管道复合耐磨功能层、耐磨管道内壁及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种管道复合耐磨功能层、耐磨管道内壁及其制作方法，属于管道及制作方法技术领域。
背景技术
玻璃钢管道因具有可设计、成型方便、耐腐蚀性好、重量低、寿命长等特点，目前被应用于流体输送领域。但因其耐磨损性能较低，而多应用于中小管径和输送纯净流体的石油化工管道，此类管道设计无需注重管壁耐磨性能，满足管道强度要求，管道材料达到防腐蚀要求，制作达到防渗要求即可。
对输送含有固形物流体，如含有砂、石及其它杂质的流体，固体颗粒将在流体带动下对管壁产生磨耗作用，破坏管壁，缩短管道的使用寿命，因此需要采用耐磨功能管壁以保障管道的安全使用。
以泵为流体增压源的管道，起始管道要承受液体因增压而产生水力压头的冲击。管道进出口处湍急水流有较强冲击力和涡旋力，威胁管道安全。泵在高速运转时可能产生空泡气蚀现象，气蚀对泵壳、叶轮、管道会带来轻重不同的损伤。曾经看到很多液泵、叶片损伤如蜂窝，管壁磨损如纸一样薄，连使用几年的不锈钢管道也看到管壁局部磨损达2～3mm情况。使用一段时间的泵也可能因为磨损产生气蚀，对管道安全带来威胁。
水利工程管道、城镇泄洪排水管道都是百年工程，水流含泥沙、石砾、杂物太多，严重磨损管道，因此必须研发耐磨管道。
复合耐磨功能层为一种多相复合材料，不仅应具有较强耐磨性能，亦应具有足够的强度和刚度，提高玻璃钢管道的使用寿命。
为了提高管道抗磨损、抗冲击能力和整体强度，并使其具有较强韧性，防止开裂，本申请提出一种管道复合耐磨功能层及耐磨管道内壁。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种管道复合耐磨功能层及其制作方法，目的之二在于提供一种耐磨管道内壁及其制作方法，以解决大中型管道、尤其是输送含砂砾、杂质流体管道的抗磨性能。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
管道复合耐磨功能层，其特征在于，以管道内壁表面为内侧，依次向外经树脂浸渍复合有多向编织纤维布耐磨增强层和轴向编织纤维布耐磨增强层；
所述多向编织纤维布耐磨增强层是由1～2层多向编织纤维布经树脂浸渍复合而成；
所述轴向编织纤维布耐磨增强层是由2～10层轴向编织纤维布经树脂浸渍复合而成；
所述树脂是由疏水性气硅、碳化硅微粉、双酚A乙烯基树脂混合而成的预交联固化混合耐磨微粉树脂。双酚A乙烯基树脂在自由基固化交联反应后形成不溶难熔的三维网状交联结构体，具有较好力学性能、化学稳定性和韧性，并且兼具耐腐蚀和抗水解的性能。疏水性气相二氧化硅（简称疏水性气硅），具有对树脂增稠、触变、增强、耐磨作用。通过疏水性气硅表面的羟基和树脂、单体碳化硅、玻璃纤维以及气硅之间形成氢键，构成三维网状结构。而疏水性气硅除了表面羟基外，主要依靠气硅表面经过改性的烷基之间缠绕构成三维网状结构。因此，复合耐磨功能层成形后是一种纤维增强、碳化硅增强、疏水性气硅增强的双三维网状交联共聚结构塑料。碳化硅微粉作为耐磨增强材料，其莫氏硬度大于9.2。
在树脂浸渍过程中，粒径相对小的碳化硅微粉伴随着树脂的浸渍渗入并附着于多向编织纤维布和轴向编织纤维布的纤维间隙内部，粒径相对大的碳化硅微粉在树脂浸后附着于多向编织纤维布和轴向编织纤维布的上下表面，固化后形成一层碳化硅微粉层。
所述多向编织纤维布为玻璃纤维多向编织布或碳素纤维多向编织布；所述轴向编织纤维布为玻璃纤维轴向布或碳素纤维轴向布，编织形式为单轴向布和双轴向布两种。
