专利名称：用于输送和/或存储液体和气体介质的复合产品及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种由塑料制成的增强多层产品，用来输送和/或存储液体和气体介质，还涉及生产这种产品的方法。
背景技术：
现有技术已知使用塑料产品特别是像管子、缸和各种储藏器来存储和输送各种液 体和气体。这种产品一般被制造成以便在其中存储/输送的液体和/或气体介质接触一层 聚烯烃材料，一般是聚乙烯或聚丙烯。这些材料很适合于制造这种层，因为它们的特征是 对液体/气体具有特别高的不渗透性，对大多数侵蚀性介质不起反应，和低的流体动力学 阻力，不会在其上形成固体沉积，且对环境是安全的。然而，所述聚烯烃材料的强度不够高，限制了其对内部介质压力和外部机械作用 (特别是能破坏管子的那些)的阻力。因此，在广泛使用的聚乙烯品牌PE63，PE80和PE100 中，MRS (最小所需强度)指标分别是6. 3Mpa,8. OMPa和10. OMPa0这样低的强度允许在内 部操作压力不超过12atm的情况下使用聚乙烯管子，同时，其管壁厚度大约是管子直径的 0. 1。因此，现有技术广泛使用的是制造增强的多层形式的这种产品。这些增强产品 (管子等)包括至少两层一个聚烯烃材料的内部层，适于如上所述接触所输送的液体/气 体(密封层)；以及一个外部增强或承载层，其赋予所述产品强度，并且提供保护功能。通 常，也可提供一个或者多个中间层，它们通过形成一体的复合产品结构为所述内层和外层 提供结合。因为增强材料的强度能使聚烯烃(特别是聚乙烯)的强度增强一个数量级，从而 可显著减小密封层的厚度。以这种方式生产的管子具有高强度、运输安全性、可修复性，且 能显著降低材料量和成本(对聚乙烯管子来说质量减少70%、成本减少50%)。同时，保留 了上面所列的和涉及使用聚烯烃作为与所存储/输送介质接触的密封层的所有优点。然而，生产相似的多层结构涉及到一些困难。因此，已知一种制造复合管子的方法(US No. 3886024C1，1975年5月27日)，该方 法包括分别制造管子的内层和外层，将聚合物引物层施加在组合壳层的匹配表面上，并凝 固引物层。然而，凝固外鞘在高温下进行(高达177°C )，导致所生产的管子具有较差的可修 复性和较低的可靠性。还已知一种生产复合管子的方法(RU专利No. 209676 Cl，1997年11月10日)，该 方法包括在心轴上安装聚乙烯型坯管，在该型坯管上面施加sevilene层，卷绕玻璃纤维材 料，随后通过热处理产生聚合以及冷却。然而，在这种方法的实施过程中，聚乙烯型坯管膨胀导致型坯壁沿轴向的稳定性 损失，并且在绕卷和聚乙烯型坯之间形成间隙，这会在玻璃纤维材料聚合时导致管壁不均勻。此外，已知一种生产复合管的方法，该方法包括在心轴上安装聚烯烃(聚乙烯)型坯管，在该型坯管上面施加sevilene层，卷绕玻璃纤维材料，随后通过热处理产生聚合和 冷却，并移走完工的管子。在该方法的实施过程中，型坯管的内直径小于心轴的直径，型坯 管过盈配合地安装在心轴上，或首先使型坯管的直径大于心轴直径，且间隙配合地安装在 心轴上，然后被保持直至达到紧密结合(RU专利No. 2150629 Cl，1998-10-19)。把特征进行比较，最后这种方法是和本发明最接近的方法。但是，这种方法也有缺 点，因为sevilene层与玻璃纤维之间的结合性较低。聚烯烃的线性膨胀系数比玻璃纤维高 两个数量级。因此，在正温度下，内部聚烯烃层的膨胀向外部玻璃纤维层施加压力。在负温 度下，内层直径减小导致其从外层剥离，结果管子结构产生分层。所述情况会缩短管子的使 用期限，并降低其可靠性。另外，鉴于需要将型坯安装在心轴上、在加热炉内热处理管子，并从心轴上将其移 走，所以已知的方法比较消耗劳力，且在最后的操作中会使管子分解。
发明内容
本发明的目的是提供生产产品的方法，其允许生产这样一种产品，特别是管子，能 提高其在较宽的温度范围内的工作寿命，并简化其工艺。通过生产复合管子的方法实现了上述技术效果，该方法包括以下步骤把 sevilene层施加于管状聚烯烃型坯(其进一步形成内部层)上，卷绕复合聚合物材料的 外部层(其进一步形成承载层)，随后对其进行聚合，还增加一个附加步骤。该附加步骤 为在卷绕所述复合聚合物材料之前，在sevilene层上放置纤维结构，该纤维结构能使由 sevilene覆盖的密封层和承载层有效粘合，并且所述纤维结构被加热至sevilene层的熔 化温度。同时，为了实现本发明，所选择的纤维结构对密封层上的sevilene覆层和形成承 载层的复合聚合物材料都具有良好的粘合性。除了管子以外，当使用相应形状的聚烯烃半成品时，可以使用相似的方法生产用 于输送和/或存储液体和气体的其它复合产品，例如各种容器、储藏器、缸等。本发明还涉及用于输送和/或存储液体和气体介质的复合产品，该产品包括聚烯 烃内部密封层；包覆到该内部密封层上的sevilene层；聚合的复合材料的外部承载层；和 由纤维结构形成的附加层，该纤维结构对包覆密封层的sevilene层和形成承载层的复合 聚合物材料都具有良好的粘合性，并设置在sevilene层和聚合的复合材料层之间。所述产品可根据上述本发明方法制造。同时，可选择不同的材料作为外部承载层， 这取决于产品使用性能的需要。因此，考虑外部层所选择的材料来选择纤维结构的附加层。
