竹纤维缠绕复合管的制备方法.pdf

本发明公开了一种竹纤维缠绕复合管的制备方法。现有的聚氯乙烯管、聚乙烯管、玻璃钢管及玻璃钢夹砂管，其消耗了大量宝贵的石油资源且导致了环境污染。本发明提供了一种竹纤维缠绕复合管的制备方法，其制备方法包括以下步骤：内衬层的制备；竹纤维预处理：竹纤维采用衬布粘接、或缝合、或编织的方式连接成一条连续的竹纤维带，并卷成卷；增强层的制备：将成卷的竹纤维带装在缠绕机上退卷，竹纤维带先通过树脂槽并涂上树脂，然后缠绕在直管模具的内衬层上，缠绕二层以上，经固化后形成增强层；外防护层的制备。本发明采用缠绕机进行机械化生产，生产效率高，提高了竹纤维之间的致密性，并提高了产品的强度。

1、  竹纤维缠绕复合管的制备方法，竹纤维缠绕复合管沿管径方向，由内到外依次为内衬层、增强层、外防护层，其制备方法包括以下步骤：
1)内衬层的制备：在直管模具上用树脂及毡制作内衬，形成防渗且内壁光滑的内衬层；
2)竹纤维预处理：把毛竹开成长2-6m、厚0.5-3mm、宽1-25mm的竹纤维，接着脱脂，然后清洗并干燥，最后竹纤维采用衬布粘接、或缝合、或编织的方式连接成一条连续的竹纤维带，并卷成卷；
3)增强层的制备：将成卷的竹纤维带装在缠绕机上退卷，竹纤维带先通过树脂槽并涂上树脂，然后缠绕在直管模具的内衬层上，缠绕二层以上，经固化后形成增强层；
4)外防护层的制备：在增强层外喷涂一层防腐防水的材料，形成外防护层。

2、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于采用螺旋缠绕、或环向缠绕、或环向缠绕加螺旋缠绕的组合将竹纤维带缠绕在内衬层上。

3、  根据权利要求1或2所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于竹纤维带的长度在50米以上，宽在3-50cm。

4、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于树脂槽中所用的树脂为脲醛树脂、或不饱和聚酯树脂、或环氧树脂、或酚醛树脂、或聚氨酯树脂，固化温度为10-120℃。

5、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于制作内衬层的树脂选用防腐树脂或食品级树脂。

6、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于脱脂过程如下：将开好的竹纤维浸入质量浓度为1-10％的NaOH溶液中，在20-80℃下浸泡5-48小时。

7、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于竹纤维带的制作方法如下：把多根竹纤维平行排列整齐，沿纵向方向布置多排成带状，背面衬上涂有树脂的衬布，形成竹纤维带。

8、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于竹纤维带的制作方法如下：把多根竹纤维平行排列整齐，沿纵向方向布置多排成带状，在纵向方向每隔20-40cm距离处用缝合线缝合，缝合线迹与竹纤维带垂直，形成竹纤维带。

