纤维增强可扁平软管的纤维选用

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1、高强纤维在可扁平软管中的应用可行性分析杨建雄蔡利海李万利黄忠耀（总后油料研究所北京102300）纤维增强可扁平软管是指增强层为纤维圆织物，内外涂覆各种胶料的正压输送软管，该 类软管的特点是管体柔软，管体可扁平折叠或盘卷，因而其运输体积较小；内外胶层较薄（总 壁厚约2-4mm）,管体的重量较轻，操作方便；软管单根长度较长，组成管线时连接接头少， 展收速度快，应急反应能力强。该类软管典型的产品有中长距离输油（水）软管、消防软管（国 外使用较多）、农田浇灌软管、城市应急供水软管等。一、可扁平软管基本结构及使用特性可扁平软管的基本结构和外形类似于消防水带，由内胶层、纤维增强层和外胶层构成（图1），软管

2、选用高强纤维经圆织机圆织成管坯作为其增强层；根据不同应用环境选用丁腈橡胶、 PVC、聚氨酯弹性体等功能胶料。夕卜胶层内胶层图1纤维增强可扁平软管结构可扁平软管一般由挤生产无限长的软管，由于软管在生产后需要试压检漏，受试压场地的限制，国内外一般以200m为单根长度。质量轻、运输体积小是此类软管的最大优点。比如以聚氨酯为内外胶、聚酯纤维为增强 材料、爆破压力达4.2MPa的直径100mm输油软管单位质量只有0.9kg/m，而同类型的排吸两 用胶管单位质量约为4.0kg/m； 一根15m长的直径63mm聚氨酯可扁平软管，盘卷直径只有 35cm，盘卷高度只是该软管的折宽即10cm，重量只有7kg，而一

3、根相同压力的排吸两用橡胶软管最小盘卷直径约46cm，盘卷高度约67cm，重量约42kg。展收速度快，展收作业可机械化操作是该类软管的另一大特点。由该类软管首尾相连组 成的软管线被折叠放置在运输车的车箱后，可以以10km/h以上的速度展开（图2），在短时 间内快速构建成输送管线，将前方需要的液体及时输送。因此，该类管线在应急输送系统具 有良好的应用前景。例如，该类管线目前已大量装备外军用于战争初期快速、大量输送战争 用油及生活用水，装备城市应急系统用于灾后向特定地域快速输送生活用水、消防用水或抗 洪排涝。该类软管也可用于城市固定管线出现故障时应急连接故障点，缩短断输时间，减小 断输对相关行业的影

4、响（图3）。图2可扁平软管线的快速铺设图3固定管线断输时的软管应急输送系统二、可扁平软管增强材料选用要点该类软管的应急使用特性决定了软管应具有较高的承压强度，以便增大单位时间输送量。软管的承压强度按下式计算p = www D （1 + ）0式中：P软管承压强度，MPa；wN 纬线单束强度，N/束；wK 爆破时纬编密度，束/10cm；wD 未充压前软管骨架中径，mm；0 爆破时软管直径膨胀率，%；C软管圆织、挤出加工对强度的影响系数。从式中可以看出，对于相同规格D的软管，增大纤维强度N、减小爆破时的直径膨胀0w率即可提高承压强度P。是纤维断裂伸长率和织缩率的综合表现，在圆织组织结构、编 w织工艺

5、一定时则主要由纤维断裂伸长率决定。也就是说如在软管圆织工艺不变、生产工艺不 变的情况下，选用高强度、低伸长的纤维，有助于提高软管的承压强度。另外，根据可扁平软管采用挤出生产工艺及该类软管多用于室外应急使用的特性，所选 用的纤维还应具有加工适应性、使用方便性、价格低廉性等特点。综合起来，可扁平软管增 强纤维的选用应从以下几个方面考虑。1）强度：增强层在可扁平软管中起着承压作用，为了提高软管的强度，首先应选用强度 相对较高的纤维。2）耐介质性能：可扁平软管与输送介质接触，尽管增强层外有外胶层，但在出现胶层破 损和介质渗入纤维时，纤维不能出现强度明显下降现象。3）耐温性：可扁平软管采用挤出法生产，高