图1是表示本发明管层结构的管子的横截面。
具体实施例方式根据本发明的产品的内部密封层由聚烯烃组成。术语“聚烯烃”具有通常公认的 含义，即涉及使用已知的烯烃单体均聚和共聚方法生产的聚合物。特别地，被广泛使用的聚烯烃的典型代表是聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚-4-甲基-1-戊烯。也可以使用由取代烯烃单体制成的聚合物，例如PVC (聚氯乙烯)和ABS (丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚 物)。本发明优选使用聚乙烯和聚丙烯。为实现本发明的目的，原则上可以使用任何已知品牌的聚乙烯和聚丙烯。例如，根 据 GOST 16338-85 和 TU 6-5-1983-87 (例如由 JSC “Kazan，orgsintez” 生产)的聚乙烯 PE63 和根据 TU6-11-00206368-25-93 (例如由 JSC "StavropoIpolimer"生产)的聚乙烯 PE80就很合适。也可以使用进口的聚乙烯PElOO。所需的管状或其他形状的半成品可以使用本领域已知的标准成型方法生产，例如 压力模制、压铸、挤出、在旋转机器上模制以及在标准设备上以不同外形的平带卷绕。也 可以使用工业化生产的半成品。例如，“Borodino-Plast”公司(Mozhaisk，莫斯科地区)、 JSC “Evrotrubplast” (莫斯科)和“Rotoplast”公司(Mytischi，莫斯科地区)生产的半 成品就很合适。将层(覆层)直接施加于半成品形式的内部密封层上所用的sevilene是乙烯和 乙酸乙烯酯的共聚物，即它属于聚烯烃，其中，一部分单体是取代烯烃。sevilene的这种成 分使其与不同材料的粘合性增强，包括根据本发明sevilene层与内部密封层之间很好的 粘合。乙酸乙烯酯的含量不同，sevilene的种类就不同，乙酸乙烯酯含量可以从5%至 30% wt0 Sevilene在工业上被广泛生产，特别是根据TU-6-05-1636-97在法国生产的根据 乙酸乙烯酯含量不同而不同的五种基本的sevilene品牌。Sevilene的一个重要应用领域是用其生产热熔胶。这种胶不包括溶剂，且在室温 下是固体，同时它们以熔融的形式使用。基于sevilene的热熔胶的适宜使用温度取决于乙 酸乙烯酯的含量，并可以从70°C至200°C。例如，根据TU 6-05-1636-97 由 JSC “Sevilene” (Kazan，)生产的 sevilene 适合 本发明的目的。本发明用来制造外部承载层的复合聚合物材料是由两种或更多成分构成的材料， 其主要成分是至少一种增强纤维和将它们结合起来的基体。原则上，在本领域都知道适合本发明目的的这种复合材料。合适的材料具有高强 度和高刚度的特性，且具有低密度。对不同类型的复合聚合物材料及其生产方法的描述可在例如“Handbook of
composites” 中找至Ij，由 George Lubin 编写，1982 年由 Van Nostrand Reinhold 公司出版 。不同类型的增强纤维可用在本发明的复合聚合物材料中，特别是前面所述来源 中描述的那些材料。根据本发明，适用的主要类型的增强纤维是玻璃纤维、玄武岩纤维 (basalt fiber)、碳纤维和芳纶纤维。玻璃纤维可以是不同品牌的，具有不同含量的硅(例如60%至75% )和其它金属 元素的氧化物。连续玻璃纤维是采用传统方法由石英砂熔体和其它添加剂制得的，特别是在拉丝 机上从玻璃熔体中通过钼拉丝模拉伸玻璃纤维。工业上生产的玻璃纤维的品牌及其工业生 产方法在例如上述“Handbookof composites”中描述。