9、  根据权利要求1所述的竹纤维缠绕复合管的制备方法，其特征在于竹纤维带的制作方法如下：用竹纤维相互交叉缠绕形成交叉网状增强结构。

竹纤维缠绕复合管的制备方法
技术领域
本发明涉及管道领域，具体地说是一种应用于农业灌溉、给排水工程以及石油化工防腐场合中的竹纤维缠绕复合管的制备方法。
背景技术
目前在给排水工程及石油化工防腐场合中，所用的管道普遍采用聚氯乙烯管、聚乙烯管、玻璃钢管、玻璃钢夹砂管等。聚氯乙烯管和聚乙烯管质轻、光滑且耐腐蚀，但刚度和强度方面有所不足且原料均为石油产品的合成品；玻璃钢管及玻璃钢夹砂管具有耐腐蚀、强度高、流体阻力小、刚度大的优点，但产品的增强材料为高能耗的玻璃纤维，其所用的树脂完全依赖于石油，产品及废料不可回收、不环保。因此使用上述管道产品，消耗了大量宝贵的石油资源且导致了环境污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种竹纤维缠绕复合管的制备方法，其制得的竹纤维缠绕复合管，在保证强度和刚度的前提下，节省石油资源，减少环境污染。
为此，本发明采用如下的技术方案：竹纤维缠绕复合管的制备方法，竹纤维缠绕复合管沿管径方向，由内到外依次为内衬层、增强层、外防护层，内衬层、增强层、外防护层粘接为一体，其制备方法包括以下步骤：
1)内衬层的制备：在直管模具上用树脂及毡制作内衬，形成防渗且内壁光滑的内衬层，所用的树脂选用防腐树脂或食品级树脂等，所述的毡为涤纶毡或玻纤毡等；
2)竹纤维预处理：把毛竹开成长2-6m、厚0.5-3mm、宽1-25mm的竹纤维(一般分为竹丝、竹片)，接着将开好的竹纤维浸入质量浓度为1-10％的NaOH溶液中，在20-80℃下浸泡5-48小时进行脱脂，然后清洗并干燥，最后将竹纤维采用衬布粘接、或缝合、或编织的方式连接成一条连续的竹纤维带，并卷成卷，以方便装在缠绕机上使用；
3)增强层的制备：将成卷的竹纤维带装在缠绕机上退卷，竹纤维带先通过树脂槽并涂上树脂，然后缠绕在直管模具的内衬层上，缠绕二层以上，以达到设计的厚度要求，经固化后形成增强层；
4)外防护层的制备：在增强层外喷涂一层防腐防水材料，一般采用改性脲醛树脂、或聚氨酯树脂、或乙烯基酯树脂、或环氧树脂、或酚醛树脂、或沥青，形成外防护层。
本发明采用竹纤维带作为增强材料，而非玻璃纤维或碳纤维等，环保且成本低；将竹纤维进行浸泡处理，可以提高韧性，降低脆性；采用热固性树脂作为粘合剂，可以使竹纤维与竹纤维之间粘接更佳，充分发挥它的强度；由于增强层中采用了竹纤维带作为增强材料，赋于管体质轻、高强度、高刚度、高韧性等优点。本发明采用连续的竹纤维带后，所得产品中的增强层由一条连续不断的竹纤维带缠绕而成，可以采用缠绕机进行机械化生产，提高了竹纤维之间的致密性，并提高了产品的强度。
上述竹纤维缠绕复合管的制备方法，根据管道不同的压力等级、刚度要求，分别采用螺旋缠绕、或者环向缠绕、或者环向缠绕加螺旋缠绕的组合等不同的缠绕方式将竹纤维带缠绕在内衬层上。采用组合的缠绕方式得到的竹纤维带的强度和刚度优于单一的缠绕方式。
上述竹纤维缠绕复合管的制备方法，竹纤维带的长度在50米以上(只要生产线不停，可以无限长)，以保证机械化缠绕时的高效率，竹纤维带的宽为3-50cm，根据管道的不同口径和缠绕工艺选择不同宽度的纤维带。
上述竹纤维缠绕复合管的制备方法，树脂槽中所用的树脂为热固性树脂，如脲醛树脂、或不饱和聚酯树脂、或环氧树脂、或酚醛树脂、或聚氨酯树脂，固化温度为10-120℃。采用非石油制品的脲醛树脂作为粘接剂，还可节约石油资源。
