一種超大口徑的竹纏繞復合管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于復合管材相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超大口徑的竹纏繞復合管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在國內(nèi)外多個行業(yè)中，均廣泛需要使用到各種類型的管材。傳統(tǒng)管材主要被劃分為金屬管材(如無縫鋼管、球磨鑄鐵管等)，塑料管材(如PVC管、HDPE管等)，水泥管材以及玻璃鋼管(如夾砂玻璃鋼管)等類別，它們各自具備不同的性能特點，同時也呈現(xiàn)不同的優(yōu)缺點:如無縫鋼管的承壓能力高、耐高溫，易加工，但重量大、易腐蝕，施工困難且使用壽命一般;HDPE管的重量輕、耐腐蝕，便于加工，但耐溫性能和承壓能力較差、剛度小且容易老化;夾砂玻璃鋼管的強度高、耐腐蝕，摩擦系數(shù)較小，但在大口徑情況下承壓能力有限、長期使用可能析出玻璃纖維，同時不利于回收利用，等等。
[0003]有鑒于此，本申請的發(fā)明人在早期已經(jīng)提出了利用竹纖維作為主要增強材料、以樹脂作為粘結(jié)劑，并采用纏繞方式來加工成型的新型生物基管材。例如，CN200910099279.2中公開了一種竹纖維纏繞復合管的制備方法，其中將管材由內(nèi)到外設(shè)置為內(nèi)襯層、增強層和外防護層，該增強層是由成卷的竹纖維片裝在纏繞機上退卷，先經(jīng)過樹脂槽涂上譬如環(huán)氧樹脂的改性材料，接著纏繞在直管模具的內(nèi)襯層上最后經(jīng)固化形成。又如，CN201010301399.9中公開了一種直竹條增強竹復管的制備方法，其中將成卷的連續(xù)竹片狀在纏繞機上退卷，多條連續(xù)竹片先通過豎直槽浸泡樹脂，然后環(huán)形纏繞在內(nèi)襯層上成為環(huán)向增強層，接著在該環(huán)向增強層外鋪設(shè)簾狀直竹條對管道進行加強，外層再纏繞環(huán)向增強層，由此經(jīng)固化形成增強層并最終在增強層外噴涂形成外防護層。以上這些新型生物基管材的基本原理為充分利用竹纖維的軸向拉伸強度，并在管道結(jié)構(gòu)中形成無應力缺陷分布，相應與常規(guī)的各類管材相比，不僅在耐壓強度、剛度、重量、防腐和絕緣性能等多項主要指標方面均表現(xiàn)優(yōu)良，而且原材料為可再生資源，生產(chǎn)過程基本無三廢排放，具備低碳環(huán)保、節(jié)能減排等特色，因而被列入國家重點推廣的低碳技術(shù)項目目錄。
[0004]然而，隨著竹纏繞復合管材在多個行業(yè)和項目的推廣和實際應用，進一步的研究表明，對于管道運輸之類的場合而言，大口徑管材作為其運輸過程中的主動脈，為了滿足長時期運輸使用過程的性能穩(wěn)定，往往在其關(guān)鍵性能指標和加工制造工藝等方面存在特定的要求。例如，目前常見的塑料管材用于傳輸應用時其最大口徑可達1600_，但在開發(fā)設(shè)計過程中，不可回避的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)要點集中在如何保證其抗快速開裂和長期耐壓性能等方面。與此類似地，當面對特定應用場合需要采用大口徑甚至超大口徑的竹纏繞復合管材的情況下，如何基于上述生物基管材的自身特點來作出針對性設(shè)計以便繼續(xù)保持其獨有的性能特點，并從抗彎抗撞擊、環(huán)剛度、軸向拉伸強度以及避免開裂等方面均滿足超大口徑管材在加工制造和長期運輸運用過程的質(zhì)量要求，正成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上不足或改進需求，本發(fā)明提供了一種超大口徑的竹纏繞復合管及其制造方法，其中通過對各個關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