适用于根据本发明的复合聚合物材料的是，例如俄罗斯生产的BM-I (VM-I)、ΒΜΠ (VMP)、PBMH(RVMN)、Y Π-68 (UP-68)、y Π-73 (UP-73)品牌的玻璃纤维，以及美国生 产的品牌E，S，S-994玻璃纤维。玄武岩纤维属于由矿物原料制得的无机化学纤维。它们的成分以及特性与玻璃纤 维接近，也已广为人知和广泛采用。生产它们的方法也和生产玻璃纤维的方法相似。合适 的玄武岩纤维可以是例如品牌P1-9 (RB-9)和？1-12(1 -12) (TU023. 007-89)的纤维。同样是本领域已知的还有碳(石墨)纤维，由石墨晶体结构(不同的排序程度)形 成。公认的碳纤维生产工艺是以热处理(900°C -3000°C )碳含量很高的有机纤维为基础， 特别是水化纤维素纤维、聚丙烯腈纤维、浙青纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、 聚对苯基纤维以及其它。不同碳纤维的特性及其生产方法可以在前述手册和其中指出的出 版物中查到。适用于本发明的是例如品牌BMH-3(VMN-3)、BMH-4(VMN-4)、“Kulon”、 JI y-2 (LU-2)、JI y -3 (LU-3)、JI y -4 (LU-4)、JI y -15 (LU-15)、3 Jl y P (ELUR)(俄罗斯生 产)、Tornel-300、Tornel-400、Tornel-600、Magnamit、M40、M70 (美国生产)、“Toreika”(日 本生产)的碳纤维。芳纶纤维是芳族聚酰胺纤维。它们通常是通过在低温下缩聚二胺和二羧酸卤化物 的方法生产的，例如通过缩聚对苯二甲酰氯和苯二胺(Kevlar纤维)。根据已知的技术纺制 纤维，特别是根据“干-湿法”从强酸溶液纺制。关于芳纶纤维及其生产方法更详细的描述 可以从上述手册中找到。特别适用于本发明的纤维品牌是BHM MB JIOH(VNIIVL0N)、APMOC (ARMOS)、 Py CAP (RUSAR)、CBM(SVM)(俄罗斯生产)；Terlon、Kevlar-29、Kevlar-49 (美国生产)， "Arenka"(荷兰生产)。结合基体是生产本发明复合聚合物材料的另一必须成分。不同的聚合物树脂 被用来生产所述基体，主要有环氧树脂、聚丁二烯树脂、酚醛树脂和聚酰胺树脂。现有技 术的来源中特别是前述手册及其引用的出版物中公开了不同类型的适合结合剂。特别 地，本发明的复合聚合物材料中，可以使用树脂ED-10、ED-20(法国生产)、Polypol例如 Polypol-385( 土耳其生产)、壳牌公司(荷兰)生产的树脂等。在结合树脂的聚合(固化)过程中，它们将增强纤维彼此结合，并形成整体的复合 材料。当受温度或聚合催化剂影响时，可实现树脂的硬化。特殊的聚合方法、所用的反应剂 和方法的操作方式都是已知的(例如可在前述手册中找到)。基于不同纤维和用于结合纤维的树脂的复合材料具有高强度和刚度且具有低密度。同时，这样生产的复合材料的特性取决于用于它们中的增强纤维的类型和性质。 因此，与含有玻璃纤维的复合材料相比，含有碳纤维(碳塑料carboplastics)的复合材料 具有高强度、增强的弹性模量和冲击强度。而含有芳纶纤维(有机塑料organoplastics) 的复合材料在断裂应变下具有增强的强度，在较小的断裂应变下具有最小的密度，且在全 部所考虑的复合材料中具有最小密度。玄武岩塑料(basaltplastics)的优点是这种增强 纤维的成本低，同时保持玄武岩塑料的承载层的可接受的物理_化学特性。用于生产附加层的纤维结构是基于与如上所述用作承载层的复合聚合物材料中的增强纤维类似的纤维来生产的，该附加层用于提高密封层(被sevilene包覆)与承载层 之间的结合力。特别地，这种结构可以基于玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维或芳纶纤维。因此，适用于本发明纤维结构中的纤维品牌与前述用于复合聚合物材料的增强纤 维的那些纤维品牌相一致。上面列出的纤维使用已知的技术加工成粗纱、细线、编织物、织物和其它纺织半成
<formula>formula see original document page 8</formula>根据本发明最适用的纤维结构是加捻线(yarno)、编织物、网、带和织物。在生产根据本发明的产品时，首先将sevilene层施加在内部密封层上。如上所 述，sevilene的成分决定sevilene层与本发明产品的内部聚烯烃层的良好结合。然后，将本发明的纤维结构施加到以鞘形式沉积的sevilene层上，例如，这种施 加可通过卷绕线、带、织物或其它合适的结构来实现。然后，所述纤维结构被加热至熔化sevilene层的温度。Sevilene具有与所使用的纤维之间的高粘合性，并且加热至使sevilene熔化的 温度将为纤维提供粘合性sevilene并且使sevilene熔体渗入纤维结构，结果在纤维结构 层与sevilene之间提供了良好的粘合性。然后，施加(例如卷绕)形成承载层的复合聚合物材料，并对其实施聚合。使用本 领域已知方法通过温度(热处理或热固化)或聚合催化剂(冷固化)来进行聚合。聚合后的复合材料很好地与纤维结构的中间层结合，因为该中间层包括的纤维类 型与作为增强纤维包括在复合材料成分中的纤维相同。