CN115076472A - 单聚合物复合材料管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单聚合物复合材料管，由交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带组成，单聚合物复合材料纤维丝/带交叉缠绕无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体，连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝紧密均匀分布于聚合物基体中间。本发明的单聚合物复合材料管具有成本低、质量轻、界面粘结性好、强度高、易回收的优势；与基体和增强体为不同材料的传统复合材料相比，进而可以获得突出的抗冲击性能；基体和增强体具有相同的热膨胀系数进而可以适用于更宽的温变范围。

Description

单聚合物复合材料管

技术领域

本发明涉及一种单聚合物复合材料管，属于聚合物复合材料制品领域。

背景技术

随着连续纤维增强热塑性聚合物复合材料的发展，应用领域从航空航天、汽车、军事领域扩展到石油天然气管道行业。连续纤维增强热塑性聚合物复合材料主要由连续纤维增强体和聚合物基体组成，其中玻璃纤维和碳纤维是目前应用最广的增强体材料，基体材料则为热塑性聚合物。与热固性聚合物复合材料相比，热塑性聚合物具有韧性好、成本低和可回收再利用的优势，但由于其黏度普遍高于热固性聚合物，加工成型难度较大。特别对于连续纤维增强热塑性聚合物复合材料管的成型方面，技术难度很大，不同于传统的连续纤维增强热固性聚合物复合材料管的成型技术。

连续纤维增强热塑性聚合物复合材料管通常由内衬层、增强芯层和外保护层组成。内衬层和外保护层均以热塑性聚合物基体为主要材料，内衬层起介质导流、防腐和传导内应力的作用，外保护层起保护增强芯层和传导外应力的作用；增强芯层以多层交错缠绕的连续纤维增强体和热塑性聚合物基体材料构成，其连续纤维材料有芳纶纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、碳纤维、金属纤维(铜丝、钢丝)，增强芯层起承担主要应力、温度、管体抗蠕变的作用。连续纤维增强热塑性聚合物复合材料管道具有耐腐蚀、耐高压、耐温保温、输送能力强(内壁光滑、流动阻力小、耐磨损、不易结垢)、柔韧性好可曲挠(耐冲击、抗震、不需热补偿装置)、施工便捷、接头少、性价比高、使用寿命长等优势，主要用于石油、天然气、高压水及特殊流体输送领域，是替代常规金属管、塑料管的新型耐腐蚀耐压耐温的增强型管。为此深受世界各国的普遍重视，欧美、德、法、英、日、俄等国家早在70年代就开始研究连续纤维增强热塑性聚合物复合材料管的生产技术，目前已经进入工业化生产阶段，我国的生产研究处于起步阶段，相关产品生产技术亟需升级。

连续纤维增强热塑性聚合物复合材料管由于基体和增强体不同，特别是基体和增强体采用物理性能差异较大的材料(如基体采用热塑性聚合物，增强体采用玻璃纤维、碳纤维、金属纤维)时，由于基体和增强体的导热系数存在较大差异，在常温成型后的管道无法适应更宽的使用温度范围(-42℃至102℃)。特别是对于低温条件的适应性较差。在变温条件下，玻璃纤维、碳纤维、金属纤维增强的热塑性复合材料管道的纤维增强体与基体之间的界面会受导热系数差异产生不同的收缩或膨胀，机械性能变差，进而导致管道失效及寿命降低。

以用于海上天然气开发输送浮式液化天然气(FLNG)的管道为例，输送过程20小时左右，必须保持-162℃的超低温，要求输送管的材料能承受超低温；而且管本身还要不受海水较长时间的温度影响，保持恒超低温。此外，输送管还需要克服FLNG生产储卸装置与穿梭油轮两船相对运动的影响。目前我国尚无这种高端产品。FLNG生产储卸装置外输卸料技术由国外少数公司垄断，研制的16-20英寸口径低温管系统，单套低温管系统装备报价上亿美元。这种输送液化天然气的耐低温管系统已成为我国南海气田开发的“卡脖子”技术，传统的管道上岸方式难以实现离岸远的气田开发，成本过高，无法实现经济开采。

