CN1426888A - 用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法。主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等构成,其制造方法由制作内衬、缠绕、修整、脱模四个工序组成。另一种玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等构成,其制造方法用卷管成型工艺制造管道。卷管成型管道是以玄武岩纤维布作增强材料制作定长管;卷管成型工艺采用的材料是玄武岩纤维平纹布或玄武岩纤维人字纹布、酚醛类不溶性树脂。本发明与玻璃纤维相比,它强度高,弹性模量高,化学稳定性好,吸水性低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法。
背景技术
目前,我国及世界各国在输油、输气、输水等工程领域已使用了以玻璃纤维及其制品作为增强材料的玻璃钢管道。玻璃钢管道具有轻质、高强、耐腐蚀、水力学性能好、使用寿命长等特点,与传统钢质管道及其他材质管道相比,玻璃钢管道有明显的综合效益。但是,由于玻璃纤维的生产工艺比较复杂,生产设备投资大,成本高,因此一般说来,用玻璃纤维作为增强材料制造的玻璃钢管道比钢管、灰口铸管、球铁管、自应力管、一阶段管、三阶段管、钢筒预应力管等其他材质管道价格高。另外,在抗拉强度、硬度和弹性模量等技术指标上,相同口径的玻璃钢管则逊于钢管等部分材质的管道。发明目的
本发明者的目的在于提供一种用玄武岩矿石经熔化拉制出的玄武岩纤维,具有玻璃纤维几乎所有的优势性能。它的耐碱性、耐酸性、热稳定性、抗拉强度与力学性能均超过普通玻璃纤维,其优越的物理、力学性能也是其他纤维无法比拟的。除产品性能外,玄武岩纤维的优势还在于其原材料来源广泛、资源无限,生产成本低。用玄武岩纤维作为增强材料制造管道,可以降低管材价格,提高管道性能。
发明内容
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的:一种玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等构成,其制造方法由制作内衬、缠绕、修整、脱模四个工序组成,其中:
a.制作内衬层
选用不饱和聚脂树脂等热固性树脂类作为内衬的树脂层;选用厚度玄武岩纤维表面毡增强内表层,选用玄武岩纤维短切毡次内层;
b.缠绕结构层和外防护层
根据管道产品的用途,选用聚脂树脂或环氧树脂胶液,根据管道口径的大小,选用玄武岩纤维单股直接无捻粗纱、或原丝集束无捻粗纱,经过干燥处理和浸胶处理,控制缠绕张力、排线精度,采取环向缠绕或螺旋缠绕两种线形,在专用缠绕设备上,编好程序,用选定的纤维进行往复缠绕;
c.修整
管道固化后,采用专用修整设备对管道进行加工修整。用端面切刀装置将管道切整至定长;用磨削装置在插口端磨出两个装○型密封圈的凹槽和端面倒角。
本发明还可以将内衬层由专用制衬设备上,上胶、缠毡,制成光滑、质密的内表面,采用喷射法制备次内层;内层制好后,加上网格布,使毡层压实、附贴于芯模,并使树脂与毡均匀分布,表面平整连续;然后,在专用固化设备上初步凝胶,完成内衬层制作。本发明的缠绕工艺是采用卧式干法连续缠绕,用预浸树脂玄武岩纤维带缠绕成型,其工艺程序包括纵向和环向缠绕、轴心内加热固化、二次固化、外牵引脱模、切割。
本发明的缠绕工艺也可以采用卧式湿法连续缠绕,用玄武岩纤维粗纱现浸树脂胶液以纵向纱浸胶湿法或环向纱浸胶湿法连续缠绕成型。结构层中增加一道夹砂工艺,即采用符合级配的石英砂,经水洗去粉尘杂物、烘干,混合均匀,在管道结构层中制作完成树脂砂浆层。完成结构层制作,则在树脂胶液中加入光稳定剂或抗氧剂等辅助材料,用纤维纱、纤维布缠绕外部防护层;结构层、防护层缠绕工序完成后,则在专用固化设备上,在低速旋转下用远红外加热系统进行烘烤固化。
