抽真空接口8和浇注口10分别位于竖直隔板9的两侧，浇注口10相对靠近加热固化装置13并且与液体浇注腔室相连，抽真空接口8相对靠近预热装置3并且与通真空吸附腔室相连通。
浸渍装置上的浇注口10用于连接浇注装置，浇注装置的结构如图4所示，包括用于盛放开环脱水的己内酰胺与氢氧化钠反应后并再次真空脱水所得到溶液的第一容器19、用于盛放固化剂TDI的第二容器20、与浇注口10相连通的进液管、连通第一容器19与进液管的第一分管、以及连通第二容器20与进液管的第二分管；其中，第一分管和第二分管上分别设有控制阀门18，进液管内设有过滤网17。
浸渍装置上的抽真空接口8用于连接抽真空装置，当用MC尼龙预聚体浸渍缠绕在管道芯棒14上的连续纤维布11时，打开真空装置进行抽真空，可以达到一定的负压效果，有利于排除连续纤维布11里面的空气。
浸渍装置的顶部还设有液位观察窗7，所述液位观察窗上设有液面标记，所述液位观察窗7用于观察浸渍区域的MC尼龙预聚体的液面位置，通过控制浇注速度以保证浸渍区域内的MC尼龙预聚体液面位置位于液面标记以下。
所述加热固化装置13内设有若干第二加热管和若干第二风扇，用于对经过第三牵引通道的管道芯棒14上的浸渍有MC尼龙预聚体的连续纤维布11进行加热固化处理；所述加热固化装置13的加热固化温度为160-200℃。
进一步的，所述第二牵引通道相对靠近所述第一牵引通道的一端设有一圈耐高温橡胶密封圈6，可以给缠绕在管道芯棒14上的连续纤维布11施加较小的压力，同时可防止浸渍液体从第二牵引通道的进口流出来，即防止造成泄漏。
进一步的，所述第三牵引通道相对靠近所述第二牵引通道的一侧具有锥形开口；所述锥形开口的大口端朝向所述第二牵引通道，在管道芯棒14的移动过程中，锥形开口的设计既便于管道芯棒14进入第三牵引通道，又可以逐渐对管道芯棒14进行挤压，利于增加MC尼龙预聚体与连续纤维布11的浸渍效果。
采用该制备系统在制备复合材料管材时，将牵引装置16与管道芯棒14相连，牵引缠绕连续纤维布11的管道芯棒14在水平方向上匀速运动，运动过程中依次经过预热装置3对连续纤维布11进行预热、经过浸渍装置在连续纤维布11上浸渍MC尼龙预聚体、经过加热固化装置13对连续纤维布11上浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化处理。
实施例3
本实施例提供一种采用如实施例2所述的制备系统制备如实施例1所述的轻质耐高压复合材料管材的方法，在本实施例中，采用的连续纤维布为玻璃纤维布，其规格为400g/m2，宽度为40cm。所述方法包括如下步骤：
a、准备一根光滑的管道芯棒14，长度为4m、直径为80mm，在其两端分别螺纹连接一根细的牵引棒(即前端牵引导向支撑棒15和后端牵引导向支撑棒1)，在管道芯棒14上套装一根壁厚为4mm的尼龙管(即塑料内层管12)；
b、在尼龙管上缠绕400g/m2规格的玻璃纤维布，玻璃纤维布缠绕壁厚为6mm，得到第一中间产品；其中，玻璃纤维布的缠绕力度不宜过大，缠绕完成后，玻璃纤维布有一定松动度，保持在0.5-3mm之间；
c、将第一中间产品放在制备系统的第一牵引通道的进口端，采用牵引装置16牵引前端牵引导向支撑棒15带动第一中间产品移动，牵引方向自第一牵引通道朝向第三牵引通道，牵引速度为0.1米/分钟；
d、当第一中间产品被牵引至第一牵引通道内(即预热区域)时，预热装置3对缠绕在管道芯棒14上的玻璃纤维布进行预热，预热装置3的温度设置为200℃；连续纤维布预热的作用是提高连续纤维布的温度，当其被MC尼龙预聚体浸渍后，可以更加快速的提高到MC尼龙预聚体的固化温度区间，保证MC尼龙预聚体能够正常固化，同时有助于消除原材料中的水分子对MC尼龙预聚体固化过程的影响；