2019年9月，Magma与壳牌签署了协作开发项目——开发适用于-196℃低温应用的单聚合物复合材料柔性低温管及其高端制造技术，将低温管系统推向了一个新的高度。单聚合物复合材料是纤维增强体和基体来自同种聚合物的复合材料，具有密度小、质量轻、成本低、易回收、界面粘结性好、优良的力学性能(尤其是抗冲击性能)、抗蠕变性能好(尤其是低温蠕变)、优良的声阻尼特性、易涂/镀层等诸多优势。目前，已开发的单聚合物复合材料的基材主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乳酸、聚醚醚酮等，在国外已开发的单聚合物复合材料制品已应用于汽车、箱包、体育、军事等领域。单聚合物复合材料与制品成型直接关联进行，因为增强体和基体来自同种聚合物，其熔融温度(熔点)也相同或相近，因此，扩大加工温度窗口即扩大增强体和基体之间的熔融温度差是制备单聚合物复合材料的关键。目前，相关突破性技术主要根据聚合物原料的结构及物理特性进行开发。我国仍缺乏相关材料制备和结构成型相关的关键技术及设备，形成的一些相关技术仍停留在实验室小试阶段。

进一步的将单聚合物复合材料成型成为单聚合物复合材料管，可以利用增强体和基体热膨胀系数一致的特点，在高低温较宽的温度范围内仍能保持相应的机械强度。特别是对于聚丙烯单聚合物复合材料，因为聚丙烯原料成本低，如果能够替代现有多种材料复杂结构的纤维增强热塑性复合材料管，具有极大的经济效益。在我国尽快开展研发单聚合物复合材料管及其成型技术和装备，有望跟上FLNG管技术领域的发展，达到与国际大型公司企业形成“并跑”的局面，符合国家科技发展战略的迫切需求。

本发明中分别利用国家知识产权局官网的专利检索系统(网址http://www.cnipa.gov.cn)和国外期刊数据库Elsevier尽可能进行了详细、全面地检索，得到了并引用如下现有技术，现对这些现有技术做介绍，并和本申请的技术方案做相关对比，以便更好的了解本发明的发明构思，展现本发明的技术优势和技术特点。

现有技术1：专利CN101334122B公开了一种用于海底位置输送生产流体的软管的软管体，包含压力护套和合成材料制成的缠绕带护面层及至少一层护面层上的外部护套。但此专利没有考虑材料种类和缠绕方式，结构复杂。

现有技术2：专利CN104421536B公开了一种复合缠绕带热态缠绕成型的压力管，所述复合缠绕带的纤维带上预先打有连续的排孔，进一步采用了聚乙烯和聚丙烯为基体材料，玻璃纤维、细钢丝、芳腈纶或PBT为纤维丝增强体材料，也明确了交互相错的“米”字形结构。但此专利没有考虑基体和增强体间热膨胀和收缩差异的关键问题，无法适应大范围变温环境。

现有技术3：专利CN105163931B和现有技术4：专利CN105142883B先后公布了一种制造柔性管体的方法，提供了两根或更多根复合材料细丝来作为丝束，每个细丝包括复合基体材料和增强纤维，通过编织后固化。但这两个专利主要通过未固化的基体材料实现粘结，但在成型过程中如何保持未固化材料不会提前发生固化是很困难的。