所述管道复合耐磨功能层的厚度由耐磨设计要求及使用寿命确定，一般设计为1.8～8.8mm。
所述多向编织纤维布与轴向编织纤维布全部采用碳素纤维编织材料，成型的复合耐磨层为碳＋碳化硅特种多相增强塑料，具有高强度、高硬度和耐磨、耐高温特性。可大幅提高管道强度与抗磨、耐高温性能，提高管道寿命。适用于输送流速快，冲击大，砂砾、石块较多流体的管道，也适合用于耐高温管道。
管道复合耐磨功能层的基本特征是：含疏水性气硅、碳化硅树脂同1～2层多向编织纤维布和2～10层轴向编织纤维布与附着于纤维表面的碳化硅微粉（细颗粒）反应生成多相增强双三维网状交联共聚塑料。
成形的耐磨功能层物理特性为不溶难熔的双三维网状纤维、碳化硅、疏水性气硅多相增强交联共聚结构塑料，具有高硬度、高强度、耐磨、耐温的特性。
管道复合耐磨功能层的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备混合疏水性气硅的树脂
在双酚A乙烯基树脂中加入疏水性气硅，所述疏水性气硅的加入量为双酚A乙烯基树脂质量分数的1.1～1.9%，充分搅拌均匀。
所述疏水性气硅粒径为12～16nm。
步骤二：制备混合耐磨碳化硅微粉的树脂
在混合有疏水性气硅的双酚A乙烯基树脂中加入碳化硅微粉，所述碳化硅微粉的加入量为双酚A乙烯基树脂质量分数的9～27%，充分搅拌后，再依次向内加入促进剂，搅拌均匀，加入固化剂，搅拌均匀后，获得预交联固化混合耐磨微粉树脂；
所述碳化硅微粉的莫氏硬度大于9.2；
所述碳化硅微粉包括目数为100的碳化硅微粉，其质量占比为60～70%，还包括目数为200的碳化硅微粉，其质量占比为30～40%。
步骤三：浸渍复合
将步骤一、二制得的预交联固化混合耐磨微粉树脂，在30～40分钟内，对每一层增强纤维布进行充分浸渍，使碳化硅微粉均匀附着布上下表面，逐层铺覆，用碾辊碾平每一层表面，并去除层间气泡，各层布铺覆完毕后，待树脂固化后，即形成纤维增强、碳化硅微粉增强及疏水性气硅增强的多相增强的双三维网状交联共聚塑料的复合耐磨功能层。
所述增强纤维布与混合耐磨微粉树脂的浸渍要求：按复合顺序将每一层增强纤维布逐层浸渍树脂，浸渍充分后，树脂中目数相对小的碳化硅微粉渗入增强纤维布的缝隙，充分提高纤维层间耐磨性，目数相对大的碳化硅微粉附着于增强纤维布的上下表层，形成一层树脂微粉层。
所述增强纤维布浸渍树脂含量为50%±2.5﹪，这里的树脂含量50%是质量比，是成形后的树脂质量与物体质量比。
所述增强纤维布包括1～2层的多向编织纤维布，以及2～10层的轴向编织纤维布；所述多向编织纤维布材料可以是玻璃纤维或碳素纤维；所述轴向编织纤维布采用的是单轴向布与双轴向布，根据材质选择的不同，可以是玻璃纤维轴向布或碳素纤维轴向布。
所述复合耐磨功能层的厚度依据流体介质情况、流速、管径、压力的不同进行设计，一般厚度设定为1.8～8.8mm。
一种耐磨管道内壁，其特征在于，包括耐磨功能层、防渗层和纤维结构层；
所述耐磨功能层是由树脂同1～2层多向编织纤维布层和2～10层轴向编织纤维布层复合而成；所述多向编织纤维布每层布纤维间隙内随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉，布上下表面随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉膜层；其上每一层的轴向编织纤维布纤维间隙内也随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉，布上下表面也随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉，和疏水性气硅、树脂固化后成为不溶难熔的多相增强双三维网状交联结构塑料体，具有高硬度，高强度，耐磨，耐温。
