管状纺织复合材料生产工艺及性能探讨.pdf

第2 7 卷第9 期 2 0 0 6 年9 月 纺织学报 J o u m a lo f7 r e 娟1 eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o 9 S e p 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 6 ) 0 9 0 0 3 6 0 4 管状纺织复合材料生产工艺及性能探讨 张淑洁，王瑞，张丽，王欢 ( 天津工业大学纺织学院，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要对应用于非开挖纺织翻衬修复技术中的管状纺织复合材料的织造工艺、压膜工艺与浸树脂工艺进行了研 究探讨。并对管状织物、纺织内衬软管与纺织内衬钢管的基本性能进行了测试，测试结果表明产品符合美国材料 和试验协会标准。对厚度指标，采用灰色理论对实验结果进行分析，建立了G M ( 1 ，2 ) 灰色预报模型，这样可通过工 程的需要由最终所需的纺织内衬钢管厚度来确定或者预报预成型件管状织物的厚度，对相关的研究和应用有一定 的参考意义。 关键词管状织物；工艺；纺织内衬软管；性能；灰色理论 中图分类号：髑3 3 2 ；I 斟 文献标识码：A R e s e a r c ho nt h et u b l l l a rt e 】嘣l ec o m p O s i t em a t e d a la n di t sp r O p e r t i e s Z H A N GS h u j i e ，W A N GR u i ，Z H A N GK ，W A N GH u a l l ( J 跏Z 矿融，咖P o 驰曲疵u 砌哪酊，砌彬，l3 0 0 1 印，c 讹) A b s 饥l c t强ep a p e rs t u d i e dt l l ew 洲n gp r o c e s s ，瑚l d i n gt e c h I l i q I l e 姐dI e s i nt 贼L t n 煳to ft h et u b l l l a rf 如d c c o I I l p o s i t em a t e r i a lf o rr e p a i l i n gt h et e 】c t i l el i I l i I 唱o fat u b eu n d e rn o n d i 艇j n go u tc o n d i t i o n s T h eb a s i cp m p e r t i e s o ft h et l l b u l a r 胁r i c ，n e x i b l et e x t i l el i n i n gh o s e 鲫【dr i 西dt e x t i l el i n i n gt u b ew e r et e s t e d ，锄di ti sf o u n dt h a tt h e t e s tr e “t sa r eu pt ot l l es t a I I d a r do f 皑I M ( A I 涮c a I ls t 锄d a I do ft e s t i n gI I l a t e I i a l s ) F 0 r t h e 山i c k I l e 鹪，i t a d 叩t sg r e yt l l e o r yt oa I l a l y z et l l et e s tr e s l l l t s ，s oi te s t 烈i s h e sG M ( 1 ，2 ) 铲e yf b I e c a s tm o d e l ，t h e nt l l l o u g ht h e t h i c k n e s s0 fr i 舀dt e 】【t i l el i l l i n gt u b e 唧i r e db ya ne n 百n e e I i n gw o d 【，t h e 州e lc a nd e t e n I l i n e 粕d o rf o r e c 鹊t t h et h i c k n e s so fp I e f o n n e dt u l “a r 鼬r i c hh a sc e n a i ns i 鲥f i c a n c ef o rf u t u I er e s e a I ha n d 印p l i c 砒i o n K e yw o r d s t u b l l l a rf 抽r i c ；p r o c e s s ；n e x i b kt e x t i l el i n i n gh o s e ；p r o p e r t y ；g r e y 出e o r y 随着增强复合材料的广泛应用，作为基材的管 状纺织复合材料加工业正在兴起。