现有技术5：WO9507428公布了一种热塑性复合材料管，包括内衬层和连续纤维增强热塑性复合材料层通过热熔成型。现有技术6：US20200318761A1公布了一种带拉挤元素的高压软管及其制造方法，包括内衬层和含有拉挤元素的增强层，其特别明确了基体材料为聚合物，增强体材料包含了浸渍有不同于基体材料的树脂材料。现有技术7：US20080145579A1公布了一种管状复合结构，包括螺旋缠绕的纤维布层和由橡胶制成的饰面层。现有技术8：JPH0911355A公开了一种用于一种纤维增强热塑性树脂复合管制造方法；现有技术9：CA1032460A公开了一种纤维强化塑料管的制造方法；现有技术10：CA2433914A1公开了一种高压力的柔性导管；现有技术11：CN1324295A公开了一种旋转中空体和制造方法；现有技术12：CN101570063A公开了一种含酚酞侧基的聚芳醚酮或聚芳醚砜树脂基复合材料的缠绕成型方法；现有技术13：CN102205633A公开了一种连续纤维增强热塑性聚合物复合材料两步法缠绕成型的加热方法及其装置；现有技术14：CN103707496A公开了一种热塑性纤维缠绕成型的管材及其成型工艺；现有技术15：CN103802325A公开了一种热塑性纤维缠绕管材设备及其应用；现有技术16：CN108064326A公开了一种材料层作为热绝缘屏障的用途；现有技术17：CN109209671A公开了一种用于加强聚合物复合材料的连续纤维网格；现有技术18：CN109789687A公开了一种制造柔性管层的方法，该方法将聚合物细丝和碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，形成混杂细丝的纱线，将纱线形成带，并将带施加到管体上以形成柔性管层；现有技术19：DE10229073C1公开了一种用于所述连续生产的增强管状心轴；现有技术20：DE69028519T2公开了一种超高分子量聚合物复合材料；现有技术21：US5039368A公开了一种热塑性基体纤维缠绕头；现有技术22：US2002054968A1公开了一种增强热塑性管的制造方法；现有技术23：US2007062595A1公开了一种可用于分配天然气的塑料管，例如高密度聚乙烯塑料管，其具有改进的抗冲击性和爆裂强度，塑料管具有内表面和外表面，内表面限定用于输送天然气等的通道；现有技术24：US2015246463A1公开了一种用于制造纤维增强聚合物组合物的方法和装置；但以上专利均没有考虑连续纤维材料与基体材料不同质及热膨胀和收缩差异问题。

现有技术25：US2013123430A1公开了一种单种聚合物复合材料及其制品的准熔融工艺；现有技术26：《单聚合物复合材料制备研究进展》赵增华、陈晋南介绍了生物降解高分子材料及其分类，综述了聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯类等不同单聚合物复合材料的制备研究进展和制备过程中存在的问题，指出了高性能单聚合物复合材料制备方法研究的核心问题和方向。但这两篇现有技术仅仅介绍了单聚合物复合材料的制备现状，未提到单聚合物复合材料管，也未提到能考虑在液化天然气输送中采用上述材料进行输送的可能性。

现有技术26：申请人在国内外学术交流中得知目前存在一种单聚合物复合材料板材进行卷制而形成的管道。在该现有的技术报道中，将单聚合物复合材料先制成板材，然后将板材卷曲形成筒形结构，在筒形板材交接处，通过熔接方式形成密闭筒形结构，但这种生产方式，生产效率太低，管道长度不能太长，通常为1m左右，这是因为单聚合物复合材料的板材长度通常为1m左右，而且筒形板材交接处是通过后续的熔融加工接合在一起的，这就使得该筒形结构仍然存在熔接线，从而造成潜在的应力集中，容易失效。

现有技术27：申请号为CN201210057668.0(相关网址为http://www.gov.cn/xinwen/2019-12/13/content_5460877.htm；https://baijiahao.baidu.com/s？id＝1652827309005455544&wfr＝spider&for＝pc)。其中阐释了有关实验数据的相关效果和作用，本发明引用其作为本发明技术效果的类推解释。