所述防渗层成型于复合耐磨功能层之上，以缝编毡为增强材料、疏水性气硅为增强材料与树脂交联反应制得的富树脂增强塑料层；
所述防渗层的制作是缠绕于耐磨功能层外表面的缝编毡充分浸渍含疏水性气硅树脂固化而成。缝编毡3层，树脂含量70%±2.5﹪，这里的树脂含量70%是指成形物与树脂质量百分比。以毡所含的富树脂量严密管道内外壁可能存在的针孔与微隙，防止管道渗漏。
所述疏水性气硅在树脂中的含量为0.8～1.1﹪。
所述防渗层的厚度大于1.2mm，控制缝编毡不少于3层，保证防渗效果。
所述缝编毡含有一定比例的经纱和纬纱，使毡层在经、纬方向上具有一定的强度，保证毡层制作时强度需求和工艺制造需求。
所述纤维结构层成型于防渗层外表面之上的，以连续玻璃纤维纱束为增强材料、疏水性气硅增强材料与树脂反应制得的增强塑料层。
所述纤维结构层的连续玻璃纤维纱束先充分浸渍含疏水性气硅树脂，然后以环形缠绕的方式在防渗层外缠绕一层，再以螺旋交叉缠绕的方式缠绕一圈，然后再以环形缠绕的方式缠绕一圈，如此交替缠绕，直至达到设计的层数及厚度要求。所述纱束层的缠绕层总数以及螺旋交叉缠绕纱束的螺旋角度依据管道压力、直径、工况等设计参数综合确定，确保内壁具有合理的综合性能，以抵抗复杂、交变、长期的流体水力冲击作用，提高管道的抗疲劳性能。
玻璃纤维纱束为盘卷而成的连续纤维，长度可达约300米长。通常几十卷纤维纱束可以一次完成一层管壁的缠绕，少有接头。浸渍树脂量基本恒定40﹪±2﹪左右，因此管道壁层力学性能好，成为纤维结构层。
所述疏水性气硅在树脂中的含量为0.7～0.9﹪。
本发明的管道复合耐磨功能层是一种多相复合材料，不仅具有较强的耐磨性能，亦具有足够的强度和刚度，从而提高玻璃钢管道的使用寿命。树脂选用自由基固化交联反应后可形成不溶难熔的三维网状交联结构体树脂。树脂中加入疏水性气硅，可通过气硅表面的羟基和树脂、单体以及气硅之间形成氢键，构成三维网状结构。而采用疏水性气硅除了气硅表面羟基外，还可依靠气硅表面经过改性的烷基之间相互缠绕构成三维网状结构，据此形成双三维网状共聚结构体。成形的耐磨层物理特性为不溶难熔的双三维网状纤维、气硅、碳化硅多相增强交联的共聚结构塑料，具有高硬度、高强度、耐磨、耐温的特性。本发明的复合材料耐磨功能层的管道内壁，其耐磨性比较普通玻璃钢提高数千倍。试验，耐磨管壳壁板可以磨削钢筋水泥、花岗岩石、钢材。如果纤维布选用碳素纤维其耐磨性相比普通玻璃钢将提高近万倍。管道内壁强度是普通玻璃钢管道的3倍左右。由于树脂选用的是双酚A乙烯基树脂。这种树脂在自由基固化交联反应后形成不溶难熔的三维网状交联结构体。而在树脂中加入疏水性气硅具有对树脂增稠、触变、增强、耐磨作用。并靠气硅表面的羟基和树脂、纤维、碳化硅形成氢键，构成三维网状结构。而疏水性气硅更主要依靠气硅表面经过改性的烷基之间缠绕构成三维网状结构。使成形管道内壁各组织层一体性好，内壁具有较好力学性能、化学稳定性和韧性，并且兼具耐腐蚀和抗水解的性能。因此，管道寿命是普通玻璃钢的5～7倍。适应制造大型水力工程管道，城镇大型泄洪水管道，也适于河道海底疏浚砂砾碎石输送管道。当纤维选用碳素纤维还可以制作耐高温管道。
