连续纤维增强热塑性塑料管的探索

北京塑料工业协会 张玉川

上海邦中高分子材料有限公司 毕宏海 储江顺

近年一种新型的增强复合材料——连续纤维增强热塑性塑料发展很快，国际上通常称为CFRT——Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic。CFRT中的增强材料是连续同向的高强度纤维，常用的是玻璃纤维和碳纤维。基体材料是热塑性塑料，常用的有HDPE、PP、PA、PET等材料，特殊要求的有PPS、PVDF、PEEK等材料。CFRT的独特优点是高强度、高韧性、抗腐蚀、重量轻。目前应用最多的是在航空航天、汽车、军工业领域，并逐步推广到石油天然气管道行业，特别是要求较高的海底用油气管道。我国有较强的玻璃纤维产业，已经有企业可以供应CFRT带材，也在起步开发采用CFRT增强热塑性塑料管RTP（CFRT-RTP）。

玻璃纤维增强热固性树脂管（玻璃钢管）早在广泛应用，但CFRT-RTP近年才进入市场。国外石油天然气产业现在已经大量应用CFRT-RTP的产品。国内虽然先后也有一些企业探索开发，但至今仍未见到成熟的产品。可见开发CFRT-RTP是有技术难度的，不能照搬玻璃钢材料的经验，也不同于生产金属增强的RTP。

1 连续玻璃纤维增强热塑性塑料CFRT的难点

玻璃纤维原料丰富，成本低廉，又有相当高的强度，是很好的增强材料。玻璃纤维增强热固性树脂——玻璃钢早就被应用于很多领域，玻璃钢管道大量应用于城乡给排水以及工业领域，也是石油天然气领域内最早成功应用的非金属管道。其中一部分是短纤维增强（离心成型），一部分是连续长纤维增强（缠绕成型）。

但玻璃钢管缺点主要为热固性树脂韧性差，对于损伤的容忍性差^[1]，通常也不能制造成可盘卷的连续长管。此外，玻璃钢不能回收再利用。所以各国都在积极探索开发纤维增强热塑性塑料产品，包括CFRT-RTP。

开发玻璃纤维增强热塑性塑料的难点在如何使热塑性塑料与玻璃纤维结合。玻璃纤维是脆性的硅酸盐材料，表面又是粗糙多缺口的，容易产生微裂纹。而且耐磨性、耐折性、耐扭转性都较差。所以玻璃纤维必须预先经过浸渍(impregnate)，把玻璃纤维丝包覆在高分子材料中，避免玻璃纤维曲折以及之间发生内摩擦，避免表面吸附水后加速微裂纹的扩展，避免受到腐蚀。热固性树脂在聚合前是低黏度的液态，所以浸渍玻璃纤维不困难，但热塑性塑料在热熔态也是高粘度的，因此难以用于浸渍玻璃纤维。

国内有的企业探索过直接用没有预浸渍的玻璃纤维线，缠绕在热塑性塑料芯管上，再覆盖外层热塑性塑料制造增强热塑性塑料管RTP。或者先把没有预浸渍的玻璃纤维线与聚乙烯共挤成增强带再缠绕制管，结果制成的RTP性能不高且不稳定。分析原因就是没有良好预浸渍的玻璃纤维丝在制造和应用过程中因为互相摩擦或发生曲折而断裂破坏。玻璃纤维丝在生产时要做表面处理，通常涂覆浸润剂使原丝滑润，消除静电，减少水分侵蚀，并通过偶联剂使玻璃纤维和合成树脂的界面粘合，但这种表面处理是不能代替预浸渍。

2 玻璃纤维增强热塑性塑料大部分不是用连续纤维

玻璃纤维增强热塑性塑料已经广泛应用于车辆、航空、造船、运动器材、电器、管道等领域，用量已高于玻璃钢并保持快速增长。增强的热塑性塑料包括各种通用塑料和工程塑料。但大部分用连续的不是玻璃纤维，而是短玻纤和长玻纤。有的工厂缠绕法生产的大直径增强聚乙烯压力管就采用了短玻纤增强聚乙烯，我国也有企业生产的稳态PP-R管中采用了短玻纤增强PP-R。

短纤维增强热塑性塑料（SFRT-Short Fiber Reinforced Thermoplastics）应用较多，通常是把切成6-10mm的短玻纤和热塑性塑料在挤出机中混炼成含短玻纤的塑料颗粒，再通过挤出或注塑成型塑料制品。短玻纤增强热塑性塑料是在混炼中完成浸渍的，但在这过程中玻璃纤维被进一步打断，最后的长度约0.2-1mm。因此增强的效果受到限制，SFRT中玻璃纤维含量通常在30%-50%。

长纤维增强热塑性塑料（LFRT-Long Fiber Reinforced Thermoplastics）常用的工艺是使玻璃纤维无捻粗纱通过特殊模头，同时向模头供入热塑性塑料，在模头中无捻粗纱被强制散开，受到熔融树脂的浸渍, 使每根纤维都包覆树脂, 经过冷却后切成10-25mm长的粒料。粒料再通过挤出或注塑成型塑料制品。由于纤维完全被树脂包围, 因而在成型时纤维受到的损伤降低，在最终制品中保持了较长的长度。LFRT中玻璃纤维含量通常在40%-70%，因为玻璃纤维长度较长，制品的力学性能较好，特别是冲击强度提高显著。

连续纤维增强热塑性塑料（CFRT-Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic）是20世纪70年代初开发的一种聚合物基复合材料。CFRT是采用特殊浸渍工艺使制品中的纤维(玻纤、碳纤维等)保持在连续长丝和有序排列状态。CFRT最初和最多是应用于航空航天、汽车和军工，因为性能优异成为各国竞争热点，技术上进步迅猛，近年开始应用到管道领域。

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