通过上述现有技术的介绍，本领域技术人员可以知道，目前现有的复合材料管道采用如几种改进方式：

(1)直接采用传统的挤出机挤出管材的生产工艺，通过增加层数来增强管材强度；

(2)采用不同于基体材质的增强纤维进行缠绕，而后进行熔融成型形成管道(如现有技术CN101570063A)；

(3)在传统的挤出机挤出管材的生产工艺上，通过添加复合材料纤维丝/带进行管道的增强；

(4)先将单聚合物复合材料制成板材，而后将板材进行卷制、熔接形成管道。

通过上述现有技术的介绍可知，目前所有的现有技术在制备管材中存在如下特点：

(1)直接采用传统的挤出机挤出管材的生产工艺，通过增加层数来增强管材强度，这种制备方式虽然能够在一定程度上增加管材强度，但仍然面临分层等失效缺陷；

(2)用不同于基体材质的增强纤维进行缠绕，而后进行熔融成型形成管道，这种方式没有考虑连续纤维材料与基体材料不同质及热膨胀和收缩差异问题，同样容易造成分层和失效；同时这种方式主要通过未固化的基体材料实现粘结，但在成型过程中如何保持未固化材料不会提前发生固化是很困难的；

(3)在传统的挤出机挤出管材的生产工艺上，通过添加复合材料纤维丝/带进行管道的增强，这种方式同样没有考虑连续纤维材料与基体材料不同质及热膨胀和收缩差异问题，同样容易造成分层和失效；

(4)先将单聚合物复合材料制成板材，而后将板材进行卷制、熔接形成管道，这种方式目前主要集中于实验室的研究实验，生产效率太低，管道长度不能太长，而且筒形板材交接处是通过后续的熔融加工接合在一起的，这就使得该筒形结构仍然存在熔接线，从而造成潜在的应力集中，容易失效；

(5)将两根或更多根复合材料细丝来作为丝束，每个细丝包括复合基体材料和增强纤维，通过编织后固化。这种方式主要通过未固化的基体材料实现粘结，但在成型过程中如何保持未固化材料不会提前发生固化是很困难的。

由此可见，从现有技术披露的技术内容来看，现有技术或者集中于在传统管材挤出工艺上通过增加层数来增强管材、或者通过不同基质复合材料纤维来制造管材、或者通过卷制熔接来小规模制造管材，但本领域技术人员并未能注意到通过单聚合物复合材料进行大规模管材生产的可能性，也就是说，目前上述所阐释的现有技术中，虽然生产管材的设备和方法各式各样、异常成熟，但将单聚合物纤维丝/带通过缠绕、编织、熔融固化的生产方式进行大规模生产的构思尚无现有技术披露，这种生产方式不但有效解决了不同基质材料之间的分层失效问题，而且有效提高了管材的各种性能，同时实现了大规模生产，解决了天然气输送的“卡脖子”问题。根据目前申请人所整体获得现有技术而言，本发明的技术效果是上述现有技术无法直接或通过组合就简单获得的，具有无可比拟的潜在产业价值。

发明内容

针对现有连续纤维增强热塑性聚合物复合材料管的基体和增强体为不同材料具有差异较大的导热系数，无法适应较大变温环境条件的问题，本发明的目的在于提供一种密度小、质量轻、成本低、界面粘结性好、抗冲击性能好、适用温变范围大、回收利用率高的单聚合物复合材料管。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种单聚合物复合材料管，包括n层管状结构，其中n≥1；其特征在于：每层管状结构又包括m个子层单聚合物复合材料纤维丝/带，其中m≥1；所述单聚合物复合材料纤维丝/带通过交叉缠绕或交叉编织层叠在一起；其中所述m个子层中的每个子层单聚合物复合材料纤维丝/带之间无缝熔接，所述n层管状结构的每层管状结构之间无缝熔接；其中n、m的各个取值为各自然数排列组合，所述交叉缠绕的方向为螺旋左旋或螺旋右旋，相邻子层的交叉缠绕方向为同向或异向，所述m个子层中的每个子层单聚合物复合材料选择为单聚合物复合材料纤维丝或单聚合物复合材料纤维带；而当n＝1、且m＝1时，所述单聚合物复合材料管仅包含一个子层的单聚合物复合材料纤维丝/带，此时，所述单聚合物复合材料纤维丝/带之间无缝熔接。