本发明的目的也可以通过如下技术方案来实现:另一种玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等构成,其制造方法用卷管成型工艺制造管道。卷管成型管道是以玄武岩纤维布作增强材料制作定长管;卷管成型工艺采用的材料是玄武岩纤维平纹布或玄武岩纤维人字纹布、酚醛类不溶性树脂。
本发明所述的卷管用玄武岩纤维胶布采用0.1~0.2的平纹布、人字纹布,环氧酚醛等类粘结剂,制备的胶布含胶量35%~45%、不溶性树脂含量<5%;前支承辊的表面温度根据不同的粘结剂控制在60~120℃;通过调节两个支承辊间的距离控制压力,卷管时线压力4~7kg/cm2,两支承辊间的距离控制在管芯直径的1/3~1/2。
本发明的目的也可以通过如下技术方案来实现:一种用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等;由进料、材料浸渍、固化三个工序组成。
本发明在制管过程中,切短的玄武岩纤维增强材料和砂,喂入固定在轴承上的钢模中,钢模由电动机驱动,随着钢模的高速转动,在钢模一端注入含催化剂的树脂,使其浸渍增强材料,在离心力作用下,树脂转换出纤维及填料内的空气,从而制造出无孔隙的致密的复合材料。
本发明与现有技术相比具有优良的耐腐蚀性能;使用中不结垢、不生锈、不滋生藻类等,不会对水质或其他介质产生二次污染;比重小、重量轻;机械性能、绝缘性能好;使用寿命长;使用条件宽、产品适应性强;耐侯性及热效应高;水力学性能好等。除此之外,与玻璃纤维相比,它强度高,弹性模量高,化学稳定性好,吸水性低等优点。
具体实施例
本发明的基本技术方案有两个,即用两种生产工艺使本发明的目的得以实现。
方案一,用往复式交叉缠绕玄武岩纤维工艺制造管道。
它的主要原材料是经过偶联剂(SIZZING)表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料(主要包括不饱和聚脂树脂、乙烯聚脂树脂、环氧树脂以及酚醛树脂和呋喃树脂);辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等。它的目的是将基体材料、玄武岩纤维增强材料及其他辅组材料通过工艺装备、工艺技术和结构设计复合成管道产品。它的制造方法由制作内衬、缠绕、修整、脱模四个工序组成。
(一)制作内衬层
选用不饱和聚脂树脂等热固性树脂类作为内衬的树脂层;选用厚度玄武岩纤维表面毡增强内表层,选用玄武岩纤维短切毡次内层。
在专用制衬设备上,上胶、缠毡,制成光滑、质密的内表面;采用喷射法制备次内层。内层制好后,加上网格布,使毡层压实、附贴于芯模,并使树脂与毡均匀分布,表面平整连续。然后,在专用固化设备上初步凝胶,完成内衬层制作。
(二)缠绕结构层和外防护层
结构层决定了管道结构的强度和刚度。根据管道产品的用途,选用聚脂树脂或环氧树脂胶液;根据管道口径的大小,选用玄武岩纤维单股直接无捻粗纱、或原丝集束无捻粗纱,经过干燥处理和浸胶处理,控制缠绕张力、排线精度,采取环向缠绕或螺旋缠绕两种线形,在专用缠绕设备上,编好程序,用选定的纤维进行往复缠绕。
缠绕工艺主要采用两种方法,一是卧式干法连续缠绕,用预浸树脂玄武岩纤维带缠绕成型。其工艺程序包括纵向和环向缠绕、轴心内加热固化、二次固化、外牵引脱模、切割。二是卧式湿法连续缠绕,用玄武岩纤维粗纱现浸树脂胶液以纵向纱浸胶湿法或环向纱浸胶湿法连续缠绕成型。
为提高管道刚度和强度,降低其脆性,加强管道的承受载荷能力,可在结构层中增加一道夹砂工艺,即采用符合级配的石英砂,经水洗去粉尘杂物、烘干,混合均匀,在管道结构层中制作完成树脂砂浆层。