优选地，复合材料和纤维结构的纤 维是相同类型的纤维。因此，使用纤维材料的该中间层能够显著增强整个产品中所有层之间的粘合性， 因此显著提高其工作性能，并且最重要的是将温度范围极限拓宽到至少-70°C至+60°C。根据本发明所生产的产品首先是输送液体和气体介质的管子。此外，根据本发明， 可生产存储和/或输送液体和气体介质的缸或储藏器。在此，所用的术语“缸”指的是容 器，其中所述介质在高压下被容纳，而术语“储藏器”是指在接近于大气压的压力下装有介 质(主要是液体)的容器，如瓶子、罐、水箱等。下面介绍根据本发明制备产品的实施例，用于说明本发明而非限制其范围。实施例1 管状聚乙烯型坯在端部固定在卷线机的致动机构中。在型坯管旋转过程中，卷绕 区由特殊的半月形支撑，这样可防止在型坯上施加后续层的过程中型坯下垂，特别是在卷 绕时由带应变在型坯上产生压力时。sevilene层2施加到形成管子内部层1的所述型坯管上，然后结合玻璃纤维带 (层3)。同时，在卷绕过程中，通过喷灯火焰或热风在70°C -100°C加热型坯，直至sevilene 熔化。在施加了玻璃纤维层后，线、编织物、带或织物形式的复合玻璃纤维材料的层4卷 绕在所生产的型坯上。然后，所生产的管子经受热处理，该热处理的温度和时间参数由玻璃纤维中所用 结合剂的固化条件来决定。 结果，含有玻璃纤维承载层的复合管子就被生产出来了。
实施例2 使用与实施例1所述的类似方法，但是使用聚合催化剂的冷固化代替热处理来固化层4。结果，含有玻璃纤维承载层的复合管子就被生产出来了。实施例3 使用与实施例1所述的类似方法，但是使用玄武岩塑料材料代替玻璃纤维材料来 形成层4。结果，含有玄武岩塑料承载层的复合管子就被生产出来了。实施例4 使用与实施例1所述的类似方法，但是层4使用碳塑料材料，以代替热处理玻璃纤 维材料。结果，含有碳塑料承载层的复合管子就被生产出来了。实施例5 使用与实施例1所述的类似方法，但是层4使用具有芳纶增强纤维的有机塑料材 料来代替玻璃纤维材料。结果，含有有机塑料承载层的复合管子就被生产出来了。实施例6 根据所要求保护方法生产的管子样品，长6m，直径0. 315m,具有厚4. 9mm的聚乙烯 PE63密封层，测试其静态强度、循环强度和热力学强度。在流体静力学测试中，复合管子承载3. OMPa的流体静压和管子的破坏压力。在复 合材料(玻璃纤维)为下列特性断裂强度420MPa、弹性模量24GPa下，发现管子在10. 2MPa 被破坏。通过内部流体静压从3. OMPa工作压力的0到100%变化来加载进行循环测试。循 环次数为500。然后实施用于破坏的流体静力学测试。破坏压力值为lO.OMPa。对鞘的热力学测试是这样进行的将鞘冷却至_50°C暴露4小时，然后再加热至 50°C也暴露4小时。这种循环次数为50。此外，在测试之后鞘在_70°C暴露16小时。在经 受所述测试的管子样品中，没有发现分层。上述测试证实了密封层与承载层之间的粘合强度。总之，所进行测试的结果表明本发明的产品，特别是管子，适用于住房维修、公用 基础设施、油气管道以及下水道系统的管子。
权利要求
一种生产复合产品的方法，所述产品用于输送和/或存储液体和气体介质，并且所述产品至少包括内部密封层和外部承载层，该方法包括下列步骤将sevilene层施加在形成所述内层的聚烯烃型坯管上；在所述sevilene层上放置纤维结构，该纤维结构具有与覆在密封层上的sevilene层以及形成承载层的复合聚合物材料之间的良好粘合性，因此在所述密封层和承载层之间提供有效的结合，随后将所述纤维结构加热到sevilene层的熔化温度；随后，卷绕用来形成承载层的复合聚合物材料，并实施聚合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的型坯管由聚乙烯制成。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的型坯管由聚丙烯制成。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合聚合物材料从包括玻璃纤维、有机 塑料、碳塑料和玄武岩塑料的组中选择。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维结构的纤维从包括玻璃纤维、芳纶 纤维、碳纤维和玄武岩纤维的组中选择。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维结构是线、编织物、网、织物或带。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合聚合物材料是玻璃纤维，并且所述 纤维结构中的纤维是玻璃纤维。