纖維增強HDPE承插式雙壁纏繞管是以高密度聚乙烯（HDPE）樹脂為主要原料，以不同型式的纖維作為增強材料，采用纏繞成型工藝，經加工制成的結構壁管材。

高密度聚乙烯（HDPE）是一種粘彈性熱塑性高聚物，是一種耐腐蝕、使用壽命長的性能優異的高分子材料，也具有蠕變和應力松弛的特性。但是HDPE的質地軟、彈性模量低，采用HDPE生產的塑料管材存在著力學強度低、耐熱性差、成型收縮率高、易發生蠕變或應力松弛破壞等缺點。因此，需要對HDPE進行增強、改性。

纖維具有許多優良性能，如：強度和模量高、無蠕變、耐超高溫、耐疲勞性好、熱膨脹系數小且具有各向異性、耐腐蝕性好等。使用纖維增強HDPE可獲得高模量、高韌性、輕量化等特點，如碳纖維的抗拉強度可達到3.6-3.8GPa。上海清遠管業科技與上海交通大學合作攻關《纖維增強聚乙烯及HDPE雙壁纏繞管輕量化的關鍵技術》，成功開發纖維增強HDPE承插式雙壁纏繞管。

   纖維增強HDPE承插式雙壁纏繞壁管與普通HDPE雙壁纏繞管相比，不僅保持了原有的產品特點，如壽命長、安裝方便、連接密封性好、可抵抗地基不均勻沉降、施工不受氣候條件影響及施工周期短、養護周期長等；還具有突出的力學性能，如高環剛度，在相同單重條件下，該種管材具有更高的環剛度等級（SN≥16，甚至于25以上），在相同環剛度等級下，該種管材所耗原輔材料更少，有效降低生產成本，實現產品輕量化；同時具有高環柔性、高抗沖擊、優異的抗蠕變性、

抗環境應力開裂性、耐高低溫沖擊等力學性能，尤其是對于大口徑塑料埋地排水管材而言，能有效地降低不規范施工及使用環境對管材使用壽命的影響，從而提高管道工程質量的安全性。

纖維按成分可分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚酯纖維等，按形態和長度可分為連續纖維束、連續纖維布和短纖維。不同的纖維形式，其增強、增韌機理與效果也不盡相同。圖（a、b）為纖維增強HDPE纏繞管的應力-應變曲線。盡管纖維增強HDPE纏繞管與非纖維增強HDPE纏繞管具有相同的環剛度，即管徑發生3%應變時所需的應力大小是相同的，但是繼續增加管材變形時兩者的應力曲線則不再重合、各自分開。選擇A種增強形式，線性纖維沿著管材纏繞方向鋪展開來，不斷地吸收著變形所需的應力，同時纖維與樹脂之間在微觀上發生了相對位移，出現應力屈服現象，直至70%形變時管材仍未破壞、斷裂，展現出優異的韌性。選擇B種增強形式，經緯交錯的纖維猶如鋼筋骨架一般牢牢地嵌入在樹脂中，限制住了樹脂間的滑動、松弛。管材從10%形變時表現出驚人的抵抗變形作用的能力。應力隨著應變的增加而不斷地增大，直至55%形變時發生破壞。

（a）纖維A增強HDPE管材壓縮測試	（b）纖維B增強HDPE管材壓縮測試圖

（a、b）  纖維增強HDPE管材應力-應變曲線

關鍵技術和創新點

（1）纖維表面改性及纖維與HDPE的界面相容技術

纖維的表面改性效果越好，與樹脂基體的界面粘結作用越強，材料性能則越好，管材性能也隨之提高。為了能有效增強纖維與聚乙烯的界面相容性，通過在纖維表面引入具有樹枝狀結構的高分子刷進行表面修飾。高分子刷一端是可與纖維表面的Si-OH發生交聯反應，另一端是則是嵌段共聚反應獲得的樹形分子。高分子刷與纖維表面充分接觸并牢固地接枝反應到纖維表面。一旦改性纖維以短纖維、連續纖維束或連續纖維布的形式加入到HDPE樹脂中，纖維表面高分子刷的“多手臂結構”則會滲透進入HDPE樹脂分子鏈中與樹脂分子鏈相互纏繞從而發揮出良好的界面粘結作用。

（2）纖維與聚乙烯“雙連續”亞穩態分散技術

塑料的增強與增韌是對矛盾體，強度高往往韌性差，反之亦然。對管材而言，需要達到高環剛度、高環柔性、高落錘沖擊強度的目標。本項目創新地提出了采用0維（短纖維）、1維（連續纖維束）、2維（連續纖維布）材料中的一種或者兩種組合對HDPE進行增強增韌改性，借助于多層共擠出模具獲得了纖維與聚乙烯同時“雙連續”亞穩態分散狀態，實現了纖維各向異性和各向同性的孿生存在。

（3）纖維增強聚乙烯母料擠出加工設備的設計、組裝高精技術

在螺桿設計方面，采用不同的螺桿組合對材料進行加工。通過混煉元件和剪切元件的設計、組合，保證纖維在HDPE基體樹脂中的分散效果達到設計要求。

在模具設計方面，通過開發多層共擠出機頭模具，使得纖維增強HDPE能同時達到增強和增韌的效果。

項目實施過程中，共申請專利14項，覆蓋管材專用料、生產工藝及加工設備。本項目也獲得上海張江國家自主創新示范區專項發展資金重點項目（項目編號：201411-JS-C104-006）的資助。

纖維增強HDPE承插式雙壁纏繞管是清遠科技獨立開發的具有知識產權的新產品。產品創新技術達到國內、外領先水平，首次提出采用三種不同“分散維數”纖維增強形式的全新概念。產品于2016年6月通過了上海市建設科技推廣中心組織的“新產品新技術評估（鑒定）”。產品在市場得到較多地應用，特別是用于大口徑埋地排水管道工程，用戶使用反映良好，產品獲得2020年度上海市科學技術進步獎三等獎。

FR-HDPE纖維增強承插式高密度聚乙烯纏繞結構壁管參照國家標準《埋地用聚乙烯（PE）結構壁管道系統  第2部分：聚乙烯纏繞結構壁管材》GB/T19472.2-2017。經過幾年的應用，在市場上得到了很好效果，已經被錄入上海市工程建設規范《埋地塑料排水管道工程技術標準》DG/TJ08-308-2018。

FR-HDPE纖維增強承插式高密度聚乙烯纏繞結構壁管不僅實現了HDPE雙壁纏繞管的輕量化，突破了大口徑HDPE雙壁纏繞管在高環剛度（SN16～SN40）上的技術瓶頸并填補了國內產品空白，而且增加了大口徑塑料管材的使用安全性。

FR-HDPE纖維增強承插式高密度聚乙烯纏繞結構壁管的技術參數要求和質量遠超國家標準，相對國內產品而言，最大的優勢在于產品質量等級方面。為進一步提高該項目產品市場競爭力，可通過規模化經營，降低產品單位成本，向市場提供性價比更大的產品，是今后排水、排污工程的發展趨勢，產品具備廣闊的市場前景。