完成结构层制作,则在树脂胶液中加入光稳定剂或抗氧剂等辅助材料,用纤维纱、纤维布缠绕外部防护层,使其具有防腐、防老化性能。结构层、防护层缠绕工序完成后,则在专用固化设备上,在低速旋转下用远红外加热系统进行烘烤固化。
(三)修整
管道固化后,采用专用修整设备对管道进行加工修整。用端面切刀装置将管道切整至定长;用磨削装置在插口端磨出两个装○型密封圈的凹槽和端面倒角。
(四)脱模
完成修整工序,采用专用脱模设备进行脱模。
方案二,用卷管成型工艺制造管道。卷管成型管道是以玄武岩纤维布作增强材料制作定长管,不做内衬层。
卷管成型工艺采用的材料是玄武岩纤维平纹布或玄武岩纤维人字纹布、酚醛类不溶性树脂。
它的主要技术环节如下:
1、卷管用玄武岩纤维胶布采用0.1~0.2的平纹布、人字纹布,环氧酚醛等类粘结剂,制备的胶布含胶量35%~45%、不溶性树脂含量<5%。
2、前支承辊的表面温度根据不同的粘结剂控制在60~120℃。
3、通过调节两个支承辊间的距离控制压力。卷管时线压力4~7kg/cm2,两支承辊间的距离控制在管芯直径的1/3~1/2。
4、固化制度。根据粘结剂的类型和管道壁厚,在80~100℃入固化炉,均匀升温至170℃左右,在120℃左右保温40~60分钟后取出,自然降温。全部固化时间控制在3小时以内。
5、管芯温度控制在30~40℃。
它的成型工序如下:
用含胶量35%~45%、不溶性树脂含量<5%的玄武岩纤维胶布,在专用卷管设备上成型:
(a)胶布通过张力辊和倒向辊
(b)在表面温度60~120℃的前支承辊上加热
(c)在包好底布、温度在30~40℃的管芯上卷动,至预定的厚度
(d)割断树脂纤维胶布
(e)固化
(f)在脱模设备上脱模
用往复式交叉缠绕玄武岩纤维工艺制造管道(方案一)的实施方式涉及的设备,采用先进实用的电脑控制缠绕设备系统。它包括制衬设备、固化设备、缠绕设备、加砂设备、修整设备、脱模设备以及钢制芯模。
举例说明如下。生产制造玄武岩纤维材料管道,首先制作内衬层。在制衬设备上安装适用芯模;芯模上缠裹制备好的隔离用薄膜带;在隔离用薄膜层上均匀喷施树脂胶液,形成胶液层;然后包缠厚度0.2~0.3mm、规格30~60g/m2干态拉伸强度>0.6mpa、湿态拉伸强度>0.4mpa的玄武岩纤维表面毡、铺覆玄武岩纤维短切毡,驱走气泡,使毡层浸透胶掖,内衬层厚度为2.5~3.0mm;将内衬层送至固化设备,在固化过程中使管道制品缓慢旋转、均匀受热,并根据树脂情况施加3.5~20kg/cm2。
内衬层制备完成后,连同芯模移至缠绕设备,选用直径17μm~25μm的玄武岩纤维单股直接无捻粗纱、或直径10μm~15μm、原丝集束股数为700~900根的无捻粗纱,经过干燥处理和浸胶处理,控制缠绕张力、排线精度,采取环向缠绕或螺旋缠绕或交叉缠绕法制作成型结构层。纤维按设计角度均匀布满内衬表面,使纤维强度最为有效。环向缠绕时,纤维排列的方向与芯模纵轴约成90度角,以提供最大环向强度。交叉缠绕时,纤维与芯模旋转轴线在15°~85°之间形成缠绕角,以改变缠绕角度得到不同纵、环向强度比。缠绕制作进程中保持纤维拉紧,以控制缠绕张力;在交叉缠绕时,芯模匀速转动,运动速度不大于0.9m/s。
如需采用夹砂工艺,则采用SIO2≥99.5%、湿度<0.5%、沙粒直径0.3~1.2mm的石英砂,经水洗去粉尘杂物、烘干,均匀混合符合级配的石英砂,控制加砂带的宽度,保持砂层厚薄均匀。
完成结构层制作,则在树脂胶液中加入光稳定剂或抗氧剂等辅助材料,用纤维纱、纤维布缠绕外部防护层,使其具有防腐、防老化性能。结构层、防护层缠绕工序完成后,则在专用固化设备上,在10~20r/min的低速旋转下用远红外加热系统进行烘烤固化。
管道固化后,采用专用修整设备对管道进行加工修整。用端面切刀装置将管道切整至定长;用磨削装置在插口端磨出两个装○型密封圈的凹槽和端面倒角。