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合聚合物材料是有机塑料，并且所述 纤维结构中的纤维是芳纶纤维。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合聚合物材料是碳塑料，并且所述纤 维结构中的纤维是碳纤维。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合聚合物材料是玄武岩塑料，并且 所述纤维结构中的纤维是玄武岩纤维。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所生产的复合产品从包括管子、容器和缸 的组中选择。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所生产的复合产品是管子。
13.一种用于输送和/或存储液体和气体介质的复合产品，它包括聚烯烃内部密封层；以壳形式施加到内部密封层上的sevilene层；由聚合的复合材料制成的外部承载层；和由纤维结构形成的附加层，其具有与覆于密封层上的sevilene层和形成承载层的复 合聚合物材料之间的良好粘合性，并且在所述密封层与承载层之间提供有效的结合，所述 附加层设置在所述sevilene层和所述可聚合的合成塑料材料之间。
14.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述密封层由聚乙烯制成。
15.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述密封层由聚丙烯制成。
16.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述合成塑料材料从包括玻璃纤维、有机 塑料、碳塑料和玄武岩塑料的组中选择。
17.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述纤维结构的纤维从包括玻璃纤维、芳 纶纤维、碳纤维和玄武岩纤维的组中选择。
18.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述纤维结构是线、编织物、网、织物或市O
19.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述复合聚合物材料是玻璃纤维，并且所 述纤维结构中的纤维是玻璃纤维。
20.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述复合聚合物材料是有机塑料，并且所 述纤维结构中的纤维是芳纶纤维。
21.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述复合聚合物材料是碳塑料，并且所述 纤维结构中的纤维是碳纤维。
22.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述复合聚合物材料是玄武岩塑料，并且 所述纤维结构中的纤维是玄武岩纤维。
23.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述复合产品从包括管子、容器和缸的组 中选择。
24.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述复合产品是管子。
25.如权利要求13-24任一所述的产品，其特征在于，所述产品由权利要求1所述的方 法制造。
全文摘要
本发明涉及一种增强复合产品，用于输送和/或存储液体和气体介质，其包括聚烯烃的内部密封层、施加在该内部密封层上的sevilene层、由聚合的复合材料制成的外部承载层和由纤维结构形成的附加层，该附加层为所述密封层和承载层提供有效的结合，且设置在sevilene层和复合聚合物材料层之间。所述纤维结构可由玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和玄武岩纤维制成。还公开了生产所述产品的方法。
文档编号F16L9/12GK101815891SQ200680031597
公开日2010年8月25日 申请日期2006年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者亚历山大·伊万诺维奇·帕纳科夫, 安德列·亚历山德罗维奇·格拉乔夫, 弗拉基米尔·斯捷潘诺维奇·维纳尔斯基, 瓦西里·弗拉基米罗维奇·马尔西诺夫斯基 申请人:弗拉基米尔·斯捷潘诺维奇·维纳尔斯基;安德列·亚历山德罗维奇·格拉乔夫;瓦西里·弗拉基米罗维奇·马尔西诺夫斯基;亚历山大·伊万诺维奇·帕纳科夫