产品适用于某些 特殊场合，如工业用的轻薄多孔或紧密厚实的各类 管材、圆管形过滤布、无缝包装袋、医学上的人造血 管等。 采取非开挖手段减少管网改造带来的负面影响 是城市建设以及现代生活的必然趋势，正是在这样 的社会背景下，管道非开挖纺织翻衬修复技术应运 而生。国外管状纺织复合材料应用于管道修复技 术已比较成熟，一般采取机织方法织造纺织内衬管。 1 9 9 8 年底北京天环燃气有限公司引进了德国 A M E x - 2 0 0 0 管道非开挖纺织翻衬修复技术，但引进 成本高。于是有许多管道修复公司开始仿制该类产 品，但由于对管道修复所用的纺织内衬管、防渗膜、 树脂及三者的复合工艺在理论上没有一个深入与系 统的研究，在实际翻衬过程中容易出现复合纺织内 衬管塌陷、开裂等情况。一些公司采用缝合无纺毡 作内衬材料，但强力、弹性不能满足翻衬要求。本文 在现有管道修复技术的基础上，研究开发了无接缝 纺织复合内衬管，解决了目前同类产品存在的整体 性能差，耐压和承载能力低，翻衬时容易产生褶皱， 工艺路线长，成本高等问题。 1 管道非开挖纺织翻衬修复技术简介 管道非开挖纺织翻衬修复技术是指在不开挖地 表的条件下，采用纺织纤维材料制成管状织物，对其 进行防渗膜涂层和树脂浸渍处理，然后采用翻转法 收稿日期：2 0 0 5 一l l 2 1修回日期：2 0 0 6 0 4 一1 8 作者简介：张淑洁( 1 9 7 6 一) ，女，博士生。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期张淑洁等：管状纺织复合材料生产工艺及性能探讨【3 7 】 利用气压或水压使之翻转紧贴在旧管道内壁上，热 固成型后形成内壁光滑的复合纺织内衬钢管，从而 形成对旧管道的维护与修复幢J 。图1 为管道非开挖 纺织翻衬修复技术示意图。该技术中涉及到的管状 织物采用了管状双层组织，纱线相互交织或者交叉， 并且沿着多个方向取向，外形为管状。纺织内衬软 管是由管状织物经压膜后形成的适合翻衬的柔性软 管。纺织内衬钢管是用纺织内衬软管浸完树脂后固 化形成的刚性管，以“管中管”的形式衬在管道内部。 本文的管状纺织复合材料是指应用于管道翻衬修复 技术中的管状织物、纺织内衬软管与纺织内衬钢管 的统称。 图1 管道非开挖纺织翻衬修复技术示意图 2实验部分 2 1 材料及性能 管状织物采用的材料是线密度为1 4 4t e x ，断裂 强力为1 0 8 7 5N ，断裂伸长率为4 0 3 8 ，捻度为 7 7 捻m 的高弹锦纶纱线；防渗膜采用低密度聚乙 烯( L D P E ) ，是高压下乙烯自由基聚合而获得的热塑 性塑料，L D P E 具有良好的性能：无臭，无味，无毒，透 明，化学惰性强，密封能力好，易于加工成型，且采用 L D P E 制作的薄膜具有良好的抗撕裂性、强度、曲挠 性、密封性以及缓慢的气味扩散性和化学稳定性。 低密度聚乙烯膜的厚度为0 3m m ，断裂伸长率大于 4 0 ，软化点为1 2 0 ；热固性树脂采用不饱和聚酯 树脂3 3 0 1 ，具有良好的耐酸性、一定的耐碱性和较 好的综合力学性能和耐温性能，能满足内衬管的复 合与修复要求，其固化剂为2 。过氧化苯甲酰，与树 脂的质量混配比为1 0 0 ：1 4 ，促进剂为24 二甲基苯 胺液，与树脂的质量混配比为1 0 0 ：1 1 。 空辅助成型( V A R I ) 工艺，采用的是2 x z 一4 直联型旋 片式真空泵。 2 3 试样制作 2 3 1织造工艺 织造工序：整经一穿综一穿筘一织造。 2 3 1 1 整经设要织造的管道直径是d ，那么 织物的下机幅宽L = 7 c d 2 。设织物的织缩率为 。，上机幅宽为( 1 一o ) 。设所采用的钢筘号 为埘，则整经时所需要的经纱根数为此 1 0 ( 1 一 口) 。 2 3 1 2 穿 综 采用管状平纹织物组织，因为织 物两侧还有特线，所以综框为5 片。穿综原则：浮沉 规律相同的经纱穿入同一页综片，不同交织规律的 经纱分穿在不同的综页内。 2 3 1 3 穿筘由于准备织造的织物是管状织 物，所以需要在经纱两侧加上特线，以免两侧经密过 大。穿筘的时候，要求特线一筘一人。 2 3 1 4 织造首先梳理经纱并固定两端，然后 进行织造。采用的是消极式的手动卷曲和送经机 构。采用常规的打纬工艺织造的织物密度较大，为 了使内衬软管有一定的弹性，织物的纬密要适当的 小一些，故打纬时纬纱之间需留有一定的间隔。 