城鎮排水管渠原位固化內襯管樹脂浸漬特性研究

石東優，張 軍，曹井國,?，楊宗政,，董澤樟，張大群

（1.重慶克那維環保科技有限公司，重慶401147；2.天津科技大學 化工與材料學院，天津300457；3.天津水工業工程設備有限公司，天津300070）

非開挖技術是一種新型管道修復技術，具有開挖量小、無接口、費用低、壽命長等優點，近年來在城鎮排水管道維修中被廣泛應用。非開挖管道修復施工方法有穿插法、原位固化法（CIPP）、碎（裂）管法、折疊內襯法、縮徑內襯法、螺旋纏繞法、局部修復法和噴涂法等[1～4]，其中原位固化法（CIPP）因質量易控制、操作簡單、適應性廣，在城鎮排水管道修復中的應用越來越多。原位固化法（CIPP）是將浸透樹脂的內襯管作為管道內襯材料，形成一層堅硬的“管中管”，使地下管道在原位得到修補和更新，其修復質量取決于內襯管與樹脂浸潤的效果。

在浸漬過程中，內襯管基材與樹脂基體要經過接觸、浸潤[5]。內襯管基材與樹脂之間的浸潤直接影響固化管的各項性能，浸潤與黏附作用好，界面黏結強度就高[6～7]；如果浸潤與黏附作用差，界面出現空隙，黏結界面應力傳遞差，成為應力集中點，就會導致內襯管各項性能變差。因此，對內襯管基材與樹脂基體間的浸潤與黏附作用研究，有助于理解不同內襯管固化性能差異，提高原位固化法（CIPP）修復管道質量。

前期試驗發現，真空度對內襯管及樹脂的浸漬速率產生較大影響[8]，不同廠家的內襯管材料浸潤效果差異很大。在此基礎上，本文基于樹脂及內襯管材料自身的特性（包括表面張力、黏度及表面能），在不同溫度下測定樹脂與內襯管材料接觸角、黏附功，對比分析了3個廠家內襯管材料與樹脂的浸潤、黏附作用相關規律，以期為原位固化法（CIPP）內襯管選材、運用及研究提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

3種滌綸材質的無紡布內襯管材料；Z455TV-901不飽和環氧樹脂、TXC叔丁脂（催化劑）及PX16（固化劑），使用質量比100∶1∶0.8。見表1。

表1 不同內襯管無紡布材料參數

T/CECS 559—2018《給水排水管道原位固化法修復工程技術規程》規定，內襯管主材的抗拉強度應＞5 MPa。3種材料單位質量厚度相近，國產A無紡布的抗拉強度優于國產B和進口C無紡布，但均能滿足使用要求。

1.2 試驗方法

1.2.1 內襯管與樹脂的浸潤

內襯管一端插入真空管，兩端密封，開啟真空泵，達到設置真空度，一端繼續抽真空，另一端打開密封膠帶，灌入配制好的樹脂，待內襯管浸潤飽和。

1.2.2 固化試驗流程

內襯管充填樹脂→扎口→固定在翻轉架上→常溫水翻轉→循環水加熱、樹脂固化→切樣檢測。

1.2.3 表征方法

采用Sigma 701全自動表面張力儀測試樹脂表面張力，檢測臨界感應值為2 mg，測試速度為0.2 mm/s。

基于座滴法[5]，采用DSA30全自動接觸角測定儀測試樹脂與纖維前進接觸角，檢測臨界感應值為0.15 mg，測試速度為0.01 mm/s。

纖維表面、色散及極性分量采用IGC[9]間接測定，用甲烷測量死體積，載氣為氦氣，流速為10 mL/min，探針箱溫度35℃，柱溫箱溫度30℃，相對濕度為0。在注射探測液體小分子之前，先對樣品預處理30 min，除去表面吸附的雜質。

用TH-060型土工布測厚儀測定無紡布厚度，孔隙率參考文獻[10]進行測定；使用美國BROOKFIEL博力飛DV-III黏度計測試樹脂黏度；按照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，采用CCMT 4503萬能電子拉力機進行抗拉強度測量；按照GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能的測定》進行彎曲強度和彎曲模量測試。

1.3 無紡布與樹脂表面能及黏附功計算

無紡布與樹脂的表面能和黏附功分別采用Owens-Wendt-Kaelble法和Young-Dupre法計算得到。

Owens-Wendt-Kaelble法[11～14]是1969年Owens and Wendt在Foukes法的基礎上考慮極性部分。理論方程為

Young-Dupre法[15～16]是Dupre在Young方程的基礎上推導得到黏附功Wa與接觸角θ之間的關系

式中：γLV為樹脂表面張力；θ為樹脂與無紡布接觸角。

2 結果與討論

2.1 不同廠家內襯管與樹脂浸潤速率

對3種內襯管與樹脂在不同真空度下浸潤速率進行了研究。國產A、國產B及進口C 3種內襯管無紡布的孔隙率相差不大，隨著真空度的升高，浸潤速率加快；在相同真空度下，進口C的浸潤速率優于國產A及國產B。見表2。

