纖維增強(qiáng)HDPE承插式雙壁纏繞管是以高密度聚乙烯（HDPE）樹(shù)脂為主要原料，以不同型式的纖維作為增強(qiáng)材料，采用纏繞成型工藝，經(jīng)加工制成的結(jié)構(gòu)壁管材。

高密度聚乙烯（HDPE）是一種粘彈性熱塑性高聚物，是一種耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)的性能優(yōu)異的高分子材料，也具有蠕變和應(yīng)力松弛的特性。但是HDPE的質(zhì)地軟、彈性模量低，采用HDPE生產(chǎn)的塑料管材存在著力學(xué)強(qiáng)度低、耐熱性差、成型收縮率高、易發(fā)生蠕變或應(yīng)力松弛破壞等缺點(diǎn)。因此，需要對(duì)HDPE進(jìn)行增強(qiáng)、改性。

纖維具有許多優(yōu)良性能，如：強(qiáng)度和模量高、無(wú)蠕變、耐超高溫、耐疲勞性好、熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性、耐腐蝕性好等。使用纖維增強(qiáng)HDPE可獲得高模量、高韌性、輕量化等特點(diǎn)，如碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到3.6-3.8GPa。上海清遠(yuǎn)管業(yè)科技與上海交通大學(xué)合作攻關(guān)《纖維增強(qiáng)聚乙烯及HDPE雙壁纏繞管輕量化的關(guān)鍵技術(shù)》，成功開(kāi)發(fā)纖維增強(qiáng)HDPE承插式雙壁纏繞管。

   纖維增強(qiáng)HDPE承插式雙壁纏繞壁管與普通HDPE雙壁纏繞管相比，不僅保持了原有的產(chǎn)品特點(diǎn)，如壽命長(zhǎng)、安裝方便、連接密封性好、可抵抗地基不均勻沉降、施工不受氣候條件影響及施工周期短、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)等；還具有突出的力學(xué)性能，如高環(huán)剛度，在相同單重條件下，該種管材具有更高的環(huán)剛度等級(jí)（SN≥16，甚至于25以上），在相同環(huán)剛度等級(jí)下，該種管材所耗原輔材料更少，有效降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化；同時(shí)具有高環(huán)柔性、高抗沖擊、優(yōu)異的抗蠕變性、

抗環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性、耐高低溫沖擊等力學(xué)性能，尤其是對(duì)于大口徑塑料埋地排水管材而言，能有效地降低不規(guī)范施工及使用環(huán)境對(duì)管材使用壽命的影響，從而提高管道工程質(zhì)量的安全性。

纖維按成分可分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚酯纖維等，按形態(tài)和長(zhǎng)度可分為連續(xù)纖維束、連續(xù)纖維布和短纖維。不同的纖維形式，其增強(qiáng)、增韌機(jī)理與效果也不盡相同。圖（a、b）為纖維增強(qiáng)HDPE纏繞管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。盡管纖維增強(qiáng)HDPE纏繞管與非纖維增強(qiáng)HDPE纏繞管具有相同的環(huán)剛度，即管徑發(fā)生3%應(yīng)變時(shí)所需的應(yīng)力大小是相同的，但是繼續(xù)增加管材變形時(shí)兩者的應(yīng)力曲線則不再重合、各自分開(kāi)。選擇A種增強(qiáng)形式，線性纖維沿著管材纏繞方向鋪展開(kāi)來(lái)，不斷地吸收著變形所需的應(yīng)力，同時(shí)纖維與樹(shù)脂之間在微觀上發(fā)生了相對(duì)位移，出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象，直至70%形變時(shí)管材仍未破壞、斷裂，展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。選擇B種增強(qiáng)形式，經(jīng)緯交錯(cuò)的纖維猶如鋼筋骨架一般牢牢地嵌入在樹(shù)脂中，限制住了樹(shù)脂間的滑動(dòng)、松弛。管材從10%形變時(shí)表現(xiàn)出驚人的抵抗變形作用的能力。應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而不斷地增大，直至55%形變時(shí)發(fā)生破壞。

（a）纖維A增強(qiáng)HDPE管材壓縮測(cè)試	（b）纖維B增強(qiáng)HDPE管材壓縮測(cè)試圖

（a、b）  纖維增強(qiáng)HDPE管材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）纖維表面改性及纖維與HDPE的界面相容技術(shù)

