連續(xù)玻纖增強熱塑性預浸帶在管道中的應用研究
柔性增強熱塑性塑料管，簡稱為RTP（Reinforced Thermoplastic Pip），內(nèi)層熱塑性塑料管，材料為 PE80、PE100等熱塑性塑料，外層為保護層，根據(jù)需要可選白色（地表鋪設(shè)防紫外線）或黑色（埋地鋪設(shè)），中間層選用角度交錯纏繞的CFRTP材料作為增強層，其基材可以選擇PP或PE，也就是說CFRTP將傳統(tǒng)的一些玻纖束、聚酯纖維、鋼帶等進行代替，該增強層可以為直接纏繞，也可熔融纏繞，在常溫甚至在-40℃低溫度下均可在管道行業(yè)廣泛應用，但是，相對于復合材料體系中，HDPE拉伸強度很低，通過連續(xù)玻璃纖維增強HDPE制成預浸帶后，具有高強度、高模量、高抗沖、比重輕、耐疲勞、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、低翹曲及環(huán)保可回收等優(yōu)越性能，連續(xù)玻璃纖維增強HDPE、PP預浸帶在柔性增強熱塑性管道（RTP）和大口徑引排水管道領(lǐng)域的應用研究是極具影響力的。
筆者采用臺州市家得寶科技有限公司生產(chǎn)的連續(xù)玻璃纖維增強HDPE預浸帶，研究CFRTP材料的界面結(jié)合對爆破壓力的影響及連續(xù)玻纖增強帶纏繞層數(shù)對管道爆破壓力的影響。
1、實驗部分
1.1 主要原料
HDPE：中石油、中石化原料
E-Glass：巨石、歐文斯科寧2400tex
1.2 設(shè)備儀器
連續(xù)玻纖增強HDPE預浸帶生產(chǎn)設(shè)備:
電子萬能試驗機：WDW-20KN，吉林省泰和試驗機有限公司；
掃描式電子顯微鏡（SEM）：日本Hi-tachi公司
管道纏繞設(shè)備：臺州市家得寶科技有限公司；
管道爆破試驗機：承德金建檢測設(shè)備有限公司；
1.3 實驗過程
(1) 用連續(xù)玻纖增強HDPE預浸帶生產(chǎn)設(shè)備制備CFRTP材料，該材料厚度：0.3mm；寬度：5mm；長度：300m；玻纖含量：60% ；
(2) 采用PE80基材、直徑110mm的HDPE管道作為內(nèi)管，通過管道纏繞設(shè)備纏繞CFRTP增強帶，工藝參數(shù)：纏繞角度：73°增強帶盤：2個
1.4 性能測試
拉伸強度按GB/T 3354-1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》在電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為6mm/min；
爆破壓力按GB T6111-2003測試；
掃描式電子顯微鏡（SEM）：對CFRTP材料取樣用SEM觀察并拍照
2、結(jié)果與討論
2.1、CFRTP材料對比鋼帶、玻纖束在RTP管道應用中的優(yōu)勢
表1 玻纖束與CFRTP-PP和CFRTP-HDPE在RTP管道中應用的性能對比表
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項目 |
CFRTP-PP |
CFRTP-HDPE |
無堿玻璃纖維 |
|
|
1 |
纖維種類 |
巨石17-1200tex |
巨石17-1200tex |
巨石17-1200tex |
|
2 |
熱塑性樹脂 |
聚丙烯 |
高密度聚乙烯 |
|
|
3 |
材料拉伸測試（實測） |
3285N/4200tex |
3120N/4200tex |
0.52N/tex |
|
938 N/1200tex |
891 N/1200tex |
624 N/1200tex |
||
|
4 |
纏繞成管道后性能損耗情況 |
≥900 N/1200tex |
≥850 N/1200tex |
≤400 N/1200tex |
|
5 |
纏繞成管道后受力情況 |
結(jié)構(gòu)承載 |
結(jié)構(gòu)承載 |
分散承載 |
從表1可以看出：1、CFRTP材料拉伸性能比玻纖束要強50%；2、玻纖束在纏繞成管道后性能損耗比較嚴重。從圖1、2可以看出玻纖在CFRTP結(jié)構(gòu)中分布均勻，與熱塑性界面結(jié)合良好，沒有分層、孔隙等缺陷，從而保證了CFRTP材料結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定，使其不會在復雜的加工過程中受到二次損耗給成品管道帶來潛在性能影響。因此，CFRTP材料對比玻纖束在RTP管道應用中具有絕對的優(yōu)勢。
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RTP管材 |
管材直徑/mm |
增強層 |
增強帶 拉伸強度 |
增強層重量 |
爆破壓力 |
|
CFRTP-RTP管 |
110 |
2.4mmCFRTP帶材 |
700MPa |
1200g/m |
23MPa |
|
鋼帶-RTP管 |
110 |
2層鋼帶 |
690MPa |
4300g/m |
21MPa |
2.2、CFRTP材料纏繞層數(shù)對RTP管道爆破壓力的影響
表4 不同CFRTP材料的纏繞層數(shù)對RTP管道爆破壓力的影響
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NO. |
管道直徑/mm |
纏繞角度 |
CFRTP-HDPE帶寬/mm |
增強帶盤/個 |
纏繞層數(shù) |
爆破壓力/Mpa |
|
1 |
110 |
73° |
50 |
2 |
2 |
2.2 |
|
2 |
110 |
73° |
50 |
2 |
4 |
4.5 |
|
3 |
110 |
73° |
50 |
2 |
6 |
6.5 |
|
4 |
110 |
73° |
50 |
2 |
8 |
9.1 |
|
5 |
110 |
73° |
50 |
2 |
10 |
12.1 |
從表4中可以看出：在相同管徑、纏繞角度、CFRTP帶寬、增強帶盤下，RTP管道的爆破壓力隨著CFRTP增強帶纏繞層數(shù)增加而提高。由于CFRTP帶材中玻纖與HDPE界面結(jié)合良好，使其具有很好拉伸性能和產(chǎn)品穩(wěn)定性，并且CFRTP帶材是連續(xù)有規(guī)律地纏繞于內(nèi)管之上，使RTP管道內(nèi)部所受到的壓力能夠均勻地分散至各增強層，從而使各增強層均勻承載內(nèi)部壓力。因此隨著CFRTP增強帶層數(shù)的增加，RTP管道的爆破壓力必然會不斷地增加。
圖4 直徑110mmCFRTP帶73°纏繞照片
3、結(jié)論
(1)CFRTP材料對比玻纖束在RTP管道應用中具有更好的穩(wěn)定性及更高的物理性能。
(2)CFRTP材料比鋼帶在RTP管應用具有重量更輕的優(yōu)點。
(3)隨著CFRTP增強帶層數(shù)的增加，RTP管道的爆破壓力必然會不斷地增加。