完成修整工序,采用专用脱模设备进行脱模。钢制整体芯模光洁度>7,锥度0.05‰~0.25‰;脱管采用的脱管环内孔比芯模直径大0.5mm左右。
用卷管成型工艺制造管道(方案二)的具体实施方式举例说明:用含胶量35%~45%、不溶性树脂含量<5%的玄武岩纤维胶布,在专用卷管设备上成型:胶布通过张力辊和倒向辊后,在已加热的表面温度60~120℃的前支承辊上受热、变软、增加粘度,然后在包好底布、温度在30~40℃的管芯上卷动,至预定的厚度,割断树脂纤维胶布,将卷好的管道制品连同管芯从卷管设备上取下进行固化。其后,在脱模设备上脱模,完成管道的制作。
方案三,用离心浇注工艺制造管道。
它的主要原材料是经过偶联剂(SIZZING)表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料(主要包括不饱和聚脂树脂、乙烯聚脂树脂、环氧树脂以及酚醛树脂和呋喃树脂);辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等。它的目的是将基体材料、玄武岩纤维增强材料及其他辅组材料通过工艺装备、工艺技术和结构设计复合成管道产品。它的制造方法由进料、材料浸渍、固化三个工序组成。
在制管过程中,切短的玄武岩纤维增强材料和砂,喂入固定在轴承上的钢模中,钢模由电动机驱动,随着钢模的高速转动,在钢模一端注入含催化剂的树脂,使其浸渍增强材料,在离心力作用下,树脂转换出纤维及填料内的空气,从而制造出无孔隙的致密的复合材料。由于离心力作用,管内壁形成一个平滑、光洁的富有树脂的内表面层,管材在较高温度下固化。生产设备采用由计算机控制的半自动化生产线制造离心法的加砂玻璃钢管,管材外模在离心旋转的条件下,喂料机由计算机控制往复输送数十次不同的原材料。其管壁按功能可简化分为内衬、增强、结构、增强、外保护五层。管材内外壁光滑、管壁致密性好、由于外形尺寸规范,一旦破管有利于用卡箍法进行维修。
玄武岩纤维增强材料管道的有益效果:
1、玄武岩纤维增强材料的性能更加优越。玄武岩纤维材料管道具有一系列明显的优点:优良的耐腐蚀性能;使用中不结垢、不生锈、不滋生藻类等,不会对水质或其他介质产生二次污染;比重小、重量轻;机械性能、绝缘性能好;使用寿命长;使用条件宽、产品适应性强;耐侯性及热效应高;水力学性能好等。除此之外,与玻璃纤维相比,它强度高,弹性模量高,化学稳定性好,吸水性低。与玻纤相比,玄武岩纤维对酸、碱和其他浸蚀性介质有更高的化学稳定性。玄武岩纤维的吸水系数小于1%,而玻璃纤维等材料吸水系数为10%~20%。玄武岩纤维有很宽的温度使用范围,在-260℃~700℃之间,而玻璃纤维材料的温度使用范围在-60℃~460℃之间。玄武岩纤维还有较低的导热性,其范围在0.33~0.40之间。玄武岩纤维的这些优良性能使其管道制品在性能上优于玻璃钢管道。
2、玄武岩资源无限、成本低廉,使其纤维管道制品具有更好的性能价格比,使玄武岩纤维材料管道制品能够更广泛、更迅速地应用于输油、输气工程、城市输水工程、污水处理工程、城乡电力工程等领域。
Claims (10)
1、一种用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等构成,其制造方法由制作内衬、缠绕、修整、脱模四个工序组成,其中:
a.制作内衬层选用不饱和聚脂树脂等热固性树脂类作为内衬的树脂层;选用厚度玄武岩纤维表面毡增强内表层,选用玄武岩纤维短切毡次内层;
b.缠绕结构层和外防护层根据管道产品的用途,选用聚脂树脂或环氧树脂胶液,根据管道口径的大小,选用玄武岩纤维单股直接无捻粗纱、或原丝集束无捻粗纱,经过干燥处理和浸胶处理,控制缠绕张力、排线精度,采取环向缠绕或螺旋缠绕两种线形,在专用缠绕设备上,编好程序,用选定的纤维进行往复缠绕;