上述竹纤维缠绕复合管的制备方法，内衬层的树脂选用防腐树脂或食品级树脂，可针对不同应用场合来选用相应的树脂。
上述竹纤维缠绕复合管的制备方法，竹纤维带的具体制作方法有如下：1)把多根竹纤维平行排列整齐，沿纵向方向布置多排成带状，背面衬上涂有树脂的衬布，形成竹纤维带；2)把多根竹纤维平行排列整齐，沿纵向方向布置多排成带状，在纵向方向每隔20-40cm距离处用缝合线缝合，缝合线迹与竹纤维带垂直，形成竹纤维带；3)用竹纤维相互交叉缠绕形成交叉网状增强结构。方法1)制成的竹纤维带适合于厚度小于1.2mm的竹纤维，较多地应用于小口径的管道；方法2)和方法3)制成的竹纤维带适合于厚度大于1mm以上的竹纤维，较多地应用于大口径的管道。
本发明得到的产品与聚氯乙烯管、聚乙烯管相比，具有更高的强度、刚度，节约了石油资源；与玻璃钢管及玻璃钢夹砂管相比，具有类似的强度和刚度，相比质更轻，成本更低；采用缠绕机进行机械化生产，生产效率高，提高了竹纤维之间的致密性，并提高了产品的强度；增强材料为环保、低能耗的可再生资源竹纤维，且对农业资源进行了开发利用。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1为本发明制得的产品的结构示意图。
图2-7为本发明竹纤维带的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
以制作直径为200mm的竹复管为例，具体步骤如下：
a)竹片预处理：
把新鲜的毛竹开成5米长、0.7mm厚、10mm宽的竹片，用5％NaOH溶液浸泡6小时，用水冲洗干净，干燥后，用9根竹片11平行排列整齐为一排，沿纵向方向依次布置多排，背面衬上涂有脲醛树脂的棉纱网格布12(60g/m²)，经120℃压制5分钟固化，形成宽90mm、厚0.8mm的竹片布带(见图2)，形成一条长达50米以上不间断的竹片布带，并卷到卷筒上待用；
b)内衬层1的制备：
在外径为200mm的经抛光的钢制直管模具上包覆一层0.029mm厚的聚酯薄膜，用防腐性能优异的乙烯基酯树脂和玻璃纤维表面毡(30g/m²)在直管模具上制作厚度达2mm的内衬层；
c)缠绕工序(即增强层2的制备)：
待内衬层固化后，把事先卷好的竹片布带卷装在缠绕机上，把竹片布带退卷后，浸入树脂槽内浸润脲醛树脂，再平整地缠绕在直管模具上，缠绕1层环向/2层螺旋/1层环向后，达到6mm的设计厚度；缠绕完毕后，对管道加热到60℃固化20分钟，树脂交联固化后，成为坚硬一体的热固性复合材料。
d)外防护层3的制备：
在管道外面涂刷一层防水防腐较好的环氧树脂，厚约0.5-1mm。
实施例1生产的管道经水压测试，短时失效压力达到5.2MPa，实测总厚度8.5mm，刚度达到16200N/m²，环向抗拉强力达到520KN/m，高于聚氯乙烯和聚乙烯管道，达到玻璃钢管道的技术指标。实管体材质比重为0.87，低于玻璃钢管的1.8～2.1。
实施例2：
以制作直径为300mm的竹复管为例，具体步骤如下：
a)竹片预处理：
把新鲜的毛竹开成5米长、1.3mm厚、14mm宽的竹片，用8％NaOH溶液60℃浸泡8小时，用水冲洗干净，干燥。用8根竹片21平行排列为一排，沿纵向方向依次布置多排，在纵向方向每隔30cm的距离上用缝合线22缝合，缝合线迹与竹片成垂直(见图3)。竹片经缝合后，形成宽120mm、厚1.3mm、长50米以上不间断的竹片带，并卷到卷筒上待用；
