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纤维增强HDPE承插式双壁缠绕管
发布时间:2023/5/20 15:44:05  ▏作者:555000jcjc线路检测有限公司  ▏阅读:

纤维增强HDPE承插式双壁缠绕管是以高密度聚乙烯(HDPE)树脂为主要原料,以不同型式的纤维作为增强材料,采用缠绕成型工艺,经加工制成的结构壁管材。

高密度聚乙烯(HDPE)是一种粘弹性热塑性高聚物,是一种耐腐蚀、使用寿命长的性能优异的高分子材料,也具有蠕变和应力松弛的特性。但是HDPE的质地软、弹性模量低,采用HDPE生产的塑料管材存在着力学强度低、耐热性差、成型收缩率高、易发生蠕变或应力松弛破坏等缺点。因此,需要对HDPE进行增强、改性。

纤维具有许多优良性能,如:强度和模量高、无蠕变、耐超高温、耐疲劳性好、热膨胀系数小且具有各向异性、耐腐蚀性好等。使用纤维增强HDPE可获得高模量、高韧性、轻量化等特点,如碳纤维的抗拉强度可达到3.6-3.8GPa上海清远管业科技与上海交通大学合作攻关《纤维增强聚乙烯及HDPE双壁缠绕管轻量化的关键技术》,成功开发纤维增强HDPE承插式双壁缠绕管。

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   纤维增强HDPE承插式双壁缠绕壁管与普通HDPE双壁缠绕管相比,不仅保持了原有的产品特点,如寿命长、安装方便、连接密封性好、可抵抗地基不均匀沉降、施工不受气候条件影响及施工周期短、养护周期长等;还具有突出的力学性能,如高环刚度,在相同单重条件下,该种管材具有更高的环刚度等级(SN≥16,甚至于25以上),在相同环刚度等级下,该种管材所耗原辅材料更少,有效降低生产成本,实现产品轻量化;同时具有高环柔性、高抗冲击、优异的抗蠕变性、

抗环境应力开裂性、耐高低温冲击等力学性能,尤其是对于大口径塑料埋地排水管材而言,能有效地降低不规范施工及使用环境对管材使用寿命的影响,从而提高管道工程质量的安全性。

纤维按成分可分为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维等,按形态和长度可分为连续纤维束、连续纤维布和短纤维。不同的纤维形式,其增强、增韧机理与效果也不尽相同。图(a、b)为纤维增强HDPE缠绕管的应力-应变曲线。尽管纤维增强HDPE缠绕管与非纤维增强HDPE缠绕管具有相同的环刚度,即管径发生3%应变时所需的应力大小是相同的,但是继续增加管材变形时两者的应力曲线则不再重合、各自分开。选择A种增强形式,线性纤维沿着管材缠绕方向铺展开来,不断地吸收着变形所需的应力,同时纤维与树脂之间在微观上发生了相对位移,出现应力屈服现象,直至70%形变时管材仍未破坏、断裂,展现出优异的韧性。选择B种增强形式,经纬交错的纤维犹如钢筋骨架一般牢牢地嵌入在树脂中,限制住了树脂间的滑动、松弛。管材从10%形变时表现出惊人的抵抗变形作用的能力。应力随着应变的增加而不断地增大,直至55%形变时发生破坏。

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a)纤维A增强HDPE管材压缩测试   

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  b)纤维B增强HDPE管材压缩测试

(a、b)  纤维增强HDPE管材应-应变曲线


关键技术和创新点

1)纤维表面改性及纤维与HDPE的界面相容技术

纤维的表面改性效果越好,与树脂基体的界面粘结作用越强,材料性能则越好,管材性能也随之提高。为了能有效增强纤维与聚乙烯的界面相容性,通过在纤维表面引入具有树枝状结构的高分子刷进行表面修饰。高分子刷一端是可与纤维表面的Si-OH发生交联反应,另一端是则是嵌段共聚反应获得的树形分子。高分子刷与纤维表面充分接触并牢固地接枝反应到纤维表面。一旦改性纤维以短纤维、连续纤维束或连续纤维布的形式加入到HDPE树脂中,纤维表面高分子刷的“多手臂结构”则会渗透进入HDPE树脂分子链中与树脂分子链相互缠绕从而发挥出良好的界面粘结作用。

2)纤维与聚乙烯“双连续”亚稳态分散技术

塑料的增强与增韧是对矛盾体,强度高往往韧性差,反之亦然。对管材而言,需要达到高环刚度、高环柔性、高落锤冲击强度的目标。本项目创新地提出了采用0维(短纤维)、1维(连续纤维束)、2维(连续纤维布)材料中的一种或者两种组合对HDPE进行增强增韧改性,借助于多层共挤出模具获得了纤维与聚乙烯同时“双连续”亚稳态分散状态,实现了纤维各向异性和各向同性的孪生存在。

3)纤维增强聚乙烯母料挤出加工设备的设计、组装高精技术

在螺杆设计方面,采用不同的螺杆组合对材料进行加工。通过混炼元件和剪切元件的设计、组合,保证纤维在HDPE基体树脂中的分散效果达到设计要求。

在模具设计方面,通过开发多层共挤出机头模具,使得纤维增强HDPE能同时达到增强和增韧的效果。


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项目实施过程中,共申请专利14项,覆盖管材专用料、生产工艺及加工设备。本项目也获得上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目(项目编号:201411-JS-C104-006)的资助。

纤维增强HDPE承插式双壁缠绕管是清远科技独立开发的具有知识产权的新产品。产品创新技术达到国内、外领先水平,首次提出采用三种不同“分散维数”纤维增强形式的全新概念。产品于2016年6月通过了上海市建设科技推广中心组织的“新产品新技术评估(鉴定)”。产品在市场得到较多地应用,特别是用于大口径埋地排水管道工程,用户使用反映良好产品获得2020年度上海市科学技术进步奖三等奖。

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FR-HDPE纤维增强承插式高密度聚乙烯缠绕结构壁管参照国家标准《埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统  第2部分:聚乙烯缠绕结构壁管材》GB/T19472.2-2017。经过几年的应用,在市场上得到了很好效果,已经被录入上海市工程建设规范《埋地塑料排水管道工程技术标准》DG/TJ08-308-2018

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FR-HDPE纤维增强承插式高密度聚乙烯缠绕结构壁管不仅实现了HDPE双壁缠绕管的轻量化,突破了大口径HDPE双壁缠绕管在高环刚度(SN16~SN40)上的技术瓶颈并填补了国内产品空白,而且增加了大口径塑料管材的使用安全性。

FR-HDPE纤维增强承插式高密度聚乙烯缠绕结构壁管技术参数要求质量远超国家标准,相对国内产品而言,最大的优势在于产品质量等级方面。为进一步提高该项目产品市场竞争力,可通过规模化经营,降低产品单位成本,向市场提供性价比更大的产品,是今后排水、排污工程的发展趋势,产品具备广阔的市场前景。


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