6、分子弹性体如热塑性聚氨酯弹性体的挤出温 度一般在200C左右，由于生产中圆织的管坯也必须通过高温挤出模具，所以增强材料必须 具有相应的耐咼温性能。4）模量：可扁平软管输送介质时，管内压力增加会使软管的直径扩大，如果直径膨胀过 大，会消减泵站压力，同时由于接头处与管段间直径相差过大，清管排空时清管器不易将管 中介质排净，所以增强材料模量不宜太低；在可扁平软管运行过程中内部充满介质，泵站压 力急剧变化传递到管线中形成水击现象，如果软管具有可膨胀性可以降低水击对管线的破坏, 并减缓对下级泵站的冲击，所以增强材料的模量也不宜过高。5）与内外胶层粘合性：这种软管的内外胶通过穿透编织间隙形成连接胶钉来保证

7、软管满 足要求的层间粘合强度，而内外胶与增强层之间几乎不存在化学粘接现象。所以选择增强材 料时，可以不考虑其与内外胶层的粘合性。6）吸潮率：由于挤出工艺特殊性，增强纤维应具有较低的吸潮率，以防止成型过程中纤 维中水分逸出在管壁形成气孔和针眼，虽然在挤出前可对管坯进行强制烘干处理，但是较低 的吸潮率更利于提咼产品的成品率。7）耐折强度：可扁平软管在贮存时处于扁平折叠状态，使用时要展开呈圆柱状态，频繁 展开和撤收需要材料具备良好的耐折性及耐疲劳性。8）耐候性：可扁平软管使用时处于野外环境中，软管应有良好的耐候性。尽管增强层外 有外胶层包裹，但外胶层的破损会使增强层直接暴露在大气中，因此增强层也应具

8、备良好的 耐候性。9）价格：价格是材料选择中重点考虑的问题之一，过高的价格会限制产品的推广使用。三、各种高强纤维在可扁平软管中的应用可行性比较根据上述选择标准，可供选择的增强纤维有尼龙纤维、高强聚酯纤维、PEN纤维、芳纶纤 维等，这些纤维的性能如表1所示。表1软管可供选择纤维的性能性能尼龙纤维聚酯纤维PEN纤维芳纶纤维密度kg/m31.141.381.41.44断裂强度 cN/tex888090194断裂伸长度%201464初始模量cN/tex50010001800-23005500回潮率%4.50.40.47.5熔化温度C255260275500耐石油基燃料性能优优优优耐水性能优优优优耐日光

9、老化性较差优优较差与橡胶的粘合性良差差差与聚酯纤维价格比1.11520尼龙纤维：尼龙纤维尽管具有较低的密度，但其初始模量较小，反应到软管中，会使加 压输送时管径膨胀明显，管线压力会被管壁大幅消减；加压输送时管线长度会变长，从而相 对延长输送距离，降低管线的输送效率；过高的吸潮率加大了挤出加工过程中烘干的难度， 如烘干处理不当，会在产品内形成气孔和针眼，降低产品成品率。当应用于中长距离输送液 体时，使用压缩空气清管会因管段内径与接头处内径相差太大加大清管难度。可以说，尼龙 纤维不太适合该类软管的生产。聚酯纤维：聚酯纤维与尼龙纤维具有相近的强度，除与橡胶的粘合性不佳外，作为可扁 平软管的增强材料，

10、其余性能均优于尼龙纤维，特别是聚酯纤维适中的模量不仅能在泵压力 瞬间过高时形成管径膨胀缓解管路压力保护泵系统，也避免了管径膨胀过大对系统压力的消 减；聚酯纤维良好的耐温性和耐日光老化性保证了挤出加工适应性和室外长期使用的可靠性； 聚酯纤维的吸潮率极低，可简化软管生产过程中的烘干程序，保证产品的成品率；由于该类 软管的内外胶层通过增强层编织间隙形成物理连接胶钉，即软管内外胶层与增强层的层间粘 合强度由胶钉的数量多少和胶钉的强度来决定，与增强层和内外胶层的粘合力无关，因此， 与橡胶的粘合性差不影响聚酯纤维在软管中的正常使用。在上述材料中，聚酯纤维的价格最 低，这也是聚酯纤维被优先选用的条件之一。高