2 3 2 防渗膜复合 上模温度为1 5 0 。因为锦纶在1 5 0 时加热 1h 其强度就会下降6 0 ，为了减少锦纶性能的损 伤，塑料制品液压机的下模不加热。压膜时间为 3s ，压膜时间较短也是为了防止高温对锦纶织物性 能的损伤。压膜结束后，在1 8 的温度下冷却，冷 却时间为4h 。 2 3 3 树脂浸渍 对纺织内衬软管和树脂体系先进行真空( 表压 为0 9 5M P a ) 处理，其目的是为了消除树脂中的气 泡，脱走纤维之间和纤维表面吸附的气体，以利于树 脂对纤维的浸渍，减少基体内部包裹的气泡。在真 空状态下，将树脂流入装有纺织内衬软管的真空袋 中并且漫过内衬软管。内衬软管的尺寸为 6 0 0r 砌×3 0 0m m ，树脂浸渍时间为4 0m i n ，然后撤掉 真空，并对整个系统进行加压以利于树脂进一步对 内衬软管的浸润。然后在1 8 的温度下进行固化 成型，固化时间为1h 。 2 ·2 设备及仪器 3性能测试与分析 采用C S w 一0 3 型电脑织样机进行织造；压膜采 用珊1 4 5 A 型塑料制品液压机；浸渍树脂采用真导致内衬管损坏的主要原因是拉伸破坏，主要 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 【3 8 】纺织学报第2 7 卷 涉及纺织复合材料内衬管的厚度、轴向和周向的弹 性与断裂强力等物理指标，因此本文主要对试样 进行厚度测试与拉伸实验。 3 1 厚度测试与分析 采用Y G l 4 1 型织物测厚仪分别对管状织物、纺 织内衬软管与纺织内衬钢管进行厚度测试。同一组 实验均在样品的同一点上测试5 次取平均值，6 组 测试结果见表1 。 表1 样品的厚度值咖 由于试样的测试数据相对来说较少，为了能够 建立比较适用的模型推测出压膜前管状织物的厚 度，本文采用灰色系统理论n 1 建立G M ( 1 ，2 ) 灰色预 报模型，以便根据工程所需的纺织复合内衬钢管的 厚度尺寸，预报出压膜前管状织物的厚度。 设X = ( 戈o ( 1 ) ，菇o ( 2 ) ，戈o ( n ) ) 为因 素x 。的行为序列，D ：为一次累加生成算子( 记为 1 一A G O ) ，其中 t 戈( 矗) d ：y 菇( i ) ( 矗：1 ，2 ，n ) ( 1 ) 蠢1 则称X o D 2 = ( 戈o ( 1 ) d 2 ，z o ( 2 ) d 2 ， 戈( n ) d ，) 为一次累加生成算子序列。 紧邻均值生成序列。在G M 建模过程中，常用 紧邻信息的均值生成，这是以原始数据序列为基础 构造新序列的方法，其处理方法如下： 设序列x = ( 菇( 1 ) ，戈( 2 ) ，戈( n ) ) ，紧邻均 值生成数为 z ( J i ) = 0 5 z ( 七) + 0 5 戈( 七一1 ) ，( 七= 2 ，3 ，n ) ( 2 ) 则称z = ( z ( 2 ) ，z ( 3 ) ，石( n ) ) 为紧邻均值生成 序列。 3 1 1G M ( 1 。N ) 模型 模型的建立过程： 1 ) 设x ：m = ( 算：( 1 ) ，珂：们( 2 ) ，髫：( n ) ) 为 系统特征数据系列，而 墨们= ( 搿：( 1 ) ，髫：( 2 ) ，菇( n ) ) x = ( x ，( 1 ) ，菇，( 2 ) ，菇? ( n ) ) 为相关因素序列，x ：D 为石：的l A G o 序列( i = l ，2 ，) ，z ：D 为x ：”的紧邻均值生成序列，记 曰= 一z i ”( 2 ) 一彳：”( 3 ) 一z ：1 ) ( n ) 一菇i ”( 2 ) 一戈i 1 ) ( 3 ) 一* ：1 ) ( n ) y = 菇i ( 2 ) 戈：( 3 ) 戈：( n ) 一茗譬( 2 ) 一菇0 ( 3 ) 一戈2 ( n ) ( 3 ) ( 4 ) 龙：o ) ( j ) + o z 纵而) = 6 i 石；1 ) ( 五) ( 5 ) 五五 式( 5 ) 为G M ( 1 ，N ) 模型，其中，o 为系统发展系 数；6 i 称为驱动系数；三= 口，6 ：，6 ，6 。 7 称为参 数列。参数列的最小二乘估计满足 三：( 曰曰) _ 1 B l r( 6 ) 警+ 僦：¨：吣“岫h + 岫譬，( 7 ) 称式( 7 ) 为G M ( 1 ，N ) 模型的白化方程。