e、当预热后的第一中间产品被牵引至第二牵引通道内(即浸渍区域)时，打开浇注装置上的控制阀门18，MC尼龙预聚体经浇注口10浇注到玻璃纤维布上对连续玻璃纤维布进行浸渍，得到第二中间产品；在浇注的同时，打开真空装置(真空泵)经抽真空接口8抽真空，使得整个浸渍区域具有一定负压，以排出玻璃纤维布内的空气；在浇注的同时，还需要通过液位观察窗7观察浸渍区域的液面情况，并根据观察结果调整浇注速度，保持MC尼龙预聚体液面位置位于液面标记以下；在牵引的过程中，管道芯棒上的连续纤维布在浸渍液体中拉挤移动，这个过程增加了浸渍液体对连续纤维布的浸渍，提高了连续纤维布与MC尼龙预聚体的结合度；
f、当第二中间产品被牵引至第三牵引通道内(即加热固化区域)时，加热固化装置13对连续玻璃纤维布上浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，加热固化装置13的温度设置为180℃；
g、连续玻璃纤维布上浸渍的MC尼龙预聚体逐渐固化成型，第二中间产品继续被从第三牵引通道内牵引至外部进行冷却，冷却20分钟后，将第二中间产品上的管道芯棒14脱去，得到复合材料管材成品，即连续玻璃纤维布增强MC尼龙复合材料管道。本步骤中，冷却时间控制在15-20分钟，此时管道芯棒仍有一定的温度，有利于方便快速地将管道芯棒14取下。
采用上述制备方法制备的连续玻璃纤维布增强MC尼龙复合材料管道的曲面是弯曲的，将管道剖开后，加热软化，压平制得板材，切割得到标准试样，对标准试样进行拉伸、弯曲、冲击测试，测试结果如表1所示。
表1
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.61 g/cm<sup>3</sup> ISO 1183
拉伸强度 270 MPa ISO 527-1-2
弯曲强度 210 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 82 KJ/m<sup>2</sup> ISO 179
纤维含量 45 ％ 内部测试
压力测试 26 MPa GB/T 20801.5
通过表1可以看出，采用本实施例提供的制备方法制备的复合材料管材具有轻质、强度高的特点。
实施例4
本实施例提供一种采用如实施例2所述的制备系统制备如实施例1所述的轻质耐高压复合材料管材的方法，在本实施例中，采用的连续纤维布为碳纤维布，其规格为3K，200g/m2，宽度为40cm；具体的方法步骤与实施例3中的相同，此处不再赘述，最终制备得到的复合材料管材成品即连续碳纤维布增强MC尼龙复合材料管道，采用与实施例3相同的测试方法对其进行测试，得到的测试结果如表2所示。
表2
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.34 g/cm<sup>3</sup> ISO 1183
拉伸强度 762 MPa ISO 527-1-2
弯曲强度 540 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 79 KJ/m<sup>2</sup> ISO 179
纤维含量 37 ％ 内部测试
压力测试 38 MPa GB/T 20801.5
通过表2可以看出，采用本实施例提供的制备方法制备的复合材料管材具有轻质、强度高的特点。
实施例5
本实施例提供一种采用如实施例2所述的制备系统制备如实施例1所述的轻质耐高压复合材料管材的方法，在本实施例中，采用的连续纤维布为芳纶纤维布，其规格为800D，130g/m2，宽度为40cm；具体的方法步骤与实施例3中的相同，此处不再赘述，最终制备得到的复合材料管材成品即连续芳纶纤维布增强MC尼龙复合材料管道，采用与实施例3相同的测试方法对其进行测试，得到的测试结果如表3所示。
表3
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.21 g/cm<sup>3</sup> ISO 1183
拉伸强度 245 MPa ISO 527-1-2