b)内衬层的制备：
在外径为300mm的经抛光的钢制直管模具上包覆一层0.029mm厚的聚酯薄膜，用食品级树脂和涤纶表面毡(30g/m²)在直管模具上制作厚度达2mm的内衬层；
c)缠绕工序：
待内衬层固化后，把事先卷好的竹片卷装在缠绕机上，把竹片带退卷后，浸入树脂槽内浸润不饱和聚酯树脂，再平整地缠绕在直管模具上，缠绕1层环向/2层螺旋/1层环向后，达到8mm的设计厚度；缠绕完毕后，最外面包敷一层0.029mm厚的聚酯薄膜，使管体外表平整。在20℃以上固化60分钟，树脂交联固化后，成为坚硬一体的热固性复合材料。
d)外防护层的制备：
在管道外面涂刷一层防水防腐较好的乙烯基酯树脂，厚约0.5mm。
实施例2生产的管道经水压测试，短时失效压力达到4.6MPa，实测总厚度10.5mm，实测刚度达到13200N/m²，环向抗拉强力达到713KN/m，高于聚氯乙烯和聚乙烯管道，达到玻璃钢管道的技术指标。实测管体材质比重为0.84，低于玻璃钢管的1.8～2.1。
实施例3：
以制作直径为300mm的竹复管为例，具体步骤如下：
a)竹片预处理：
把新鲜的毛竹开成140mm长、1.0mm厚、12mm宽的竹片，用5％NaOH溶液浸泡6小时，用水冲洗干净，干燥。用竹片31相互交叉的方式编织成110mm宽的竹席带，在本竹席带中经纬竹片与竹席带呈45°的角度(见图4)。编织后的竹席带厚度为2mm、长度超过50米的连续带状，并卷到卷筒上待用；
b)内衬层的制备：
在外径为300mm的经抛光的钢制直管模具上包覆一层0.029mm厚的聚酯薄膜，用食品级树脂和涤纶表面毡(30g/m²)在管模具上制作厚度达2mm的内衬层；
c)缠绕工序：
待内衬层固化后，把事先卷好的竹席带卷装在缠绕机上，把竹席带退卷后，浸入树脂槽内浸润脲醛树脂，再平整地缠绕在直管模具上，缠绕5层环向后，达到10mm的设计厚度。在60℃以上固化30分钟，树脂交联固化后，成为坚硬一体的热固性复合材料。
d)外防护层的制备：
在管道外面涂刷一层防水防腐较好的聚氨酯树脂，厚约0.5mm。
实施例3生产的管道经水压测试，短时失效压力达到4.9MPa，实测总厚度12.2mm，实测刚度达到42300N/m²，环向抗拉强力达到735KN/m，轴向抗拉强力达到590KN/m，高于聚氯乙烯和聚乙烯管道，达到玻璃钢管道的技术指标。实测管体材质比重为0.88，低于玻璃钢管的1.8～2.1。
实施例4：
以制作直径为200mm的竹复管为例，具体步骤如下：
a)竹丝预处理：
把新鲜的毛竹开成5米长、0.7mm厚、1.2mm宽的竹丝，用5％NaOH溶液浸泡5小时，用水冲洗干净，干燥后，把竹丝41排列整齐成一排，沿纵向方向依次布置多排，背面衬上涂有脲醛树脂的棉纱网格布42(60g/m²)，经120℃压制5分钟固化，形成宽90mm、厚0.8mm的竹丝布带(见图5)，形成长达50米以上不间断的竹丝布带，并卷到卷筒上待用；
b)内衬层的制备：
在外径为200mm的经抛光的钢制直管模具上包覆一层0.029mm厚的聚酯薄膜，用防腐性能优异的乙烯基酯树脂和玻璃纤维表面毡(30g/m²)在管模具上制作厚度达2mm的内衬层；
c)缠绕工序：
待内衬层固化后，把事先卷好的竹丝布带卷装在缠绕机上，把竹丝布带退卷后，浸入树脂槽内浸润脲醛树脂，再平整地缠绕在直管模具上，缠绕1层环向/2层螺旋/1层环向后，达到5mm的设计厚度；缠绕完毕后，对管道加热到60℃固化20分钟，树脂交联固化后，成为坚硬一体的热固性复合材料。