表2 不同真空度下內襯管的浸潤速率

工程實踐中，內襯管絕對真空度越高，說明無紡布內所含氣體量越少；在浸潤過程中，樹脂與內襯管無紡布表面分子充分接觸、鏈段間能夠相互擴散，形成良好界面。

2.2 溫度對樹脂黏度及表面張力的影響

黏度是流體黏滯性的一種量度，是流體流動力對其內部的摩擦現象；根據Darcy定律可知，樹脂在增強無紡布中的流動速率隨黏度的增大而減小，在其他變量一致的情況下，浸潤速率與樹脂的黏度成反比。Z455TV-901樹脂及Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的黏度都隨溫度的升高而降低，有利于樹脂與無紡布間的浸潤。見圖1。

圖1 樹脂及樹脂體系的黏度隨溫度的變化曲線

作為潤濕現象中的一個重要物理量，在樹脂與無紡布浸潤過程中，樹脂的表面張力越小，越有利于浸潤。相同溫度下Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的表面張力均比Z455TV-901樹脂低，見圖2。

圖2 樹脂及樹脂體系的表面張力隨溫度的變化曲線

這是由于樹脂體系的表面張力與其各自的化學組分密切相關，如：分子間的相互作用力；同時，小分子、低密度的固化劑，在熱運動作用下自發的從能量高的位置遷移到能量低的位置，改變了Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的表面熵和表面內能，最終導致表面張力降低[5]。

2.3 無紡布表面能對比

測出小分子液體與無紡布絲束接觸角，見表3。

表3 小分子液體與無紡布的接觸角

3種小分子液體的表面張力、色散及極性分量見表4。

表4 小分子液體的表面張力、色散及極性分量mN/m

將表3和表4檢測的結果代入式（1），計算得出3種無紡布的表面能大小關系：進口C＞國產B＞國產A。見表5。

表5 3種無紡布的表面能、其色散及極性分量mN/m

常溫下Z455TV-901樹脂的表面張力高于Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的表面張力，因此，常溫條件下Z455TV-901樹脂和Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系對進口C的浸潤性較好。從浸潤熱力學角度分析，要獲得良好的表面浸潤和界面粘接性能，要求樹脂的表面張力應低于無紡布的表面能，而且無紡布的表面能越高，越有利于浸潤[9]；因此，進口C無紡布與樹脂的浸潤效果優于國產A和國產B無紡布。

無紡布的極性和色散分量也反映了分子鍵的極性與非極性相互作用，他們的大小同樣會對樹脂和無紡布的界面粘接產生一定影響[17]。

2.4 溫度對無紡布與樹脂接觸角的影響

為進一步研究不同溫度下樹脂與無紡布的浸潤特性，采用座滴法[5]對樹脂與無紡布的接觸形態進行分析。接觸角是衡量液體對固體浸潤能力的一個重要指標，是潤濕程度的量度，液體對固體潤濕程度可用接觸角表示。

在20～80℃條件下，樹脂與無紡布束的表觀接觸角隨溫度的升高而減小，這主要是樹脂表面張力和黏度隨溫度的變化導致[18～19]。隨著溫度的升高，樹脂的表面張力減小，樹脂對無紡布束的接觸角也減小，接觸角越小越有利于樹脂與無紡布的浸潤，因此升溫（未發生固化反應）可以有效改善樹脂與無紡布的浸潤性；相同溫度下3種無紡布與Z455TV-901樹脂的接觸角大于與樹脂體系接觸角，這是因為固化劑小分子的加入導致樹脂體系黏度和表面張力降低，改善了樹脂對無紡布的潤濕性[20]；相同溫度范圍內，進口C無紡布與樹脂的接觸角小于國產A和國產B無紡布與樹脂的接觸角，進口C無紡布與樹脂的浸潤效果優于國產A和國產B無紡布。見圖3和圖4。

