CN105802199B

CN105802199B - 一种非开挖管道修复用复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105802199B
Application number: CN201610230681.XA
Authority: CN
Inventors: 奚柏君; 孙西超
Original assignee: University of Shaoxing
Current assignee: Beijing Northern Burning Energy Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: CN105802199A

Abstract

本发明公开了一种非开挖管道修复用复合材料及其制备方法，涉及复合材料的制备，其特征在于，包括以下步骤：采用涤纶针刺非织造布和TPU为原料，先进行热压成型工艺处理，再经VARI成型工艺灌注树脂，制备得非开挖管道修复用复合材料。本发明以热压成型和VARI成型联合工艺开发非开挖修管道复用复合材料，该方法工艺流程短，而且成本较低，研制的复合材料力学性能超过同类复合材料，不仅可应用于不同直径的排水管道、给水管道、工业管道及输油、输气、输水管道，还可以用于不同规格的管道和干管道接头修复以及人工井修复翻新改造等领域。

Description

一种非开挖管道修复用复合材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及复合材料的制备，具体是涉及一种非开挖管道修复用复合材料及其制备方法。

背景技术：

城市的生存与发展需要供应水、气、油、电以及***污水、洪涝等功能都需要管道来完成，为了不干扰人们的生活，这些管道常铺设于地下，称为地下管道，这些管道按照其功能可分为：燃气管道、供水管道、排水管道、电力管道、热力管道、及电视、电话、网络电缆或者光缆等。城市埋地管道投入使用15～20年后，就进入了事故高发期，有计划地开展对旧管道的修复已刻不容缓。采取非开挖手段解决现代管网改造中的开挖问题，减少管网改造带来的负面影响是城市建设以及现代社会生活的强烈要求。

目前，一般选择软管内衬法修复技术，该技术相对适应性强、质量可靠，可以做到在不开挖地表的条件下，采用纤维材料制作非织造布，将其进行防渗附膜处理并缝合成管状，然后浸渍树脂，采用翻转法利用气压或水压使之衬于旧管道内壁上，一定压力下常温或加热固化后形成内壁光滑的复合材料内衬管，从而完成对旧管道的保护与修复。此技术只需在待修复管道的两端各挖一个1.5平米的作业坑，开挖面积小，免除了噪音、尘土等的环境污染，以及交通受阻、破坏市容等问题的困扰，符合现代城市环保的要求，社会效益明显。因此，管状非织造布复合材料应用于管道修复领域市场非常大，具有巨大的应用潜力与应用前景。

此项技术是由英国工程师于20世纪70年代为修复下水管道而开发的，近年来已经在世界上40多个国家和地区使用，应用比较多的是日本、美国、德国和法国等，现已形成专业公司和专门产业，西方发达国家的许多污水管道和自来水管道均已有一百多年的历史，因而需要修复或更换这些管道的施工技术。国内管道修复技术的正式起步是在1993年，此前水泥内衬技术在旧管道上虽有应用，但主要是以防腐为目的。国内大部分的修复设备与修复材料是由国外引进的，引进的修复设备可以多年使用，而大量引进价格昂贵的国外修复材料产品，造成了管道修复成本高，而且由于国内施工环境的变化，引进产品的修复效果也并不稳定，另一方面国外产品的质量也不是完美无缺的，不同用途管道的修复材料选择也常常困扰施工单位，因此自主设计与开发适合中国市场需求的管道修复用管状非织造布复合材料势在必行。

发明内容：

本发明的第一方面目的是提供一种防渗效果和机械性能优良的非开挖修复用复合材料。

本发明采取的技术方案如下：

一种非开挖管道修复用复合材料，其特征在于：选择涤纶针刺非织造布作为复合材料的基体，热塑性氨纶弹性体和耐高温AB胶环氧树脂作为复合材料的增强体。

所述的涤纶针刺非织造布:平方米克重为448g/m²，厚度为3.30mm，经、纬向的断裂应力分别为4.90MPa、4.06MPa，经、纬向的断裂伸长率分别为50.92％、90.64％。

所述热塑性氨纶弹性体(TPU)：厚度0.06mm，重量83.8g/m²。热熔性好、粘接力强，机械强度高，具有良好的耐热性、耐酸碱性、耐有机溶剂性和绝缘性，适用温度范围广，可在150℃条件下长期使用，耐寒性可达-55℃。