弯曲强度 220 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 91 KJ/m<sup>2</sup> ISO 179
纤维含量 31 ％ 内部测试
压力测试 27 MPa GB/T 20801.5
通过表3可以看出，采用本实施例提供的制备方法制备的复合材料管材具有轻质、强度高的特点。
本发明采用MC尼龙预聚体基材与缠绕连续纤维布的方式，先在管道芯棒上缠绕连续纤维布并对其进行预热，再用MC尼龙预聚体对预热后的连续纤维布进行浸渍，最后对浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，制备得到复合材料管材成品，与现有技术中先将纤维束浸渍再缠绕成型的制备复合材料管材的工艺相比，本发明的工艺更加简单、生产周期短、生产效率高，所制备的复合材料管材的整体机械性能较高，具有高强度、耐腐蚀、高抗压、质量轻的特点，其适用范围更广，特别适用于在恶劣工况下使用：如高温、腐蚀、高强度、受冲击等严苛工况。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻质耐高压复合材料管材，其特征在于，包括塑料内层管、缠绕在所述塑料内层管上的连续纤维布、以及浸渍并加热固化在连续纤维布上的MC尼龙。
2.根据权利要求1所述的轻质耐高压复合材料管材，其特征在于，所述塑料内层管为尼龙管或聚酯管。
3.根据权利要求1所述的轻质耐高压复合材料管材，其特征在于，所述连续纤维布为玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布或混纺纤维布中的任意一种。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的轻质耐高压复合材料管材的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在管道芯棒上套设塑料内层管，并在塑料内层管上缠绕连续纤维布，得到第一中间产品；
对第一中间产品进行预热；
采用MC尼龙预聚体对预热后的第一中间产品进行浇注浸渍，得到第二中间产品；
对第二中间产品进行加热固化；
对加热固化后的第二中间产品进行冷却，并将冷却后的第二中间产品脱去管道芯棒，得到复合材料管材成品。
5.根据权利要求4所述的轻质耐高压复合材料管材制备方法，其特征在于，在采用MC尼龙预聚体对预热后的第一中间产品进行浇注浸渍时，对浸渍区域进行抽真空形成负压，以排除连续纤维布里的空气。
6.根据权利要求4所述的轻质耐高压复合材料管材，其特征在于，所述MC尼龙预聚体是通过向真空脱水后的己内酰胺溶液中加入氢氧化钠进行反应后再次真空脱水，再与固化剂TDI混合均匀得到的。
7.一种如权利要求1-3任意项所述的轻质耐高压复合材料管材的制备系统，其特征在于，包括依次设置的预热装置、浸渍装置以及加热固化装置；所述预热装置具有水平设置的第一牵引通道；所述浸渍装置具有水平设置的第二牵引通道；所述加热固化装置具有水平设置的第三牵引通道；所述第一牵引通道、所述第二牵引通道以及所述第三牵引通道位于同一水平线上；所述浸渍装置的顶部设有用于浇注MC尼龙预聚体的浇注口。
8.根据权利要求7所述的轻质耐高压复合材料管材的制备系统，其特征在于，所述浸渍装置的顶部还设有抽真空接口；所述第二牵引通道相对靠近所述第一牵引通道的一端设有一圈密封圈。
9.根据权利要求7所述的轻质高压复合材料管材的制备系统，其特征在于，所述第三牵引通道相对靠近所述第二牵引通道的一侧具有锥形开口；所述锥形开口的大口端朝向所述第二牵引通道。
10.根据权利要求7所述的轻质高压复合材料管材的制备系统，其特征在于，所述预热装置内设有若干第一加热管和若干第一风扇；所述加热固化装置内设有若干第二加热管和若干第二风扇。
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