附图说明
图1：实施例一的复合耐磨功能层结构示意图；
图2：实施例四的耐磨管道内壁层状结构示意图；
具体实施方式
下面就附图对本发明作以下详细说明。
实施例一
本实施例公开的是一种管道复合耐磨功能层的结构，以管道内壁表面为内侧，依次向外复合有2层多向编织纤维布耐磨增强层和4层轴向编织纤维布耐磨增强层。所述的2层多向编织纤维布耐磨增强层包括第一层多向编织纤维布耐磨增强层A1和第二层多向编织纤维布耐磨增强层A2。所述的4层轴向编织纤维布耐磨增强层包括第一单轴向编织纤维布耐磨增强层B1、第一双轴向编织纤维布耐磨增强层B2、第二单轴向编织纤维布耐磨增强层B3和第二双轴向编织纤维布耐磨增强层B4（见图1）。第一多向编织纤维布耐磨增强层A1、第二多向编织纤维布耐磨增强层A2、第一单轴向编织纤维布耐磨增强层B1、第一双轴向编织纤维布耐磨增强层B2、第二单轴向编织纤维布耐磨增强层B3和第二双轴向编织纤维布耐磨增强层B4的布纤维间隙内随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉，布上下表面随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉膜层wm（混合于树脂的碳化硅微粉附着在纤维布表面呈现微粉膜层）；
本实施例的单、双轴向编织纤维布耐磨增强层排布有利管道壁壳受力。轴向编织纤维布因为其纤维束呈椭圆形或圆形纱束，纱束缝隙大充填碳化硅微粉量多，抗耐磨效果好。椭圆形或圆形纱束树脂增强后抗弯曲、抗拉伸强度高。
实施例二
管道复合耐磨功能层的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：制备混合疏水性气硅的树脂
在双酚A乙烯基树脂中加入疏水性气硅，所述疏水性气硅的加入量为双酚A乙烯基树脂质量分数的1.4%，充分搅拌均匀。所述疏水性气硅粒径为12～16nm。
步骤二：制备混合耐磨碳化硅微粉的树脂
在混合有疏水性气硅的双酚A乙烯基树脂中加入碳化硅微粉，所述碳化硅微粉的加入量为双酚A乙烯基树脂质量分数的21%，充分搅拌后，再依次向内加入促进剂，搅拌均匀，加入固化剂，搅拌均匀后，获得预交联固化混合耐磨微粉树脂；所述碳化硅微粉的莫氏硬度大于9.2；所述碳化硅微粉包括目数为100的碳化硅微粉，其质量占比为60%，还包括目数为200的碳化硅微粉，其质量占比为40%。
步骤三：浸渍复合
将步骤一、二制得的预交联固化混合耐磨微粉树脂，在30～40分钟内，对每一层增强纤维布进行充分浸渍，使碳化硅微粉均匀附着布上下表面，逐层铺覆，用碾辊碾平每一层表面，并去除层间气泡，各层布铺覆完毕后，待树脂固化后，即形成纤维增强、碳化硅微粉增强及疏水性气硅增强的多相增强双三维网状交联共聚塑料的复合耐磨功能层。
所述增强纤维布与混合耐磨微粉树脂的浸渍要求：按复合顺序将每一层增强纤维布逐层浸渍树脂，浸渍充分后，树脂中目数相对小的碳化硅微粉渗入增强纤维布的缝隙，充分提高纤维层间耐磨性，目数相对大的碳化硅微粉附着于增强纤维布的上下表层，形成一层树脂微粉层。
所述增强纤维布浸渍树脂含量为50%，这里的树脂含量50%是质量比，是成形后的树脂质量与物体质量比。
所述增强纤维布包括1～2层的多向编织纤维布，以及多层的轴向编织纤维布；所述多向编织纤维布材料是玻璃纤维；所述多层轴向编织纤维布均为玻璃纤维，多层轴向编织布的铺敷是一层单轴向布，一层双轴向布，交替进行。