所述耐高温AB胶环氧树脂优选为E44-环氧树脂/650固化剂，为使树脂更好地浸润在织物中，需加入适量的稀释剂(无水乙醇)，以增加树脂的流动性，稀释剂的添加量过多，则延缓树脂固化时间，若稀释剂的添加过少，则不利于树脂的流动，所以一般稀释剂的质量分数为10％。

本发明的有益效果如下：

管道修复用复合材料必须具有一定的抗透水性、抗透气性及翻衬时力学性能，本发明采用热熔性能较好的TPU作为防渗膜，其特点是耐油，耐水，耐磨，化学惰性强，密封能力好，温度适应范围广，粘结强力高，从而增加防渗膜与非织造布的界面结合强度以及纤维间的粘着力。

本发明的第二方面是提供一种非开挖管道修复用复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用涤纶针刺非织造布和TPU为原料，先进行热压成型工艺处理，再经VARI成型工艺灌注树脂，制备得非开挖管道修复用复合材料。

优选的工艺设置如下：

所述的热压成型工艺：将涤纶针刺非织造布和TPU按一定配比放入模具中，在一定条件下进行热压成型，得到增强织物，其中涤纶针刺非织造布和TPU的配比为1层涤纶针刺非织造布和2层TPU进行热压复合，热压成型工艺条件为：压强5MPa，温度140℃，时间为90s。

经热压成型工艺处理后得到的增强织物，经向断裂应力达到14.5MPa，纬向断裂应力达到11.8MPa。

所述VARI成型工艺：将热压成型工艺制备的增强织物置于VARI成型装置中，通过真空泵抽真空加载负压力，当压力值稳定在-0.08MPa时，将树脂胶液注入成型装置中，利用树脂胶液的流动、渗透，将树脂胶液均匀地浸渍在增强织物中，然后室温下固化，即得非开挖管道修复用复合材料；

所述的树脂胶液为环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比优选为100:60:20。

所述VARI成型工艺，包括以下步骤：

(1)、模具的准备：

将增强织物、脱膜布、导流网、真空袋薄膜按照工艺要求依次放置于模具中，然后用密封胶带将两层真空袋薄膜粘结防止漏气；

(2)、树脂胶液的制备：

树脂胶液选择环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比选择100:60:20；

(3)、树脂胶液的灌注：

开启真空泵抽取空气，当压力值稳定在-0.08MPa时，将树脂胶液注入成型装置中，使树脂胶液均匀地浸渍在增强织物中；

(4)、真空袋薄膜的剥离：

剥离上层的真空袋薄膜，然后在室温固化，最后剥离导流网和脱膜布，得到本发明的管道修复用复合材料。

本发明的制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明主要有两个方面的创新：一是优化热压成型和VARI联合工艺，通过工艺的改进，开发防渗性能优异的复合材料；二是通过改进热压成型和VARI联合工艺条件，提高非开挖管道修复用复合材料的机械性能。

2、本发明以热压成型和VARI成型联合工艺开发非开挖修管道复用复合材料，该方法采用涤纶针刺非织造布和TPU按一定配比和条件放入模具中，在一定条件下进行热压成型，再经VARI工艺灌注树脂制造防渗增强的复合材料，该方法工艺流程短，而且成本较低，研制的复合材料力学性能超过同类复合材料，不仅可应用于不同直径的排水管道、给水管道、工业管道及输油、输气、输水管道，还可以用于不同规格的管道和干管道接头修复以及人工井修复翻新改造等领域。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

图1为本发明热压成型工艺示意图；

图2为本发明VARI成型工艺示意图；

图3为不同工艺制备的复合材料微观结构图。

图中标号：10为上脱模纸；11为TPU；12为织物；13为上热压板；14为下脱模纸；15为下热压板；20为导流网；21为脱模布；22为增强织物；23为真空袋薄膜；24为模具装备；25为树脂注入；26为多余树脂输出。

具体实施方式：

本发明的一种非开挖管道修复用复合材料的制备方法，其工艺流程如下：涤纶针刺非织造布→热压成型工艺→VARI成型工艺→管道修复用复合材料。

1、热压成型工艺：

将涤纶针刺非织造布和TPU按一定配比放入模具中，在一定条件下进行热压成型，得到增强织物，热压成型工艺示意图如图1所示。

1.1、原料选择：

本发明采用1层涤纶针刺非织造布和2层热塑性氨纶弹性体(TPU)进行热压复合，其中：

涤纶针刺非织造布:平方米克重为448g/m²，厚度为3.30mm，经、纬向的断裂应力分别为4.90MPa、4.06MPa，经、纬向的断裂伸长率分别为50.92％、90.64％。