11、模低缩聚酯纤维近年来被大量应用到轮胎、 传送带等需要尺寸稳定性高、热收缩率低的产品中，其较理想的尺寸稳定性使软管工作压力 下（约为爆破压力的1/3）的直径变化率较小，可减小对管线压力的消减，保证管线的输送量。 但由于高模低缩聚酯纤维的断裂伸长率与普通聚酯纤维相比变化不大，对于软管的爆破压力 值影响不大。高模低缩聚酯纤维有望取代普通聚酯纤维成为可扁平软管的主要增强材料。PEN纤维：PEN纤维是聚酯纤维家族中的高性能产品，与普通聚酯纤维相比，PEN纤维 的分子链刚性较大，耐热性和耐疲劳性较好，玻璃化转变温度和熔点温度分别提高40和15C， 强度增大20%25%，尺寸稳定性提高130%，热收缩率相近

12、。也就是说，作为软管增强材料， 与聚酯纤维增强的软管相比，在工作压力下软管的膨胀会更小，更有利于减小软管对泵站压 力的消减;在软管其他参数不变的情况下，选用PEN纤维可使软管的承压强度提高10%以上； 耐高温性、耐日光老化性等与聚酯纤维相当，说明可用聚酯纤维增强软管的生产工艺生产PEN 纤维增强软管。不足是PEN纤维的价格约为高强聚酯纤维的5倍，用此生产软管，会使综合 成本提咼约3倍。芳纶纤维：芳纶纤维与高强聚酯纤维相比，断裂强度高出约3倍，用此生产软管，可得 到很高的承压强度；其模量较高，断裂伸长率较小，用于该类软管时工作压力下的形变更小； 芳纶的阻燃效果极佳，生产的软管可具有良好的阻燃效果

13、，特别适合在高危险场合输送易燃 液体；芳纶的耐日光老化性能不如聚酯纤维，但通过涂覆内外胶层可避免阳光对纤维的直接 辐射，保证纤维的正常使用寿命；芳纶纤维的耐疲劳性不佳，长期反复折叠及卸放压易使纤 维疲劳断裂；芳纶的价格较高，使用芳纶生产软管会使产品的综合成本上升至少7倍以上； 芳纶纤维在软管生产过程中可能会出现自身纺丝油迹在高温下的挥发而引起软管出现气孔和 针眼现象，因此需要在烘干工艺和挤出流道设计时特别注意。综上所述，可扁平软管根据不同的压力等级要求，可选择不同的纤维作为增强材料，如 软管的压力较低，建议选用高强聚酯纤维，使用它具有最佳的性价比和最简单的工艺控制； 如果想在聚酯纤维生产工艺不

14、作太大改动的情况下提高软管的承压强度，建议使用高模低缩 聚酯纤维或PEN纤维。当需要更高的承压强度时，芳纶是最佳选择。为降低生产成本，可采 用经线为聚酯纤维而纬线采用PEN纤维或芳纶的混编工艺。另外，增强层的组织结构也是影响软管强度的一大因素，平纹组织会使软管具有良好的 平整度和最小的单位长度重量，方平组织会有效提高可扁平软管的层间粘合强度和爆破压力 值，斜纹组织对提高软管的爆破压力也有一定的帮助。设计者可根据不同的需要，选用合适 的增强材料、设计合适的组织结构和编织参数。四、结语纤维增强可扁平软管作为应急输送液体和气体的理想产品，在国内外已大量使用，已经 并在将来体现出良好的军事、经济和社会

15、效益。如美军大量装备了该类软管用于战时应急输 送作战用燃油，保障作战装备油料供应；欧洲的消防系统大量使用此类软管作为应急输水管 线从远离火场的水源源源不断地向火灾现场快速、大量输水，提高灭火速度和灭火效果，减 少火灾损失；国内外一些城市的应急系统装备此类软管用于灾后排涝或从一地向另一地快速 输送生活用水，减小传染病的发生，最快速地恢复正常生活秩序；城市供水系统、供油系统 及供气系统配备此软管用于固定管线破损时快速连接断点两端，以最快速度恢复油、气、水 的正常供应，恢复城市的正常运转。设计和生产可扁平软管时，应选用合适的增强材料和内外胶层材料，设计合理的编织参 数和生产工艺，在保证软管承压强度的前提下尽可能减轻管体重量、改善软管柔软度、减小 运输体积、降低成本，提高软管的应急适应能力。同时应不断尝试使用新材料、新技术，进 一步提高可扁平软管的综合能力，拓展可扁平软管的使用领域。