)置方式充分結(jié)合超大管徑的特定場合來予以考慮和重新設(shè)計，尤其是對一些直接影響到該超大口徑復合管材在加工制造和使用可靠性等方面的一些重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整和改進，具體測試表明，其不僅能夠有效克服隨著管徑顯著增大所造成的各種不利影響，而且還可確保此超大口徑的竹纏繞復合管材長期穩(wěn)定地保持自身的無應力缺陷分布特性，因而尤其適用于譬如農(nóng)業(yè)灌溉、海水輸送、電廠循環(huán)水、油氣輸送、混合砂漿、城市排水排污等應用場合。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種超大口徑的竹纏繞復合管，其特征在于，該竹纏繞復合管的內(nèi)孔直徑為1800mm?4000mm，進一步優(yōu)選為2200mm?3600mm，并且從內(nèi)到外依次包括內(nèi)襯層、復合增強層和外防護層;其中:
[0007]所述內(nèi)襯層由浸有膠黏劑的纖維氈或無紡布固化制得，并形成防滲且光滑的內(nèi)壁;所述復合增強層由粘附有樹脂的竹篾簾多層纏繞在所述內(nèi)襯層外固化而成，該竹篾簾是由多個竹篾片通過編織線連接組成的簾狀結(jié)構(gòu)，所有竹篾簾相對于所述內(nèi)襯層均采用纏繞角為85°?90°的環(huán)向方式進行纏繞，并且纏繞總層數(shù)被設(shè)定為14層以上;此外，所述復合增強層從內(nèi)到外包括第一增強層和第二增強層，其中該第一增強層的竹篾簾采用環(huán)向竹篾簾也即所有竹篾片的長度方向與其所組成的竹篾簾長度方向均保持一致，該第二增強層的竹篾簾則采用軸向竹篾簾也即所有竹篾片的長度方向均與其所組成的竹篾簾寬度方向保持一致，并且該第一增強層的厚度至少占所述增強層總厚度的70%以上;所述外防護層直接涂覆固化在所述第二增強層的外表面，并起到防水防腐和防輻射的作用。
[0008]對于本發(fā)明的上述構(gòu)思所形成的技術(shù)方案，一方面在制造該超大口徑的竹纏繞復合管時，通過將作復合增強層采用多層竹篾簾而不是單獨的竹篾片或條與樹脂混合進行纏繞，這樣不僅有助于樹脂在管道徑向方向上對相鄰竹篾簾的間距以及它們內(nèi)部的間隙均獲得充分和均勻的填充，更重要的是能使得竹篾簾在環(huán)向纏繞時獲得充分伸展，使其軸向拉伸強度發(fā)揮至最大化，同時可有效克服竹篾簾尾端容易翹曲的現(xiàn)象;另一方面，通過將復合增強層分為多層結(jié)構(gòu)且各自采用不同編制方式的竹篾簾逐層加工，特別是對它們的不同厚度占比作出針對性的調(diào)整，相應可使得兩種不同的竹篾簾起到很好的互補作用，并導致最終纏繞形成的復合增強層即便在管徑顯著擴大的情況下仍能夠很好地保持管道整體結(jié)構(gòu)無應力分布缺陷的特點，同時提高了竹纏繞復合管道在抗壓性、環(huán)剛度以及長期使用質(zhì)量穩(wěn)定性等方面的性能。
[0009]作為本發(fā)明的一個改進方案，上述復合增強層優(yōu)選還包括第三增強層，該第三增強層的竹篾簾同樣采用環(huán)向竹篾簾也即所有竹篾片的長度方向與其所組成的竹篾簾長度方向均保持一致，然后以纏繞角為85°?90°的環(huán)向方式繼續(xù)纏繞在所述第二增強層的外偵U。此外，上述第一增強層和第三增強層的厚度之和進一步被設(shè)定為占所述復合增強層總厚度的85%?90%，該第二增強層的厚度被設(shè)定為占所述復合增強層總厚度的10%?15%。較多的樣品質(zhì)量測試表明，上述厚度占比的數(shù)值范圍使得最終制得的復合增強層及復合管材在所需纏繞厚度與整體結(jié)構(gòu)強度之間取得更好的平衡，其不僅有助于復合增強層的抗壓性能最優(yōu)化，而且對于實際加工過程而言無需增加過大層數(shù)和造成原材料浪費，對于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量可控性方面起到明顯作用。