纖維的表面改性效果越好，與樹(shù)脂基體的界面粘結(jié)作用越強(qiáng)，材料性能則越好，管材性能也隨之提高。為了能有效增強(qiáng)纖維與聚乙烯的界面相容性，通過(guò)在纖維表面引入具有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的高分子刷進(jìn)行表面修飾。高分子刷一端是可與纖維表面的Si-OH發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，另一端是則是嵌段共聚反應(yīng)獲得的樹(shù)形分子。高分子刷與纖維表面充分接觸并牢固地接枝反應(yīng)到纖維表面。一旦改性纖維以短纖維、連續(xù)纖維束或連續(xù)纖維布的形式加入到HDPE樹(shù)脂中，纖維表面高分子刷的“多手臂結(jié)構(gòu)”則會(huì)滲透進(jìn)入HDPE樹(shù)脂分子鏈中與樹(shù)脂分子鏈相互纏繞從而發(fā)揮出良好的界面粘結(jié)作用。

（2）纖維與聚乙烯“雙連續(xù)”亞穩(wěn)態(tài)分散技術(shù)

塑料的增強(qiáng)與增韌是對(duì)矛盾體，強(qiáng)度高往往韌性差，反之亦然。對(duì)管材而言，需要達(dá)到高環(huán)剛度、高環(huán)柔性、高落錘沖擊強(qiáng)度的目標(biāo)。本項(xiàng)目創(chuàng)新地提出了采用0維（短纖維）、1維（連續(xù)纖維束）、2維（連續(xù)纖維布）材料中的一種或者兩種組合對(duì)HDPE進(jìn)行增強(qiáng)增韌改性，借助于多層共擠出模具獲得了纖維與聚乙烯同時(shí)“雙連續(xù)”亞穩(wěn)態(tài)分散狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了纖維各向異性和各向同性的孿生存在。

（3）纖維增強(qiáng)聚乙烯母料擠出加工設(shè)備的設(shè)計(jì)、組裝高精技術(shù)

在螺桿設(shè)計(jì)方面，采用不同的螺桿組合對(duì)材料進(jìn)行加工。通過(guò)混煉元件和剪切元件的設(shè)計(jì)、組合，保證纖維在HDPE基體樹(shù)脂中的分散效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在模具設(shè)計(jì)方面，通過(guò)開(kāi)發(fā)多層共擠出機(jī)頭模具，使得纖維增強(qiáng)HDPE能同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)和增韌的效果。

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，共申請(qǐng)專利14項(xiàng)，覆蓋管材專用料、生產(chǎn)工藝及加工設(shè)備。本項(xiàng)目也獲得上海張江國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)發(fā)展資金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201411-JS-C104-006）的資助。

纖維增強(qiáng)HDPE承插式雙壁纏繞管是清遠(yuǎn)科技獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品。產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)、外領(lǐng)先水平，首次提出采用三種不同“分散維數(shù)”纖維增強(qiáng)形式的全新概念。產(chǎn)品于2016年6月通過(guò)了上海市建設(shè)科技推廣中心組織的“新產(chǎn)品新技術(shù)評(píng)估（鑒定）”。產(chǎn)品在市場(chǎng)得到較多地應(yīng)用，特別是用于大口徑埋地排水管道工程，用戶使用反映良好，產(chǎn)品獲得2020年度上海市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

FR-HDPE纖維增強(qiáng)承插式高密度聚乙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁管參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《埋地用聚乙烯（PE）結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng)  第2部分：聚乙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁管材》GB/T19472.2-2017。經(jīng)過(guò)幾年的應(yīng)用，在市場(chǎng)上得到了很好效果，已經(jīng)被錄入上海市工程建設(shè)規(guī)范《埋地塑料排水管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ08-308-2018。

FR-HDPE纖維增強(qiáng)承插式高密度聚乙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁管不僅實(shí)現(xiàn)了HDPE雙壁纏繞管的輕量化，突破了大口徑HDPE雙壁纏繞管在高環(huán)剛度（SN16～SN40）上的技術(shù)瓶頸并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品空白，而且增加了大口徑塑料管材的使用安全性。

FR-HDPE纖維增強(qiáng)承插式高密度聚乙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁管的技術(shù)參數(shù)要求和質(zhì)量遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品而言，最大的優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)方面。為進(jìn)一步提高該項(xiàng)目產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可通過(guò)規(guī)?；?jīng)營(yíng)，降低產(chǎn)品單位成本，向市場(chǎng)提供性價(jià)比更大的產(chǎn)品，是今后排水、排污工程的發(fā)展趨勢(shì)，產(chǎn)品具備廣闊的市場(chǎng)前景。