c.修整管道固化后,采用专用修整设备对管道进行加工修整。用端面切刀装置将管道切整至定长;用磨削装置在插口端磨出两个装○型密封圈的凹槽和端面倒角。
2、根据权利要求1所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于所述的内衬层由专用制衬设备上,上胶、缠毡,制成光滑、质密的内表面,采用喷射法制备次内层;内层制好后,加上网格布,使毡层压实、附贴于芯模,并使树脂与毡均匀分布,表面平整连续;然后,在专用固化设备上初步凝胶,完成内衬层制作。
3、根据权利要求1所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于缠绕工艺是采用卧式干法连续缠绕,用预浸树脂玄武岩纤维带缠绕成型,其工艺程序包括纵向和环向缠绕、轴心内加热固化、二次固化、外牵引脱模、切割。
4、根据权利要求1所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于缠绕工艺是采用卧式湿法连续缠绕,用玄武岩纤维粗纱现浸树脂胶液以纵向纱浸胶湿法或环向纱浸胶湿法连续缠绕成型。
5、根据权利要求1或3或4所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于可在结构层中增加一道夹砂工艺,即采用符合级配的石英砂,经水洗去粉尘杂物、烘干,混合均匀,在管道结构层中制作完成树脂砂浆层。
6、根据权利要求1所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于完成结构层制作,则在树脂胶液中加入光稳定剂或抗氧剂等辅助材料,用纤维纱、纤维布缠绕外部防护层;结构层、防护层缠绕工序完成后,则在专用固化设备上,在低速旋转下用远红外加热系统进行烘烤固化。
7、一种用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等构成,其制造方法用卷管成型工艺制造管道;卷管成型管道是以玄武岩纤维布作增强材料制作定长管;卷管成型工艺采用的材料是玄武岩纤维平纹布或玄武岩纤维人字纹布、酚醛类不溶性树脂。
8、根据权利要求7所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于的卷管用玄武岩纤维胶布采用0.1~0.2的平纹布、人字纹布,环氧酚醛等类粘结剂,制备的胶布含胶量35%~45%、不溶性树脂含量<5%;前支承辊的表面温度根据不同的粘结剂控制在60~120℃;通过调节两个支承辊间的距离控制压力,卷管时线压力4~7kg/cm2,两支承辊间的距离控制在管芯直径的1/3~1/2。
9、一种用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,主要原材料是经过偶联剂表面处理过的玄武岩纤维增强材料和热固性树脂类基体材料,辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂、阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等;由进料、材料浸渍、固化三个工序组成。
10、根据权利要求11所述的用玄武岩纤维作为增强材料制造管道的方法,其特征在于在制管过程中,切短的玄武岩纤维增强材料和砂,喂入固定在轴承上的钢模中,钢模由电动机驱动,随着钢模的高速转动,在钢模一端注入含催化剂的树脂,使其浸渍增强材料,在离心力作用下,树脂转换出纤维及填料内的空气,从而制造出无孔隙的致密的复合材料。
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