所述复合耐磨功能层的厚度为1.8～8.8mm。
实施例三
管道复合耐磨功能层的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：制备混合疏水性气硅的树脂
在双酚A乙烯基树脂中加入疏水性气硅，所述疏水性气硅的加入量为双酚A乙烯基树脂质量分数的1.6%，充分搅拌均匀。所述疏水性气硅粒径为12～16nm。
步骤二：制备混合耐磨碳化硅微粉的树脂
在混合有疏水性气硅的双酚A乙烯基树脂中加入碳化硅微粉，所述碳化硅微粉的加入量为双酚A乙烯基树脂质量分数的23%，充分搅拌后，再依次向内加入促进剂，搅拌均匀，加入固化剂，搅拌均匀后，获得预交联固化混合耐磨微粉树脂；
所述碳化硅微粉的莫氏硬度大于9.2；
所述碳化硅微粉包括目数为100的碳化硅微粉，其质量占比为70%，还包括目数为200的碳化硅微粉，其质量占比为30%。
步骤三：浸渍复合
将步骤一、二制得的预交联固化混合耐磨微粉树脂，在30～40分钟内，对每一层增强纤维布进行充分浸渍，使碳化硅微粉均匀附着布上下表面，逐层铺覆，用碾辊碾平每一层表面，并去除层间气泡，各层布铺覆完毕后，待树脂固化后，即形成纤维增强、碳化硅微粉增强及疏水性气硅增强的多相增强双三维网状交联共聚塑料的复合耐磨功能层。
所述增强纤维布与混合耐磨微粉树脂的浸渍要求：按复合顺序将每一层增强纤维布逐层浸渍树脂，浸渍充分后，树脂中目数相对小的碳化硅微粉渗入增强纤维布的缝隙，充分提高纤维层间耐磨性，目数相对大的碳化硅微粉附着于增强纤维布的上下表层，形成一层树脂微粉层。
所述增强纤维布浸渍树脂含量为50%，这里的树脂含量50%是质量比，是成形后的树脂质量与物体质量比。
所述增强纤维布包括1～2层的多向编织纤维布，以及2～10层的轴向编织纤维布；所述多向编织纤维布材料是碳素纤维；所述轴向编织纤维布采用的是单、双轴向布，轴向编织纤维布的材料为碳素纤维。
所述复合耐磨功能层的厚度为1.8～8.8mm。
实施例四
本实施例提供一种耐磨管道内壁的制作方法，具体包括以下步骤：
1、材料准备
按规定准备双酚A乙烯基树脂、粒径为12～16nm的疏水性气硅、100目和200目的碳化硅微粉、树脂固化用促进剂和固化剂、若干多向编织纤维布、单、双轴向编织纤维布；准备缝编毡；准备玻璃纤维缠绕纱；准备其他辅助材料和器具。
2、制作
2.1、管道模具清洁，贴脱模用聚酯膜。纱架放上缠绕纱辊。
2.2、将疏水性气硅按比例混入双酚a乙烯基树脂，并完全充分搅拌均匀。
2.3、将碳化硅微粉按比例混入加入疏水性气硅的双酚a乙烯基树脂，并充分搅拌均匀。
2.4、按比例向混合树脂加入促进剂、固化剂，并充分搅拌均匀，制得预交联固化混合耐磨微粉树脂。
2.5、复合耐磨功能层的制作
管道模具表面滚涂一层含有耐磨微粉的薄树脂，首层多向编织纤维布充分浸渍树脂，拉平缠绕在模具表面，用碾棍辗平布层表面，排除气泡，直至完成整段管道；如需两层立即进行下一层；单轴向编织纤维布充分浸渍树脂，立即缠绕在已完成布层表面，直至整段管道，用碾棍辗平布层表面，排除气泡；双轴向编织纤维布充分浸渍树脂，立即缠绕在已完成布层表面，用碾棍辗平布层表面，排除气泡；如需进行多层，应一层层连续做完。待树脂固化耐磨功能层制作完成。
2.6、防渗层制作
复合耐磨功能层制作完毕，产生凝胶后，可以开始防渗层制作（见图2）。
树脂按比例加入疏水性气硅，疏水性气硅加入量0.8～1.1﹪，完全充分搅拌均匀；再按比例加入促进剂搅拌均匀，加入固化剂搅拌均匀，制得预混合固化树脂；缝编毡充分浸渍树脂，拉平缠绕在耐磨功能壁层上，用碾棍辗平毡层表面，排除气泡，直至达到厚度大于1.2mm，层数不少于3要求。应严格控制树脂含量为70﹪±2.5﹪。