[0010]作為本發(fā)明的另一改進方案，對于組成所述環(huán)向竹篾簾中的各個竹篾片而言，其規(guī)格參數(shù)優(yōu)選設(shè)定如下:長為1500mm?2500mm、寬為4mm?10mm、厚度為0.5mm?1.5mm，并且逐片搭接形成長度大于100m、寬度為20mm?50mm的環(huán)向竹篾簾。此外，對于組成所述軸向竹篾簾的各個竹篾片而言，其規(guī)格參數(shù)優(yōu)選設(shè)定如下:長為20mm?50mm、寬為4mm?10mm、厚度為0.5mm?1.5mm，并且逐片搭接形成長度大于100m、寬度為20mm?50mm的環(huán)向竹篾簾。之所以對以上竹篾片及兩類竹篾簾的具體規(guī)格參數(shù)作出以上設(shè)計，主要是考慮到它們作為復合增強層中的基礎(chǔ)組成部分之一，其所具備的竹纖維尺寸及其排列組合方式均會直接影響到各竹篾片以及竹篾卷的強度尤其是軸向拉伸強度，因此在本專利中將其同樣進行了針對性的研究和測試，并設(shè)定以上的具體參數(shù)規(guī)格以便更好地符合超大口徑竹纏繞管材的制造和使用要求。
[0011 ]作為本發(fā)明的另一改進方案，上述竹篾片的橫截面形狀優(yōu)選被加工為矩形，含水量為10%?20%，并且相鄰竹篾片之間的間隙面積為0.09cm2?0.25cm2。通過以上設(shè)計，矩形的竹篾片不僅有助于在端面進行搭接，同時在其內(nèi)外側(cè)面上也可獲得更大程度的彼此貼近，相應使得在復合增強層的各個方向上均可充分獲取竹纖維的高軸向拉伸強度特性;此夕卜，竹篾片和含水量和間隙面積還會對樹脂組分的填充過程起到較大的影響，上述特定規(guī)格能夠使得樹脂更易于滲入到竹篾簾中與其充分結(jié)合，進而有助于提高各類增強層的結(jié)構(gòu)強度和抗彎抗撞擊等性能。
[0012]作為本發(fā)明的另一改進方案，上述復合增強層的總厚度被設(shè)定為占整體管材壁厚的90 %以上，進一步優(yōu)選為占整體管材壁厚的92 %?96 %。以此方式，能夠充分發(fā)揮復合增強層對整個超大口徑竹纏繞管承壓方面所起到核心作用，并便于對各組成層之間的加工質(zhì)量控制起到指導作用。
[0013]作為本發(fā)明的又一改進方案，上述復合增強層中除了竹篾簾和樹脂之外，還可添加有生物基填料以及固化劑，其中所述樹脂、生物基填料和固化劑這三者之間的質(zhì)量份數(shù)被設(shè)定為100:15?25:2?5，并一同混合后淋澆粘附于所述竹篾簾上。此外，所述樹脂選自于聚氨酯樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂或者環(huán)氧樹脂中的一種;所述生物基填料選自竹、木、麻、秸桿、植物果殼或其他硬質(zhì)生物材料，并且其平均目數(shù)設(shè)定為20?100。通過以上設(shè)計，包含生物基填料、固化劑的樹脂混合物能夠促進與竹篾簾以及竹纖維之間的填充和結(jié)合，并且上述具體類型和顆粒度的生物基填料與竹纖維之間具備很好的親和性，進而能夠進一步提高復合增強層的結(jié)構(gòu)強度。
[0014]作為本發(fā)明的又一改進方案，對于上述內(nèi)襯層而言，其厚度至少為2mm，并優(yōu)選從內(nèi)到外包括第一內(nèi)襯層和第二內(nèi)襯層，其中該第一內(nèi)襯層的厚度小于該第二內(nèi)襯層，并且該第一內(nèi)襯層的樹脂粘附量被設(shè)定為大于該第二內(nèi)襯層。此外，上述內(nèi)襯層中的的纖維氈或無紡布優(yōu)選為竹纖維氈或竹纖維無紡布，并且該竹纖維的直徑為0.8mm?1.2mm;所述第一內(nèi)襯層優(yōu)選采用35g/m2?50g/m2的纖維氈或無紡布，所述第二內(nèi)襯層優(yōu)選采用150g/m2?30