圖3 不同溫度下樹脂與國產A無紡布束接觸角的初始形態

圖4 不同溫度下樹脂和樹脂體系與無紡布的接觸角

2.5 溫度對無紡布與樹脂黏附功的影響

熱力學黏附功是表征界面結合能力強弱的一種熱力學量度，是用來研究復合材料無紡布/基體界面粘接強度的重要參數；熱力學黏附功越大，界面粘接強度越高[21]。

在試驗范圍內，3種無紡布與Z455TV-901樹脂的黏附功均隨溫度的升高而逐漸增大，當溫度達到60℃以后，黏附功變化趨于平緩，與圖1和圖2對應的黏度和表面張力變化趨勢相一致，因此60℃以后，表面張力和黏度不是影響黏附功的主要因素。在固化反應并未發生前Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系與3種無紡布的熱力學黏附功以40℃為界線，40℃之前隨溫度的升高有明顯的增大，40℃以后趨于平緩。隨著溫度升高,小分子PX16固化劑極易遷移至體系表面，導致體系的表面張力降低，促進無紡布/樹脂體系間的黏附性。進口C無紡布與樹脂的黏附功高于國產A和國產B無紡布，進口C無紡布與樹脂的黏附性強于國產A和國產B無紡布；此外，3種無紡布與樹脂體系的黏附功低于相同溫度下與樹脂的黏附功；從黏附和擴散理論角度來分析，只有樹脂與無紡布表面分子充分接觸、鏈段間能夠產生相互擴散時[22]才能獲得較大的黏附強度，當樹脂中加入小分子固化劑后，樹脂體系中懸浮顆粒增多，導致樹脂連續相組分與無紡布表面活性基團相互作用的比例降低，不利于樹脂與無紡布表面分子的相互接近，從而導致黏附性降低[10]。見圖5。

圖5 不同溫度下樹脂和樹脂體系與無紡布的黏附功

研究結果表明，原位固化法（CIPP）修復管道過程中，熱固化階段（固化反應并未發生）升溫有利于二次浸潤，隨著溫度的升高，樹脂的黏度與表面張力均降低，樹脂與無紡布接觸角減小，黏附性增強，有利于浸潤及界面黏附；但溫度升高致使樹脂進入低黏度區間后，繼續提高溫度對無紡布/樹脂的黏附作用效果不大。

良好的浸潤使樹脂更易于在無紡布表面鋪展，保證分子間充分接觸，是良好界面形成和黏附的先決條件。在無紡布/樹脂浸潤階段，提高真空度及適當延長接觸時間都可以保證充分浸潤；在熱固化過程中（固化反應并未發生），隨著溫度的升高，樹脂的黏度、表面張力均降低，樹脂與無紡布接觸角降低、黏附作用增強，有利于浸潤及界面黏附，可有效促進良好界面的形成。

2.6 3種內襯管復合材料性能

復合材料中基體與增強纖維通過界面發生結合，同時通過界面將荷載從基體傳遞到增強纖維上。因此，復合材料的性能不僅受纖維和基體性能的影響，還受界面性能的影響[23～24]。

無紡布增強復合材料彎曲強度、彎曲模量、抗拉強度、熱變形溫度4個指標可以作為評價復合材料的性能指標。國產A、國產B及進口C無紡布固化后的熱變形溫度：進口C＞國產A＞國產B；彎曲模量：國產A＞進口C＞國產B；彎曲強度：國產B＞進口C＞國產A；抗拉強度：國產A＞進口C＞國產B。除彎曲強度指標外，其他指標相差不大。見表6。

表6 無紡布增強復合材料力學性能

表6 中，不滿足標準要求的抗拉強度＞21 MPa，主要是由于真空度較大，浸潤速率較快。在實際樹脂充填過程中，應以各項指標達標為前提，控制真空度條件，降低浸潤速率。此外，進口C無紡布與樹脂浸潤和熱力學黏附功都優于國產無紡布，說明界面粘接強度進口C無紡布優于國產無紡布；但復合材料的性能不僅受浸潤及粘接界面性能的影響，還受到基材和基體性能的影響。

試驗結果表明，進口C無紡布的浸潤速率較快，理論上，浸潤越快越有利于提高樹脂充填速度，縮短浸潤時間；但另一方面，有可能造成浸潤不充分，降低固化強度。研究所用的2種國產無紡布密度較進口無紡布高，所以浸潤速率相對較慢，浸潤后，其固化性能差異并不十分明顯，也就是說，國產無紡布在浸潤、固化方面的性能與國外無紡布相差不大。

研究結果表明：可通過進一步優化，在保證抗拉強度的基礎上，降低國產無紡布的密度，以提高樹脂浸潤量；或通過改性辦法[25～29]，提高樹脂浸潤速率。

3 結論

1）3種無紡布孔隙率相差不大，提高絕對真空度可以加快無紡布與樹脂的浸潤速率，有利于無紡布與樹脂的浸潤，促進良好界面的形成；但較快的浸漬速率會減少樹脂浸潤量，從而降低固化效果。

2）Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系與3種無紡布的黏附功，隨溫度的升高呈現先增加、后趨于恒定的變化趨勢。此外，升溫固化階段（固化反應并未發生），樹脂與無紡布的接觸角減小，有利于促進樹脂與無紡布的二次浸潤，促進良好界面的形成。

3）3種無紡布與Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的潤濕性優于純Z455TV-901樹脂，但黏附性恰好相反；進口無紡布表面能大于國產無紡布。因此，進口無紡布與樹脂的浸潤性和黏附性較好，但國產無紡布彎曲模量、彎曲強度固化性能要優于進口無紡布。