热塑性氨纶弹性体(TPU)：厚度0.06mm，重量83.8g/m²。热熔性好、粘接力强，机械强度高，具有良好的耐热性、耐酸碱性、耐有机溶剂性和绝缘性，适用温度范围广，可在150℃条件下长期使用，耐寒性可达-55℃。

1.2、热压成型工艺条件选择：

优化热压成型工艺有利于提高复合材料的防渗性能和断裂强度，试验方案设计如下：

选用L₉(3⁴)正交表格，以压强、温度和时间为3因子，每个因子分3个水平进行试验。以材料的经向断裂应力σ为综合指标对热压工艺进行优化，断裂应力计算公式如公式(1)，因子水平表如表1所示。

式(1)中，σ为断裂应力，MPa；F为断裂强力，N；b为试样的宽度(mm)；d为试样的厚度(mm)。

表1、因子水平表：

水平	时间/s	温度/℃	压强/MPa
				1	90	120	1.5
2	150	130	3
				3	300	140	5

表2、正交试验极差分析：

正交试验极差分析结果如表2所示：从综合指标断裂应力判定，3个因子对其影响程度大小顺序为压强>温度>时间，热压成型复合材料的最优热压工艺为：压强5MPa，温度140℃，时间为90s。通过补充试验，得到热压成型复合材料的经向断裂应力达到了14.5MPa，纬向断裂应力达到了11.8MPa，说明正交试验优化热压成型工艺较为合理。

2、VARI(真空辅助成型)工艺：

真空辅助成型(VARI)工艺是一种成本较低的复合材料成型技术，其原理是在常温下，真空泵抽真空加载负压力，利用树脂的流动、渗透，实现树脂均匀地浸渍在织物中，固化后形成一种新型复合材料。VARI(真空辅助成型)工艺示意图如图2所示。

2.1、模具的准备：

如图2所示，将试验采用的原料按照VARI工艺示意图依次放置，最后用密封胶带将两层真空袋粘结防止漏气，其中增强织物是将1层涤纶针刺非织造布和2层TPU通过热压成型工艺制备而成。

2.2、树脂胶液的制备：

根据前期实验，从经济效益和固化时间两个因素考虑，本方法选择环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比选择100:60:20。

本发明优选采用耐高温AB胶环氧树脂(环氧树脂和固化剂)，并加入适量的稀释剂(无水乙醇)，稀释剂的质量分数为10％。由于树脂固化时间在VARI工艺中对试样的制备时间和复合材料在修复后固化成型是一个关键因素，因此对环氧树脂、固化剂和稀释剂采用不同配比，混合均匀后抽真空，在室温下观察树脂固化时间，具体如表3所示。

表3、树脂固化测试结果：

如表3所示：在室温条件下，混合体系中固化剂的含量越大，树脂的固化时间越快。这是因为固化剂的伯胺和仲胺对环氧树脂的固化作用是由氮原子上的活泼氢打开环氧基团，使之交联固化，这种交联固化作用的强弱与固化剂的含量多少成正比。一方面为提高生产效率，树脂的固化时间应在满足试验的前提下尽可能短，另一方面固化剂比环氧树脂价格高，故从经济效益和固化时间两个方面考虑，本发明优选采用：环氧树脂、固化剂和稀释剂的配比选择100:60:20。

2.3、树脂胶液的灌注：

开启真空泵抽取空气，当压力值稳定在-0.08MPa时，将树脂导入管***树脂胶液中，使树脂通过导入管进入成型装置。

2.4、真空袋薄膜的剥离：

试验结束时剥离上层的真空袋薄膜，然后在室温固化，最后剥离导流网和脱膜布，得到本发明的管道修复用复合材料。

3、产品检测：

将本发明采用热压成型与VARI成型联合方法制备的管道修复用复合材料，与常规涤纶针刺非织造布、经本发明热压成型工艺处理的增强材料分别进行材料微观结构、机械性能测试，如下所示：

3.1各种材料的微观结构:

如图3所示，采用工业显微镜测试各种材料的微观结构，其中图a为涤纶针刺非织造布，图b为增强复合材料(采用1层涤纶针刺非织造布和2层TPU通过热压成型工艺制备而成)，图c为采用热压成型与VARI成型联合方法制备的管道修复用复合材料。

从图b中可以看出：融化的TPU在一定的温度和压力条件下已经浸润到织物表层的纤维之间，说明热压成型工艺制备的TPU防渗膜符合制作要求。从图c中可看到，单根纤维与树脂界面结合紧密，并且树脂可以渗透到非织造布的内部，说明VARI工艺能够保证了复合材料内纤维-树脂界面的完整性，符合非织造布复合材料的制作要求。

3.2各种材料的机械性能测试：

将涤纶非织造布(1#)、热压成型制备的复合材料(2#)、热压成型和VARI成型联合工艺制备的复合材料(3#)在一定条件下测试其机械性能见表4。

表4、不同材料的拉伸性能数据

结合表4所示：材料的断裂应力大小顺序为3#>2#>1#，且各种复合材料的经、纬向的断裂应力和断裂伸长率均符合翻衬法修复非开挖管道所需材料的力学性能指标。结合图3(b)可以看到经过热压成型后的复合材料，树脂渗透到织物的表面，树脂固化后增加了纤维间的粘着力，进而改善热压成型复合材料的断裂应力。结合图3(c)经过热压成型工艺处理后的增强材料，再经VARI工艺处理，树脂渗透到复合材料的结构内部，填充纤维之间的空间，对纤维形成紧密的包覆，使得纤维束形成连续相，进一步改善片状非织造布复合材料的断裂应力。综上所述，非织布经过热压成型和VARI联合工艺处理，其断裂应力明显得到改善。

Claims

1.一种非开挖管道修复用复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用涤纶针刺非织造布和TPU为原料，先进行热压成型工艺处理，再经VARI成型工艺灌注树脂，制备得非开挖管道修复用复合材料；

所述涤纶针刺非织造布:平方米克重为448g/m²，厚度为3.30mm，经、纬向的断裂应力分别为4.90MPa、4.06MPa，经、纬向的断裂伸长率分别为50.92%、90.64%；

所述TPU：厚度0.06mm，重量83.8g/m²，热熔性好、粘接力强，机械强度高，具有良好的耐热性、耐酸碱性、耐有机溶剂性和绝缘性，适用温度范围广，在150℃条件下长期使用，耐寒性可达-55℃；

所述的热压成型工艺：将涤纶针刺非织造布和TPU按一定配比放入模具中，在一定条件下进行热压成型，得到增强织物，其中涤纶针刺非织造布和TPU的配比为1层涤纶针刺非织造布和2层TPU进行热压复合，热压成型工艺条件为：压强5MPa，温度140℃，时间为90s；

所述的树脂胶液为环氧树脂、固化剂和稀释剂，环氧树脂、固化剂和稀释剂的质量配比选择100:60:20。

2.根据权利要求1所述的一种非开挖管道修复用复合材料的制备方法，其特征在于：经热压成型工艺处理后得到的增强织物，经向断裂应力达到14.5 MPa，纬向断裂应力达到11.8 MPa。

3.根据权利要求1所述的一种非开挖管道修复用复合材料的制备方法，其特征在于：所述VARI成型工艺，包括以下步骤：

（1）、模具的准备：

（2）、树脂胶液的制备：

(3)、树脂胶液的灌注：

（4）、真空袋薄膜的剥离：

剥离上层的真空袋薄膜，然后在室温固化，最后剥离导流网和脱膜布，得到所述管道修复用复合材料。

4.根据权利要求3所述的一种非开挖管道修复用复合材料的制备方法，其特征在于：所述的涤纶针刺非织造布:平方米克重为448g/m²，厚度为3.30mm，经、纬向的断裂应力分别为4.90MPa、4.06MPa，经、纬向的断裂伸长率分别为50.92%、90.64%；

所述TPU：厚度0.06mm，重量83.8g/m²，热熔性好、粘接力强，机械强度高，具有良好的耐热性、耐酸碱性、耐有机溶剂性和绝缘性，适用温度范围广，可在150℃条件下长期使用，耐寒性可达-55℃；

所述环氧树脂为E44-环氧树脂，所述固化剂为650固化剂，E44-环氧树脂中加入有稀释剂，稀释剂为无水乙醇，稀释剂质量分数为10%。