d)外防护层的制备：
在管道外面涂刷一层防水防腐较好的环氧树脂，厚约0.5-1mm。
实施例4生产的管道经水压测试，短时失效压力达到4.8MPa，实测总厚度7.5mm，刚度达到14500N/m²，环向抗拉强力达到480KN/m，高于聚氯乙烯和聚乙烯管道，达到玻璃钢管道的技术指标。实管体材质比重为0.86，低于玻璃钢管的1.8～2.1。
实施例5：
以制作直径为300mm的竹复管为例，具体步骤如下：
a)竹丝预处理：
把新鲜的毛竹开成5米长、1.2mm宽、1.2mm厚的竹丝，用8％NaOH溶液浸泡8小时，用水冲洗干净，干燥。把竹丝51纵向排列成110mm宽，沿纵向方向依次布置多排，在纵向方向每隔30cm的距离上用缝合线52缝合，缝合线迹与竹丝成垂直(见图6)。竹丝经缝合后，形成宽110mm、厚1.3mm、长50米以上不间断的竹丝带，并卷到卷筒上待用；
b)内衬层的制备：
在外径为300mm的经抛光的钢制直管模具上包覆一层0.029mm厚的聚酯薄膜，用食品级树脂和涤纶表面毡(30g/m²)在直管模具上制作厚度达2mm的内衬层；
c)缠绕工序：
待内衬层固化后，把事先卷好的竹丝卷装在缠绕机上，把竹丝带退卷后，浸入树脂槽内浸润不饱和聚酯树脂，再平整地缠绕在直管模具上，缠绕1层环向/2层螺旋/1层环向后，达到8mm的设计厚度；缠绕完毕后，最外面包敷一层0.029mm厚的聚酯薄膜，使管体外表平整。在20℃固化60分钟，树脂交联固化后，成为坚硬一体的热固性复合材料。
d)外防护层的制备：
在管道外面涂刷一层防水防腐较好的乙烯基酯树脂，厚约0.5mm。
实施例5生产的管道经水压测试，短时失效压力达到4.2MPa，实测总厚度10.5mm，实测刚度达到12305N/m²，环向抗拉强力达到651KN/m，高于聚氯乙烯和聚乙烯管道，达到玻璃钢管道的技术指标。实测管体材质比重为0.84，低于玻璃钢管的1.8～2.0。
实施例6：
以制作直径为300mm的竹复管为例，具体步骤如下：
a)竹丝预处理：
把新鲜的毛竹开成140mm长、1.0mm宽、1.0mm厚的竹丝，用5％NaOH溶液浸泡6小时，用水冲洗干净，干燥。用竹丝61相互交叉的方式编织成110mm宽的编织带，在本竹丝编织带中竹丝与竹丝编织带呈60°的角度(见图7)。编织后的竹丝编织带厚度为2mm、长度超过50米的连续带状，并卷到卷筒上待用；
b)内衬层的制备：
在外径为300mm的经抛光的钢制直管模具上包覆一层0.029mm厚的聚酯薄膜，用食品级树脂和涤纶表面毡(30g/m²)在直管模具上制作厚度达2mm的内衬层；
c)缠绕工序：
待内衬层固化后，把事先卷好的竹丝编织带卷装在缠绕机上，把竹丝编织带退卷后，浸入树脂槽内浸润脲醛树脂，再平整地缠绕在直管模具上，缠绕5层环向后，达到10mm的设计厚度。在60℃以上固化30分钟，树脂交联固化后，成为坚硬一体的热固性复合材料。
d)外防护层的制备：
在管道外面涂刷一层防水防腐较好的聚氨酯树脂，厚约0.5mm。
实施例6生产的管道经水压测试，短时失效压力达到4.0MPa，实测总厚度12.5mm，实测刚度达到42510N/m²，环向抗拉强力达到600KN/m，轴向抗拉强力达到520KN/m，高于聚氯乙烯和聚乙烯管道，达到玻璃钢管道的技术指标。实测管体材质比重为0.89，低于玻璃钢管的1.8～2.1。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。