[发明专利]机械性能与电学性能独立调控的纤维增强塑料电熔管件

说明书

本发明涉及非金属管道连接技术，旨在提供一种机械性能与电学性能独立调控的纤维增强塑料电熔管件。该电熔管件包括埋设了电阻丝的电熔管件本体，在电熔管件本体上设有分别接至电阻丝两端的两根接线柱；所述电熔管件本体的材料是掺杂了导电纤维的热塑性塑料，导电纤维是指表面具有导电体的纤维；在电熔管件本体中，导电纤维相对于电熔管件本体的质量占比为0～40％，且不为0；在导电纤维中，导电体相对于纤维的质量占比为0～30％，且不为0。本发明能够实现电熔管件机械承载能力与结构健康监测性能的独立调控。采用注塑方法一次成型，无需额外的钢板或纤维增强层，制造工艺简单，稳定性好，降低工艺成本。

技术领域

本发明涉及非金属管道连接技术，特别涉及一种机械性能与电学性能独立调控的纤 维增强塑料电熔管件。

背景技术

非金属管道具有耐腐蚀、柔性高、韧性好、经济环保、使用寿命长等优点，是公认的“绿色”管道，目前已广泛应用于许多工程领域，比如市政、海洋、建筑、核电等， 其发展前景不可估量，甚至有部分领域正在逐步取代传统金属管道。

在塑料及其复合管道的连接技术中，电熔焊接自动化程度较高，焊接技术性能可靠， 焊接效率高，可大幅减少人为因素造成的焊接质量问题，是目前最常用的管道连接技术。 电熔管件焊接的原理是：将管件内预先布置的电阻丝通电，利用电阻丝通电时产生的热 量及膨胀力将管材的外壁与电熔管件熔融连接在一起，冷却后获得具有一定强度的电熔 接头。

随着增强复合管道的发展，钢塑复合管、铝塑复合管以及纤维缠绕复合管的研发和 应用显著的提高了塑料管道强度和承载能力，使得复合管道能够适用于更高的压力环境； 相比管道的多种增强方式，作为管道连接的电熔管件增强方式目前非常有限，其强度已 经成为限制高压复合管发展的主要瓶颈。据美国燃气协会(AGA)统计，约65％非金属 燃气管道失效来自接头与管件，由此可见在非金属管道系统中，由于电熔接头改变了管 材自身的一体性，使电熔管件成为管道系统的薄弱环节。

为了解决上述电熔管件的强度不足并提高管件服役时的安全性，申请人团队首次提 出了具有应变自监测功能的短碳纤维增强塑料电熔管件(CN109827014A)，该发明通 过在塑料基体中填充碳纤维以增强材料的机械强度，采用该材料注塑电熔管件可显著提 高管件的承载能力；同时利用碳纤维的导电性，提出了基于电阻测量的电熔管件的结构 健康监测方法，实现了电熔管件及其管道系统在内压作用下的应变及损伤监测，提升了 管道系统运行的安全性。申请人团队通过实际测试还发现，对于短碳纤维增强聚乙烯和 聚丙烯等聚合物材料，材料的机械强度随着碳纤维填充含量的增加呈现出先上升后减小 的变化。而对于材料电学性能，当碳纤维含量在其渗流阈值附近变化时，材料具有不同 的电学灵敏度，且当碳纤维含量达到电学渗流曲线拐点处时，材料具有最佳的电学灵敏 度。由于材料的机械性能增强和电学灵敏度提高所对应的最佳碳纤维填充含量往往并不 完全一致，导致生产的短碳纤维增强塑料电熔管件无法实现机械性能和结构健康监测性 能同时达到最优。在上述专利中，发明人团队提出通过调整材料加工工艺和加工工艺参 数等方法，实现电熔管件机械性能与结构健康监测性能协同达到最高。然而这种方法无 疑会导致加工效率降低，并且所得基体中短碳纤维的长度与散布情况也都会存在一定波 动。

为解决上述短碳纤维增强塑料电熔管件在具体实现过程中存在的不足，本发明提出 了一种机械性能与电学性能独立调控的纤维增强塑料电熔管件，该电熔管件由表面生长 导电体的纤维增强塑料复合材料制备所得；首先通过改变塑料基体中表面生长导电体的 纤维填充量，实现材料机械强度的最大增强；其次通过改变纤维表面生长导电体的含量， 实现材料最佳的电学灵敏度；从而实现了材料机械性能与电学灵敏度的独立调控，继而 实现了管件机械性能与结构健康监测性能的独立调控，最终可制备具有最佳承载能力与 最高结构健康监测灵敏度的电熔管件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种机械性能与电学性 能独立调控的纤维增强塑料电熔管件。

为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：