白化方 程的解为 茁1 ( t ) = e “ 戈1 ( o ) 一t 6 ；石叭o ) + f = 2 塞弦I ) ( 小】 ( 8 ) 2 ) 当x ：”的( i = 1 ，2 ，) 变化幅度很小 时，可视6 ；菇：¨( 后) 为灰常量，则G M ( 1 ，N ) 模型 的近似时间相应式为 未：1 ) ( I | 2 + 1 ) = ) ( 1 ) 丢芝岫：1 ) ( 矗+ 1 ) ) e 一+ 1 _ 】v 去6 ；茗 1 ) ( 后+ 1 ) ( 9 累减还原式为 主：( 尼+ 1 ) = 五 D ( 后+ 1 ) 一未 1 ( 而) ( 1 0 ) 式中的曼：0 ) ( | | + 1 ) 即为灰色预报模型的结果。 3 1 2 预报结果及分析 实验中纺织复合内衬管为相关因素序列，管状 织物为特征序列，依此建立G M ( 1 ，2 ) 灰色模型。根 据样品的实验结果分别建立灰色模型，其结果见 表2 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期张淑洁等：管状纺织复合材料生产工艺及性能探讨【3 9 】 表2 管状织物厚度预报模型及其结果 将表2 中根据G M ( 1 ，2 ) 预报的第6 组试样的厚 度与实际测试厚度的结果比较发现，灰色模型能够 很好地反映出该产品在加工处理过程中所使用的最 初产品的厚度。 3 2 强力与弹性分析 管状织物的性能最终影响产品的性能，翻转施 工时，将管状织物与防渗膜复合完毕后再浸渍树脂， 然后在树脂固化之前翻转进入原管道内，这时，带有 防渗膜的内衬软管的断裂伸长率、断裂强力至关重 要，为此对压膜后纺织内衬软管及管状织物与树脂 固化后的纺织内衬钢管进行了拉伸实验。试样夹距 1 0 0m m ，拉伸速度2 0 0m I I l I I l i n ，试样长度2 0 0m m ，试 样宽度2 5m m ，实验次数为5 次，实验温度1 8 ，湿 度5 0 。结果见表3 。 表3 拉伸性能测试结果 由表3 的实验数据可得如下结论： 1 ) 纺织内衬软管经压膜以后，其经向和纬向的 断裂强力均有下降，这主要是由于压膜温度为 1 5 0 ，而锦纶在等于或超过1 1 0 时，强力下降，但 这并不影响其翻衬。 2 ) 纺织内衬软管经压膜以后，其经向和纬向的 断裂伸长率均有所增大，这主要是防渗膜的贡献。 对于纬起绒内衬软管来说，其断裂伸长率的增幅尤 其突出，正好符合翻衬工艺对内衬软管的弹性要求。 3 ) 管状织物经压膜以后形成的纺织内衬软管 强力虽然暂时有所降低，但浸树脂后形成的纺织复 合内衬钢管强力却大大增加，这是由于树脂固化后 增加了其刚性。相对而言纺织内衬钢管的弹性大幅 度降低。由于在实际应用中，树脂固化后，翻衬作业 基本完成，纺织复合内衬钢管已经以“管中管”的形 式衬在管道内部，此时对其只有强力的要求，对其弹 性基本无要求，因此实验结果符合工程要求。 4 ) 美国材料和试验协会标准A S T MF1 2 1 6 2 0 0 2 对复合纺织内衬钢管的基本性能提出了要 求b 1 ，见表4 。本文研制的复合纺织内衬钢管的性 能完全符合该标准的要求。 表4A s l MF1 2 1 6 2 0 吆标准的要求 4结语 管状纺织复合材料应用于非开挖翻衬管道修复 技术，拓宽了管状纺织复合材料的应用领域。本文 采用纺织方法制作一次成型无接缝内衬软管，保证 了软管的整体性，避免了翻转施工时的接口开裂。 纺织内衬管较国内非织造内衬管的弹性大，具有延 展性和防破裂性能，更适应翻衬法。采用灰色理论 建立了管状织物厚度G M ( 1 ，2 ) 灰色预报模型，该模 型能够很好地预报出在修复过程中所使用的最初管 状织物的厚度，这对将来的研究和应用中有一定的 指导和借鉴意义。 参考文献： 1 牛松山国外管道内修复技术及我国翻转内衬( c I P P ) 修复工艺的发展 J 管道技术与设备，2 0 0 3 ，2 2 ( 2 ) ：2 2 2 4 2 孙跃平，何善采用现场制作内衬塑料管进行地下管 道非开挖修复I c P 技术 J 非开挖技术，2 0 0 4 ，2 1 ( 2 ) ： 1 3 9 1 4 3 3 A s T MF1 2 1 6 2 0 0 2 ，s t a n d a r dP h c f j c ef o rR e h a b j l j t a t i o no f E x i s t i n gP i p e l i n e sa n dC o n d u i t sb yt h eI n v e r s i o na I l dC u r i n g o faR e s i n I m p r e g n a t e dT u b e s 4 刘思峰，郭天榜，党耀国，等灰色系统理论及其应用 M 第2 版北京：科学出版社，1 9 9 9 1 0 2 1 3 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark