管道修復用滌綸/苧麻非織造復合材料拉伸強度

伏立松， 張淑潔， 王 瑞,2， 楊兆薇， 荊夢軻

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387；2. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

許多在役的大管徑、非壓力排污或排水管道因老化等因素會出現嚴重的裂縫、腐蝕穿孔、滲漏等受損現象，直接或間接地造成了巨大的經濟損失[1]。為降低經濟損失和保護水資源，迫切需要對受損的排水或排污管道進行修復。采用管狀滌綸非織造復合材料作為內襯管的翻襯修復法具有不開挖、不影響交通、不破壞環境等優勢[2]。目前，國內管狀滌綸非織造復合材料翻襯修復受損排污或排水管道才剛剛起步，還沒有相關的施工規范和工程質量驗收標準。國外此方面的研究主要側重于修復工藝、修復設備[3]，也制定出了一系列的標準可供參考，如ASTM F1743-17《采用現場固化熱固性樹脂管 (CIPP) 的現場拉制裝置修復現有管線和管道的標準實施規程》、ASTM F1216-16《通過樹脂浸漬管的倒置和硫化修復現有管線和管道的標準規程》等，但較少從理論上對管狀滌綸非織造復合材料進行系統的設計與研究。

近幾十年，石油資源的日益枯竭使得合成纖維的價格不斷上漲，人們迫切地需要用天然纖維來部分取代或完全取代合成纖維[4]。其中，苧麻纖維具有高比強度和高比模量等性能，能夠攜帶更多的樹脂與舊管內壁黏接，與樹脂結合的界面性能相比純滌綸非織造材料有所改善[5]，因此有相關學者制備了滌綸/苧麻復合材料用于非開挖修復受損的管道。閆丹等[6]采用三因素回歸旋轉設計方法制備滌綸/苧麻非織造復合材料，對比了實際制備與混雜理論下的滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度，發現實際拉伸強度與理論拉伸強度存在較大的誤差。羅凱等[7-8]對修復管徑較小的燃氣、給水等壓力管道的滌綸/苧麻機織物復合材料進行微觀形貌、接觸角、纖維抽拔、黏結強度等研究，發現滌綸/苧麻機織物復合材料在翻襯施工中可以攜帶更多樹脂與管壁黏合，解決管道內壁塌陷的問題。以上研究偏重于混雜纖維復合材料的性能特點，很少討論纖維混雜設計對滌綸/苧麻復合材料的拉伸強度產生的影響。

針對這些問題，本文利用復合材料混合定律和胡克定律建立了滌綸/苧麻非織造復合材料的理論臨界體積分數和拉伸強度的計算公式，制備了不同體積分數的滌綸/苧麻非織造復合材料，對其拉伸強度進行測試，得到臨界體積分數與拉伸強度的實驗值，找出與理論臨界體積分數及理論拉伸強度的相關性，從而證明滌綸/苧麻非織造復合材料的理論臨界體積分數和拉伸強度計算公式的可靠性，為翻襯修復排污或排水管道的管狀混雜纖維非織造復合材料的強度設計提供理論方法。

1 混雜理論

1.1 理論臨界體積分數

將滌綸與苧麻混雜制成的非織造復合材料簡化成為單層復合材料板問題，如圖1所示。

圖1 單層復合材料板模型Fig.1 single-layer composite board model

根據復合材料的混合定律[9]可知，復合材料的拉伸強度：

σcu=σfVf+σmVm

(1)

(2)

式中：Vf為纖維體積分數，%；Vm為基體體積分數(基體的體積分數為Vm=1-Vf)，%；σcu為復合材料拉伸強度，MPa；σf為纖維拉伸強度，MPa；σm為基體拉伸強度，MPa，λ為基體體積含量，%。

滌綸/苧麻非織造復合材料的強度設計要滿足管道工作內壓引起的縱、橫向應力[10]。

(3)

(4)

式中：σj、σw為滌綸/苧麻非織造復合材料的縱、橫向應力，MPa；P為管道工作內壓，MPa；D為管道內徑，mm；h為管道壁厚，mm。

設單向滌綸/苧麻非織造復合材料板寬度為單位1，滌綸與苧麻纖維層的纖維網厚度為d1、d2，基體厚度為dm，基體厚度dm與纖維體積分數有關，則有：

(5)

式中，V1為滌綸層占纖維層總體積的體積分數，%。

結合式(2)和(5)，滌綸、苧麻纖維層的纖維網厚度與基體厚度的關系為

dm=λ(d1+d2)

(6)

滌綸/苧麻非織造復合材料沿纖維方向Y單向拉伸，在拉伸載荷F作用下發生斷裂，得其平衡方程：

F=σ1d1×1+σ2d2×1+σmdm×1

(7)

式中：σ1為滌綸層拉伸應力，MPa；σ2為苧麻纖維層拉伸應力，MPa。

由胡克定律[9]得滌綸/苧麻非織造復合材料拉伸斷裂應變[10]ε：

σ1=E1εσ2=E2εσm=Emε

(8)

式中：E1為滌綸層拉伸模量，MPa；E2為苧麻纖維層拉伸模量，MPa；Em為基體拉伸模量，MPa。

結合式(7)和(8)，推導出滌綸、苧麻纖維層的拉伸應力：

(9)

設滌綸纖維層、苧麻纖維層、基體的斷裂應變分別為ε1a、ε2a和εma，且滿足：ε1a<ε2a<εma，若當拉伸載荷F增加到Fa時，滌綸層首先斷裂，即當F=Fa時，ε1=ε1a，σ1=σ1a，σ1a為滌綸層拉伸強度。根據式(9)，滌綸層斷裂的平衡方程為

(10)

式中：滌綸層斷裂后，苧麻纖維層和基體承擔拉伸載荷Fa。此時滌綸/苧麻非織造復合材料的平衡方程為

Fa=σ2d2×1+σmdm×1

(11)

若在拉伸載荷Fa作用下，苧麻纖維層也到達斷裂狀態，即ε2=ε2a，σ2=σ2a，此時滌綸/苧麻非織造復合材料不會發生二次斷裂。根據式(9)，苧麻纖維層斷裂的平衡方程為

(12)

將式(6)代入式(10)和式(12)，滌綸、苧麻纖維層斷裂的平衡方程為

(13)

翻襯修復受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復合材料不允許發生二次斷裂[11-12]。根據式(13)，滌綸/苧麻非織造復合材料不發生二次斷裂的臨界體積分數V1*為

(14)

1.2 理論拉伸強度

翻襯修復受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸斷裂情況可分為2種[6, 11]:

(15)

結合式(2)、(6)和式(15)，推導出簡化后的滌綸/苧麻非織造復合材料拉伸強度：

(16)

(17)

(18)

2 實驗部分

2.1 實驗材料及設備

實驗材料：苧麻纖維規格為 6.3 dtex×90 mm(安徽雨燕麻業有限公司)；滌綸規格為 1.56 dtex×38 mm(天津利爾達化纖制品廠)；R400-2 內襯環氧樹脂(天津合成材料工業研究所有限公司)，路博潤 58887 熱塑性聚氨酯(蘇州希珍塑化有限公司)。

實驗設備：電子天平(瑞安市英衡電器有限公司)，YG141型織物厚度測試儀(深圳市海濱儀器有限公司)，XFH型小和毛機(青島市膠南針織機械廠)，CUARNICARD型羅拉式梳理機(西班牙SABADELL)，SCZ-1150型針刺機(常熟無紡機械設備廠)，Y/TD71-45 A 型塑料制品液壓機(天津市液壓廠)，INSTRON 5969型萬能強力機(美國INSTRON)，Hitachi TM3030型臺式掃描電鏡(日本日立公司)。

2.2 滌綸/苧麻非織造復合材料的制備

滌綸與苧麻纖維以0、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%的體積分數混雜[13]，在小和毛機上混和開松，梳理機上成網，針刺機上以定量 600 g/m2、針刺密度為240刺/cm2的條件針刺，制成滌綸/苧麻非織造材料。溫度180 ℃，壓力4～6 MPa下液壓機熔融聚氨酯，壓力0.8～1.2 MPa下與滌綸/苧麻非織造材料復合16～20 s。定量 1 500 g/m2的環氧樹脂來手糊覆膜后的滌綸/苧麻非織造材料，于室溫下固化，制成滌綸/苧麻非織造復合材料。

2.3 測試方法

2.3.1 拉伸性能測試

為翻襯修復受損的大管徑、非壓力排污或排水管道，選用高強度、高模量的滌綸、苧麻纖維。參考ASTM D3379-75《高模量單絲材料拉伸強度和彈性模量測試方法》測試滌綸、苧麻纖維的拉伸強度和拉伸模量。隨機地在纖維束上截取一段，抽出單根纖維，施加一定的張力，使單根纖維橫向拉直緊繃在紙框上，單根纖維的兩端用膠黏劑粘好，干燥后將紙框垂直固定于萬能強力儀的上下夾具中，調試好儀器，剪斷紙框；單根纖維的測定長度為20 mm，拉伸速度為10 mm/min；測試30組，取平均值，為滌綸、苧麻纖維的拉伸強度和拉伸模量。

按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》測試滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度。拉伸試樣規格約為250 mm×25 mm(長×寬)，縱橫向各5個；采用美國INSTRON生產的萬能強力儀進行測試，拉伸試樣夾持距為150 mm，加載速度為5 mm/min。

2.3.2 形貌觀察

采用Hitachi TM3030型臺式掃描電鏡，觀察滌綸/苧麻非織造復合材料的縱橫向斷裂面微觀形貌。

3 結果與討論

3.1 理論臨界體積分數

由于非織造材料的纖維取向多元，混雜效應的隨機性比較大[14-15]，則采用單根滌綸、苧麻纖維的拉伸強度和拉伸模量模擬滌綸、苧麻纖維層的拉伸強度和拉伸模量，得到滌綸與苧麻纖維的臨界體積分數和滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸性能的變化規律。測試并計算后得到的滌綸拉伸強度σ1a為0.63 GPa，拉伸模量E1為 13.17 GPa；苧麻纖維的拉伸強度σ2a為0.48 GPa，拉伸模量E2為7.86 GPa；環氧樹脂的拉伸模量Em為2.96 GPa。假設纖維總體積含量Vf為0.6[13]，將以上數據代入式(14)中，通過計算可得高強滌綸與苧麻纖維的臨界體積分數為17.7%。根據式(16)～(18)可知，當高強滌綸體積分數不低于17.7%時，此時翻襯修復受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復合材料理論上不發生二次斷裂。

3.2 理論拉伸強度

根據上述的高強滌綸與苧麻纖維的相關性能數據，結合式(16)～(18)，可得到不同滌綸纖維體積分數的滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度，如圖2所示。

圖2 不同滌綸體積分數的滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度Fig.2 Theoretical tensile strength of polyester/ramie nonwoven composites with different volume fractions of polyester fiber

從圖2中可看出，滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度與滌綸纖維體積分數呈線性關系。當滌綸體積分數小于17.7%時，滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度隨著滌綸體積分數的增加而降低；當滌綸體積分數大于17.7%，滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度隨著滌綸體積分數的增加而增大；當滌綸體積分數等于17.7%，滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度最小。

3.3 結果驗證

3.3.1 滌綸/苧麻非織造復合材料拉伸強度

表1示出不同滌綸體積分數的滌綸/苧麻非織造復合材料拉伸強度的測試結果。可知：滌綸體積分數為20%的滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度是滌綸體積分數為0、10%、20%、30%、40%、60%、80%和100% 8個組別中的最小值，為42.69 MPa，從而表明臨界體積分數在滌綸體積分數20%附近。實驗得到的臨界體積分數在20%附近，與理論的臨界體積分數17.7%區別不大。結果表明，建立的新型滌綸/苧麻非織造復合材料臨界體積分數的計算公式具有較高的實用性。

表1 不同滌綸體積分數的滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度Tab.1 Tensile strength of polyester/ramie nonwoven composites with different volume fractions of polyester fiber

3.3.2 實驗值與理論值對比與分析

由表1發現：滌綸/苧麻非織造復合材料的實驗拉伸強度與理論拉伸強度的變化規律一致，即滌綸纖維體積分數未到達臨界體積分數時，滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度隨滌綸體積分數的增加而減小，到達臨界體積分數之后，隨滌綸體積分數的增加而增大，與不同滌綸體積分數對滌綸/苧麻非織造復合材料的理論拉伸強度的影響結論相同。

與此同時發現，滌綸/苧麻非織造復合材料拉伸強度的實驗值低于理論值。出現這一情況是因為在理論值計算當中將單根苧麻、滌綸的拉伸強度和拉伸模量模擬苧麻、滌綸層的拉伸強度和拉伸模量，未考慮苧麻、滌綸層的實際加工[16]。此外，樹脂浸潤纖維不全面也是導致同組其他滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度實驗值低于理論值原因之一。

3.3.3 臨界體積分數

為使翻襯修復受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復合材料不發生二次斷裂，進一步研究實驗得到的臨界體積分數，即滌綸體積分數約為20%。圖3示出滌綸體積分數為20%附近的滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度。可知，滌綸體積分數為18%的滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度值最小，為41.57 MPa。滌綸體積分數為16%、18%、20%、22%和24%的5個組別中拉伸強度相差不大，表明臨界體積分數在滌綸體積分數18%附近。同時考慮實際操作的便利，以及防止滌綸/苧麻非織造復合材料發生二次斷裂現象，將臨界體積分數設為滌綸體積分數20%更為合理。

圖3 滌綸體積分數為20%附近的復合材料拉伸強度Fig.3 Tensile strength of composites near 20% of volume fraction of polyester fiber

3.4 復合材料的微觀結構表征

圖4示出滌綸/苧麻非織造復合材料的縱橫向斷裂面形貌。

圖4 滌綸/苧麻非織造復合材料的縱橫向斷裂面形貌(×50)Fig.4 Longitudinal(a) and transverse(b) fracture morphology of polyester/ramie nonwoven composites(×50)

在拉伸實驗的過程中，滌綸/苧麻非織造復合材料表面的樹脂層首先產生裂紋，然后裂紋隨著拉伸強度的增加而逐漸增生擴散，并在很短的時間內復合材料發生斷裂。在滌綸和苧麻混雜的纖維層斷裂后，纖維從樹脂基體中抽拔出，可以觀察出斷口表面凹凸不平，纖維斷頭較多，表明大多數的滌綸、苧麻纖維承受了載荷。這種以裂紋沿纖維束擴展而拉斷的破壞模式與理論中假設的苧麻、滌綸層的拉伸斷裂破壞模式一致，證明滌綸/苧麻非織造復合材料的理論臨界體積分數和拉伸強度計算公式的可行性。

4 結 論

針對管道修復用滌綸/苧麻非織造復合材料在翻襯施工中易出現承壓不足等問題，提出利用復合材料混合定律和胡克定律建立滌綸/苧麻非織造復合材料的理論臨界體積分數和拉伸強度計算方法。

1)管道修復用滌綸/苧麻非織造復合材料的理論臨界體積分數為17.7%，此時的理論拉伸強度最小。

2)管道修復用滌綸/苧麻非織造復合材料實驗得到的臨界體積分數為20%，理論與實際的臨界體積分數區別不大，表明臨界體積分數的計算公式具有一定實用性；然而由于苧麻、滌綸層的實際加工，及樹脂浸潤纖維不全面等誤差原因，導致同組其他滌綸/苧麻非織造復合材料的拉伸強度實驗值比理論拉伸強度低。

3)管道修復用滌綸/苧麻非織造復合材料實驗得到的拉伸強度的變化規律與理論一致。即滌綸體積分數未到達臨界體積分數時，拉伸強度隨滌綸體積分數的增加而減小，到達臨界體積分數之后，隨滌綸纖維體積分數的增加而增大。

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