连续纤维增强热塑性塑料管的发展探索

□ 北京塑料工业协会 张玉川

 

　　近年来一种新型的增强复合材料——连续纤维增强热塑性塑料（CFRT）发展很快。CFRT中的增强材料是连续的同向高强度纤维，常用的是玻纤和碳纤维。基体材料是热塑性塑料，常用的有HDPE、PP、PA、PET，特殊要求用的有PPS、PVDF、PEEK等。CFRT的独特优点是高强度、高韧性、抗腐蚀、重量轻。目前应用最多的是航空航天、汽车、军工业，并逐步推广到石油天然气管道行业，特别是条件要求苛刻的海底用油气管道。我国企业已起步开发使用CFRT的增强热塑性塑料管RTP。我国的玻璃纤维产业发展已经很成熟，可以供应CFRT带材，所以本文主要介绍连续玻璃纤维增强热塑性塑料管（简称 CFRT-RTP）。

　　玻璃纤维增强热固性树脂管（玻璃钢管）早已得到广泛应用，但是CFRT-RTP近年才进入市场。国外石油天然气产业现在已经大量应用Flexpipe System等企业生产的CFRT-RTP产品，国内虽然先后也有一些企业探索开发但至今没有见到成熟的产品。当前来看，开发CFRT-RTP是有技术难题的，不能照搬玻璃钢的经验，也不同于生产金属增强的RTP。

 

一、CFRT-RTP的开发尚有难点

    1． 技术难题

    玻璃纤维原料丰富，成本低廉，又有相当高的强度，是很好的增强材料。玻璃纤维增强热固性树脂——玻璃钢早已就被应用于很多领域，玻璃钢管道不仅大量应用于城乡给排水，并大量应用于工业领域，是石油天然气领域内最早成功应用的非金属管道。其中一部分是短纤维增强（离心成型），一部分是连续长纤维增强（缠绕成型）。但是玻璃钢管存在一些缺陷，主要是热固性树脂韧性差、对于损伤的容忍性差，通常也不能制造成可盘卷的连续长管（国外有可盘卷的连续玻璃钢管，但是不普及）。此外，玻璃钢不能回收再利用。所以各国都在积极探索开发纤维增强热塑性塑料产品，包括CFRT-RTP。

    开发玻璃纤维增强热塑性塑料的难点在于如何使热塑性塑料与玻璃纤维结合。玻璃纤维是脆性的硅酸盐材料，玻璃纤维丝表面又是粗糙多缺口的，容易产生微裂纹，其耐磨性、耐折性、耐扭转性都较差。所以玻璃纤维必须预先经过浸渍，把玻璃纤维丝包覆在高分子材料中，避免玻璃纤维之间发生内摩擦或产生曲折，避免表面吸附水后加速微裂纹的扩展，避免受到腐蚀。热固性树脂在聚合前是低黏度的液态，所以浸渍玻璃纤维不难，但是热塑性塑料在热熔态也是高黏度的，因此难以用于浸渍玻璃纤维。

    国内有的企业探索过直接用没有预浸渍的玻璃纤维线（无捻粗纱）缠绕在热塑性塑料芯管上，再覆盖外层热塑性塑料制造增强热塑性塑料管RTP（类似制造钢丝直接缠绕增强RTP工艺）；或者先把没有预浸渍的玻璃纤维线与聚乙烯共挤成增强带再缠绕制管（类似制造芳纶纤维带缠绕增强RTP工艺），但制成的RTP性能不高且不稳定。原因在于没有良好预浸渍的玻璃纤维丝在制造和应用过程中因为互相摩擦或发生曲折而断裂破坏。当然玻璃纤维丝的生产时是做过表面处理的，通常涂覆浸润剂使原丝滑润，消除静电，减少水分侵蚀，并通过偶联剂使玻璃纤维和合成树脂的界面能够粘合。但是这种表面处理是不能代替预浸渍的。

    2．玻璃纤维增强热塑性塑料大部分不是用连续纤维

　　玻璃纤维增强热塑性塑料已经广泛应用于车辆、航空、造船、运动器材、电器、管道等领域，用量快速增长（高于玻璃钢）。增强的热塑性塑料包括各种通用塑料和工程塑料，但是大部分不是用连续的玻璃纤维，而是用短玻纤和长玻纤。例如德国KARH公司用缠绕法生产的大直径增强聚乙烯压力管就采用了短玻纤增强聚乙烯，我国有企业生产的稳态PP-R管中采用了短玻纤增强PP-R。

　　目前短纤维增强热塑性塑料（SFRT）应用最广泛。通常是把切成6～10mm的短玻纤和热塑性塑料在挤出机中混炼成含短玻纤的塑料颗粒，再通过挤出或注塑成型塑料制品。短玻纤增强热塑性塑料是在混炼中完成浸渍的，但是在这过程中玻璃纤维被进一步打断，最后的长度约0.2～1mm，因此增强的效果受到限制。SFRT中玻璃纤维含量通常在30%～50%。

　 长纤维增强热塑性塑料（LFRT）是近年开发的。常用的工艺是使玻璃纤维无捻粗纱通过特殊模头，同时向模头供入热塑性塑料，在模头中无捻粗纱被强制散开，受到熔融树脂的浸渍, 使每根纤维都包覆树脂, 经过冷却后切成10～25mm较长的粒料；粒料再通过挤出或注塑成型塑料制品。由于纤维完全被树脂包围, 因而在成型时纤维受的损伤降低，在最终制品中保持了较长的长度。LFRT中玻璃纤维含量通常在40%～70%。因为玻璃纤维长度较长，制品的力学性能较好，特别是冲击强度提高显著。

　   连续纤维增强热塑性塑料（CFRT）是20世纪70年代初开发的一种聚合物基复合材料。CFRT是采用特殊浸渍工艺，使制品中的纤维（玻纤、碳纤维等）保持在连续长丝和有序排列状态。CFRT最初多应用于航空航天、汽车和军工，因为性能优异成为各国竞相开发的热点，技术上进步迅猛，近年开始应用到管道领域。

 

二、生产工艺发展迅猛

1．浸渍工艺

　 多年来各国都在探索连续纤维预浸热塑性塑料的方法，主要有溶液浸渍工艺、粉末浸渍工艺、纤维混合工艺和熔体浸渍工艺。目前应用越来越多的是熔体浸渍工艺，中间产品是连续的薄片卷材，根据需要可分切成带材（以下称CFRTT，有的国外资料称其为UD Tape）。在厚度仅零点几毫米的连续带材中可以看到连续的玻璃纤维比较均匀地同向平行排列，完全包覆在热塑性塑料中。

　 国外生产CFRTT的企业有美国泰科纳（Ticona）、PMC Baycomp、Polystrand,Inc.、荷兰TenCate等。可喜的是，我国家得宝科技有限公司已经引进国外技术能够生产玻纤增强HDPE和PP的CFRTT。性能接近国外产品，如产品牌号JDB-CFRT-RTP PE EGF60的CFRTT是玻纤E-Glass增强PE带，玻纤含量70%，厚度0.28mm，宽度290mm，抗拉强度505MPa，拉伸模量25.7GPa，伸长率2.75%。

2．成型工艺

　 CFRT-RTP成型工艺通常采用增强带或混纤纱铺放/缠绕+层合，大多制成各层结合的RTP。英国Ridyway Machines Ltd（瑞奇威设备）等公司可以提供生产线，但目前无详细资料。国内已经有多家企业利用原有的RTP生产线（缠绕合成纤维增强带的和钢带的）试验CFRT-RTP（因为这些生产线上缠绕机少需要多次反复通过，效率很低）。据报道，已经做出的CFRT-RTP试样可以达到耐压要求，但是有些层间没有完善熔接。国内机械企业也在开发CFRT-RTP的专用生产线，目前已经投入试生产。  

    制造大直径的或少量特殊要求CFRT-RTP可以采用分管段的缠绕成型工艺。这和玻璃钢管工艺表面类似，在一个旋转的芯模（或衬管）上按照要求的布局往复缠绕CFRTT，并通过加热、加压使其完善熔合。现代用的工艺不是让增强带被缠绕拉动，靠增强带的张力实现熔接需要的压力，而是用一个计算机控制的铺放头主动喂入增强带，用喷热气或激光把增强带表面瞬时加热到熔点温度以上，再用压紧滚轮把增强带压合后喷冷空气冷却。

　　这种灵活高效的工艺和装备不仅用于制造管材类产品还可制造各种形状的产品，在国外通常称其为“带铺放机(tape placement machine)”，大部分是用于制造航空航天等领域的制品，如缠绕大型客机的筒形机身。美国Automated Dynamics公司介绍可以提供这种铺放设备，制造直径25～610mm和长度11m的管材。最近的技术动向是采用激光加热，因为能够速热速冷，不仅节能，还可以减少残余应力。

　 　国内企业正在采用分管段的缠绕成型工艺开发大直径增强聚乙烯压力管，已经试验了采用国内生产的CFRTT做增强缠绕材料。试制的第一个800mm试样在爆破试验中耐压达到2.5MPa，接近设计要求。成功开发大直径CFRT-RTP可指日可待，将推动塑料管进入广阔的大直径压力管市场。

　　此外，国外也有企业在探索生产CFRT-RTP的其他成型工艺，如日本积水化学公司试验采用狭条玻纤增强聚乙烯带经过编织成型的增强管。

 

三、国外已实现工业化生产

 　用CFRT制造增强热塑性塑料管的探索早有报道，但是到21世纪后才有企业大规模生产。最早是加拿大的Flexpipe Systems公司，该公司起初生产的是用连续玻纤粗纱增强的不结合RTP（可能采用混纤纱），至今已经销售了超过10000公里的管材到加拿大和美国的石油和天然气产业。最近该公司开发了采用CFRTT的产品（FlexFlow）,这是结合型RTP。

 　近年随着CFRT技术的发展出现了多个采用CFRTT 生产高压管材的企业（主要目标在石油天然气业）。以下简要介绍几个企业：

 　加拿大 Flexpipe Systems Inc.最近开发了CFRT制造的RTP，商品名FlexFlow。FlexFlow是全结合的结构，由聚乙烯衬管、缠绕的连续玻纤和聚乙烯护套组成。在制造中通过加热和压力使整个管结构完全结合。FlexFlow可以用增强的电熔管件连接。

 　美国TherCoil公司在航空业生产复合材料几十年，近年开始生产石油天然气工业用CFRT管，商品名为TCP。其核心技术是高效生产连续纤维增强带，纤维包括玻璃纤维、碳纤维等，塑料包括PE、PP、PET、PU、Nylon等。

    荷兰Airborne公司生产石油和天然气海上开采用的增强热塑性塑料管，尺寸范围为1～6英寸。增强材料是玻璃纤维或碳纤维，热塑性塑料包括PE、PP、PA和PVDF，结构是熔接完全结合的实壁管。纤维浸渍的塑料和芯管及护套的塑料相同。最突出的创新是深海采油用的“热塑性塑料复合立管（升流管）”（TCR)，其采用连续纤维增强，内孔光滑，抗腐蚀，重量轻，可以减少顶端张力60%，铺设更方便经济。

 　美国DeepFlex公司产品是非金属、不结合的挠性管，增强材料是不结合的、层叠的玻璃纤维带堆，直径2～16英寸，压力超过70MPa。和传统的金属挠性管相比，突出优点是重量轻，抗腐蚀。可以用在3000m以上的深海。

 　英国Magma Global公司的主产品商品名为m-pipe?誖，直径2～24英寸，由碳纤维和PEEK组成全部结合的单质结构。和金属挠性管相比，突出优点是抗腐蚀，重量轻，耐热，高抗疲劳性能，特别适用于深海采油。该公司还开发小直径管s-pipeTM，由碳纤维、玻璃纤维和PEEK组成。

 　美国Composite Fluid Transfer公司的商品名为Fiberflex-11，用于输水。外径为282mm，壁厚7.6mm，工作压力1.8MPa。该产品为全结合结构，内HDPE薄衬，缠绕连续玻纤增强聚乙烯带，外抗UV和磨损膜，采用卡环连接。突出的优点是重量轻和经济，特别适用于可移动的地面管道。

 

四、发展前景广阔

　 连续纤维增强热塑性塑料（CFRT）是近年各国材料创新的热点，其应用增长很快，特别是在汽车、航空领域。大量的研究成果必然推动其今后在管道领域的应用。

 　随着全球石油天然气产业蓬勃发展，特别是深海采油气的增长，对于高性能管道的需求越来越大，增强热塑性塑料管应用已经越来越普及，值得注意的是增强材料有更多采用非金属纤维的动向。CFRT-RTP已经在国内外很多油田成功应用，并正在进入长途油气高压输送管网，例如FlexPipe公司的CFRP-RTP已大量用在加拿大的天然气输配工程中。连续碳纤维增强的RTP可以达到更高的性能以满足深海管道的特殊要求，可能是今后发展的方向。我国的深海管道开发还刚起步，是否还沿着多层金属增强不结合结构的传统设计走尚需探讨。

   值得注意的是，以前国外RTP应用集中在中高压管道，近年开始探索应用于中低压管道。如美国CFT公司的Fiberflex-11直接以替代PE100管为目标，利用高强度优势显著降低重量，特别适用于野外铺设地面工矿管道。CFRT-RTP可以通过热塑性塑料的熔接做成完全结合的结构，因此可以用电熔管件连接也可以对接熔焊，抗腐蚀性能也比不完全结合的RTP更可靠，但是管壁薄抗外压性能差。

　 我国增强热塑性塑料管已经从孕育期进入增长期，但是CFRT-RTP目前还没有实现工业化生产。现在国内有了玻纤和CFRTT的供应，有了制造RTP生产线的经验，完全有条件根据市场的需要发展各种CFRT-RTP。建议可以从玻纤增强PE/PP的CFRT-RTP起步，逐步向碳纤维增强工程塑料的CFRT-RTP发展。国内现在已经有多种RTP在生产和应用，各有其特长和优势，都在不断发展之中。本文介绍采用CFRTT制造CFRT-RTP，并非认为其将替代其他RTP，而是希望引起对这种新技术产品的重视，使我国的RTP更好满足各领域发展的需要。