2.7、纤维结构层制作
防渗层固化后，树脂按比例加入疏水性气硅，疏水性气硅加入量0.7～0.9﹪完全充分搅拌均匀；再按比例加入促进剂搅拌均匀，加入固化剂搅拌均匀，制得预混合固化树脂；在防渗层上采用纤维纱束缠绕制作纤维结构层。纤维纱束浸渍树脂先环形在防渗层上缠绕一圈，再交叉缠绕一圈，然后再环形缠绕一圈，再交叉缠绕一圈，按此程序，自至所有纱束层缠绕完成并达到厚度要求。内壁制作完毕。
所述内壁包括耐磨功能层、防渗层和纤维结构层；其中，以管道内壁表面为内侧，耐磨功能层依次向外复合有2层多向编织纤维布耐磨增强层和4层轴向编织纤维布耐磨增强层。所述的2层多向编织纤维布耐磨增强层包括第一层多向编织纤维布耐磨增强层A1和第二层多向编织纤维布耐磨增强层A2。所述的4层轴向编织纤维布耐磨增强层包括第一单轴向编织纤维布耐磨增强层B1、第一双轴向编织纤维布耐磨增强层B2、第二单轴向编织纤维布耐磨增强层B3和第二双轴向编织纤维布耐磨增强层B4。第一多向编织纤维布耐磨增强层A1、第二多向编织纤维布耐磨增强层A2、第一单轴向编织纤维布耐磨增强层B1、第一双轴向编织纤维布耐磨增强层B2、第二单轴向编织纤维布耐磨增强层B3和第二双轴向编织纤维布耐磨增强层B4的布纤维间隙内随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉，布上下表面随着树脂浸渍附着有硬碳化硅微粉膜层wm（混合于树脂的碳化硅微粉附着在纤维布表面呈现微粉膜层）。
所述防渗层C成型于耐磨功能层之上，以缝编毡为增强材料、疏水性气硅为增强材料与树脂交联反应制得的富树脂增强塑料层；所述防渗层C的制作是缠绕于耐磨功能层外表面的缝编毡充分浸渍含疏水性气硅树脂固化而成。缝编毡3层，树脂含量70%±2.5﹪，这里的树脂含量70%是指成形物与树脂质量百分比。以毡所含的富树脂量严密管道内外壁可能存在的针孔与微隙，防止管道渗漏。所述疏水性气硅在树脂中的含量为0.8～1.1﹪。所述防渗层的厚度大于1.2mm，控制缝编毡不少于3层，保证防渗效果。所述缝编毡含有一定比例的经纱和纬纱，使毡层在经、纬方向上具有一定的强度，保证毡层制作时强度需求和工艺制造需求。
所述纤维结构层成型于防渗层C外表面之上，以连续玻璃纤维纱束为增强材料、疏水性气硅增强材料与树脂反应制得的增强塑料层。本实施例中的纤维结构层为四层，分别为第一纤维结构层D1、第二纤维结构层D2、第三纤维结构层D3和第四纤维结构层D4，所述纤维结构层的连续玻璃纤维纱束先充分浸渍含疏水性气硅树脂，然后以环形缠绕的方式在防渗层外缠绕一层，再以螺旋交叉缠绕的方式缠绕一圈，然后再以环形缠绕的方式缠绕一圈，如此交替缠绕，直至达到设计的层数及厚度要求。所述纱束层的缠绕层总数以及螺旋交叉缠绕纱束的螺旋角度依据管道压力、直径、工况等设计参数综合确定，确保内壁具有合理的综合性能，以抵抗复杂、交变、长期的流体水力冲击作用，提高管道的抗疲劳性能。玻璃纤维纱束为盘卷而成的连续纤维，长度可达约300米长。通常几十卷纤维纱束可以一次完成一层管壁的缠绕，少有接头。浸渍树脂量基本恒定40﹪±2﹪左右，因此管道壁层力学性能好，成为纤维结构层。所述疏水性气硅在树脂中的含量为0.7～0.9﹪。
3、试验
通过试验复合耐磨功能层可以磨削高标号钢筋混凝土、花岗岩、钢材。拉伸强度、弯曲强度是普通玻璃钢的约3倍。