进一步地，所述单聚合物复合材料管还包括内衬层，所述内衬层位于所述n层管状结构的最内侧，所述内衬层与其相邻的所述管状结构无缝熔接或者所述n层管状结构套设在所述内衬层的外侧。

进一步地，所述单聚合物复合材料管还包括外保护层，所述外保护层位于所述n层管状结构的最外侧，所述外保护层与其相邻的所述管状结构无缝熔接或者所述外保护层套设在所述n层管状结构的外侧。

进一步地，所述单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体，连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝紧密均匀分布于聚合物基体中间。

进一步地，所述单聚合物复合材料管的管壁孔隙含量为0-20％。管壁孔隙含量≤5％为优，5％＜管壁孔隙含量≤10％次之，10％＜管壁孔隙含量≤15％较次之，15％＜管壁孔隙含量≤20％更次之，管壁孔隙含量＞20％则难以使用。

进一步地，所述单聚合物复合材料管具有内衬层时，所述内衬层采用与聚合物基体材料相同的材料。

进一步地，所述单聚合物复合材料管具有外保护层时，所述外保护层采用与聚合物基体材料相同的材料。

进一步地，所述连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体的材料选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯中任意化学式相同的聚合物，其中共聚聚丙烯包括聚丙烯嵌段共聚物和聚丙烯无规共聚物。

进一步地，所述单聚合物复合材料丝/带包括2根及以上连续聚合物纤维丝/带。

进一步地，单聚合物复合材料丝/带为双/多组份单聚合物复合材料纤维丝/带，各组分材料均属于化学式相同的同种聚合物，其中一个组分的熔点低于其他组分的熔点。

进一步地，所述连续聚合物纤维丝增强体的含量≥50％。

进一步地，所述连续聚合物纤维丝增强体的材料为均聚聚丙烯，聚合物基体的材料为共聚聚丙烯。

一种单聚合物复合材料管，由交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带组成，其特征在于：单聚合物复合材料纤维丝/带交叉缠绕无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体，连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝紧密均匀分布于聚合物基体中间。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体的材料选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯中任意化学式相同的聚合物，其中共聚聚丙烯包括聚丙烯嵌段共聚物和聚丙烯无规共聚物。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：由多层单聚合物复合材料纤维丝/带交叉编织管状结构层叠组合而成，每层单聚合物复合材料纤维丝/带为交叉编织结构，单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：由偶数层单聚合物复合材料纤维丝/带螺旋缠绕管状结构层叠组合而成，其中一层的单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向为右旋，其相邻层的单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向为左旋，单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：还包含内衬层和外保护层，分别位于交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构的最内和最外侧，内衬层和外保护层采用与聚合物基体材料相同的材料。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：单聚合物复合材料丝/带由多根尺寸更小的连续聚合物纤维丝/带组合而成。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：单聚合物复合材料丝/带为双/多组份单聚合物复合材料纤维丝/带，各组分材料均属于化学式相同的同种聚合物，其中一个组分的熔点低于其他组分的熔点。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：连续聚合物纤维丝增强体的材料为均聚聚丙烯，聚合物基体的材料为共聚聚丙烯。

进一步地，所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：连续聚合物纤维丝增强体的含量不低于50％。

有益效果

本发明具有以下优点和效果：

1.单聚合物复合材料管具有耐腐蚀、耐磨、耐压、耐温保温、输送能力强、柔韧性好可曲挠(耐冲击、抗震、不需热补偿装置)、施工便捷、接头少、性价比高、使用寿命长等优势，可用于石油、天然气、高压水及特殊流体输送领域，是替代常规金属管、塑料管的新型耐腐蚀耐压耐温的增强型管；

2.单聚合物复合材料管采用了基体和增强体相同的聚合物材料，具有成本低、质量轻、界面粘结性好、强度高、易回收的优势；

3.单聚合物复合材料管的基体和增强体来自相同的聚合物材料，基体和增强体的熔融温度相近，可通过热熔装置保证单聚合物复合材料丝/带热熔粘结，界面粘结性优于基体和增强体为不同材料的传统复合材料，进而可以获得突出的抗冲击性能；

4.单聚合物复合材料管的基体和增强体来自相同的聚合物材料，热传导系数、比热容和热膨胀及收缩系数等热力学系数均相同或相近，具有优良的温度适用范围；在温度变化很大的条件下，管内部基体和增强体的热变形可保持一致，进而在高温和低温环境下，管都能保持优良的力学性能；与基体和增强体为不同材料的传统复合材料管相比，耐低温性能更好，可用于液化天然气的输送；

5.连续聚合物纤维丝增强体呈螺旋交叉缠绕分布形成管状，相关结构可使单聚合物复合材料管在使用过程中，能够承担主要应力、温度、抗蠕变的作用，同时具备挠度可弯曲的功能；

6.采用了内衬层和外保护层的单聚合物复合材料管，其内衬层可保证内壁光滑、流动阻力小、耐磨损、不易结垢，可起介质导流、防腐和传导内应力的作用，外保护层起保护增强芯层和传导外应力的作用；

7.单聚合物复合材料丝/带采用双/多组份单聚合物复合材料纤维丝/带，热熔系统的加热温度高于一个组分聚合物的熔点低于另一个组分聚合物的熔点，可使熔点低的组分聚合物熔融形成基体，进而将未熔融的另一个组分聚合物纤维粘结，未熔融的另一个组分聚合物纤维保持原力学性能，进而确保最终成型管的力学性能；

8.单聚合物复合材料管的单聚合物复合材料纤维丝/带的缠绕层数可根据需要和技术要求设定，进而控制最终管的力学性能和弯曲度；

9.单聚合物复合材料管具有易加工成型的特点，可简化常规热塑性复合材料管的缠绕成型工艺，通过管模、缠绕、热熔、冷却的成型工艺完成。

附图说明

图1是本发明实施例1单聚合物复合材料管的主视图；

图2是本发明实施例2单聚合物复合材料管的主视图；

图3是本发明实施例3单聚合物复合材料管的主视图；

图4是本发明实施例4单聚合物复合材料管的主视图；

图5是本发明单聚合物复合材料管的侧视图；

图6是本发明实施例中单聚合物复合材料纤维丝的内部结构示意图；

图7是本发明实施例中单聚合物复合材料纤维带的内部结构示意图；

图8是本发明实施例5单聚合物复合材料管的侧视图；

图9是本发明实施例9单聚合物复合材料管的主视图；

图10是本发明实施例10单聚合物复合材料管的主视图；

图11是本发明实施例11单聚合物复合材料管的主视图；

图12是本发明实施例12单聚合物复合材料管的主视图；

图中：1—单聚合物复合材料纤维丝，2—单聚合物复合材料纤维带，3—连续聚合物纤维丝增强体，4—聚合物基体，5—内衬层，6—外保护层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明中提及的各个商品型号或“第一”、“第二”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“远”、“近”等技术术语，都是所属技术领域中早已明确知晓的技术用语及为了描述实施例方便而进行的一些位置或空间上的定义，并非对本发明的限制，故不再做过多解释。

再次，本发明中所提交的技术术语“丝”、“带”、这是本领域技术人员公知的普通技术常识或通识认知，显然并不需要对其直径或宽度进行下详细的数值范围设定；而对于本发明所提交的技术术语“层数”，其既可以指代在管材生产过程中所进行的径向方向的编织层数或厚度层数，例如，编织一层即为一层(即权利要求书中提及的m层中的子层)，然后在该层(子层)上编织层叠覆盖第二层，以此类推，不断层叠覆盖形成了新的层(这些新的层层叠覆盖在一起就形成了权利要求书中提及的m层)，而这些新的层(即m层)熔接后，形成了新的一层(即权利要求书中提及的n层管状结构的层)，而此时，在此新的一层(即权利要求书中提及的n层管状结构的层)的基础上再重复之前的工艺步骤，可以形成的新的第二层(即权利要求书中提及的n层管状结构的层)，接着这些新的层(即n层管状结构的层)之间还可以不断覆盖和熔接；也可以指，实际管材生产完毕后，肉眼可视情况下，管材断面所呈现的层数，例如，在使用本发明的成型工艺进行单聚合物复合管材加工时，当加工完毕后，由于单聚合物基质相同的特性，在全部加工工艺完成后，理想状态的成型管材断面在肉眼下呈现整体为一层的环形状态(此时，分辨不出m子层和n层，或者说此时m＝1，n＝1)，但在实际加工过程中，由于各种主观和客观因素的影响，加工后的成型管材虽然能够满足使用要求，但管材断面仍然会呈现出类似“年轮”的圈状，此时的层数就是指类似“年轮”的圈数，此时如果m层之间的熔接效果很好，而n层之间的熔接效果较差，则此时类似“年轮”的圈数就是n层的层数；若m层之间的熔接效果较差，n层之间的熔接效果也较差，则此时类似“年轮”的圈数就是m层的层数，而n层此时并不是十分明显，但此时从可识别分辨的角度来看(一般为肉眼，当然也可借助放大镜或显微镜)，熔接效果好的一层仍然可定义为n层，n层与n+1或n-1层之间为熔接较差的相邻层，而该第n层中包含了熔接较好的各个m层；若m层之间的熔接效果较差，n层之间的熔接效果较好，则此时类似“年轮”的圈数既可能包含m层的层数，也可能包含n层的层数，则此时从可识别分辨的角度来看(一般为肉眼，当然也可借助放大镜或显微镜)，熔接效果好的一层熔接效果好的一层仍然可定义为n层，n层与n+1或n-1层之间为熔接较差的相邻层，而该第n层中包含了熔接较好的各个m层(实际上此时第n层和第n-1层或第n+1层并非最初定义的n层了，但为了权利要求取证和举证的便利，此时仍然以可识别分辨的角度为准，而此时第n层和第n-1层或第n+1层则可能交叉包含了原定义的m层、m-1、m+1层之间相邻的子层)；还可以指，在本发明在实际管材生产完毕后进行破坏性实验时，例如，将本发明的管材进行弯曲实验，当弯曲次数在2万次以上时，本发明的管材才在径向出现分层现象，因而本发明的“层数”也可以指破坏性实验的分层层数(通常按照目前实验结果来看，此时的分层层数多倾向于n层的层数)，因此，本发明中的“层数”的定义是为了对本发明权利要求最合理范围解释的一种限定阐释，无论是加工时呈现的理想状态即整体一层、还是肉眼可见的“年轮”形状层数，或者是破坏性疲劳试验后产生的分层现象，本领域技术人员通过上述阐释可以完全明了在不同情况下的层数限定含义，而不会拘泥于n和m之间具体的涵盖关系，而这些对于本领域技术人员而言是可以结合本申请说明书具体实施方式和附图就可明了的。

最后，本发明中所提交的技术术语“孔隙”、“孔隙率”、“孔隙含量”，这是复合材料技术领域中，本领域技术人员公知的普通技术常识或通识认知，孔隙含量的计算公式可参考文献(Polymer Engineering and Science,2018,58(12):2156-2165)，孔隙含量的测试方法参考《GB/T1446-2005纤维增强塑料性能试验方法总则》、《GB/T 3365-2008碳纤维增强塑料孔隙含量和纤维体积含量试验方法》、《GB/T 38535-2020纤维增强树脂基复合材料工业计算机层析成像(CT)检测方法》和《GB/T38537-2020纤维增强树脂基复合材料超声检测方法C扫描法》。

下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细说明。

实施例1

参考附图1、5-7所示，一种单聚合物复合材料管，由多层单聚合物复合材料纤维丝(1)交叉编织管状结构层叠组合而成，每层单聚合物复合材料纤维丝(1)为交叉编织结构，单聚合物复合材料纤维丝(1)之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝(1)包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。

实施例2

参考附图2、5-7所示，本实施例与实施例1类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由多层单聚合物复合材料纤维带(2)交叉编织管状结构层叠组合而成，每层单聚合物复合材料纤维带(2)为交叉编织结构，单聚合物复合材料纤维带(2)之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维带(2)包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。

实施例3

参考附图3所示，本实施例与实施例1类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由偶数层单聚合物复合材料纤维丝(1)螺旋缠绕管状结构层叠组合而成，其中一层的单聚合物复合材料纤维丝(1)的螺旋缠绕方向为右旋，其相邻层的单聚合物复合材料纤维丝(1)的螺旋缠绕方向为左旋，单聚合物复合材料纤维丝(1)之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。单聚合物复合材料纤维丝(1)包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。

实施例4

参考附图4所示，本实施例与实施例3类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由偶数层单聚合物复合材料纤维带(2)螺旋缠绕管状结构层叠组合而成，其中一层的单聚合物复合材料纤维带(2)的螺旋缠绕方向为右旋，其相邻层的单聚合物复合材料纤维带(2)的螺旋缠绕方向为左旋，单聚合物复合材料纤维带(2)之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。单聚合物复合材料纤维带(2)包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。

实施例5

参考附图8所示，本实施例与前述实施例类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带组成，单聚合物复合材料纤维丝/带交叉缠绕无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间，还包含内衬层(5)和外保护层(6)，分别位于交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构的最内和最外侧，内衬层(5)和外保护层(6)采用与聚合物基体(4)材料相同的材料。

实施例6

本实施例与前述实施例类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带组成，其特征在于：单聚合物复合材料纤维丝/带交叉缠绕无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间；单聚合物复合材料丝/带为双组份单聚合物复合材料纤维丝/带，各组分材料均属于化学式相同的同种聚合物，其中一个组分的熔点低于另一个组分的熔点。

单聚合物复合材料管主要通过热熔粘结成型，热熔温度高于一个组分聚合物的熔点低于另一个组分聚合物的熔点。

实施例7

本实施例与前述实施例类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带组成，其特征在于：单聚合物复合材料纤维丝/带交叉缠绕无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)材料为均聚聚丙烯，聚合物基体(4)材料为共聚聚丙烯，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。

实施例8

本实施例与前述实施例类似，不同之处在于，本实施例中的一种聚丙烯单聚合物复合材料管，由多层聚丙烯单聚合物复合材料纤维丝(1)交叉编织管状结构层叠组合而成，每层聚丙烯单聚合物复合材料纤维丝(1)为交叉编织结构，聚丙烯单聚合物复合材料纤维丝(1)之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构，聚丙烯单聚合物复合材料纤维丝(1)包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)材料为均聚聚丙烯，聚合物基体(4)材料为共聚聚丙烯，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间，还包含内衬层(5)和外保护层(6)，分别位于交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝(1)管状结构的最内和最外侧，内衬层(5)和外保护层(6)采用与聚合物基体(4)材料相同的材料。该聚丙烯单聚合物复合材料管的内径尺寸为8英寸，外径为355毫米，长度为100米，最小弯曲半径为2米。可用于输送液化天然气。

实施例9

参考附图9所示，本实施例与上述实施例类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由多层单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构层叠组合而成，其中第一层的单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第二层单聚合物复合材料纤维丝/带为交叉编织结构，相邻第三层单聚合物复合材料纤维丝/带为螺旋缠绕，螺旋缠绕方向为右旋或左旋，相邻第四层单聚合物复合材料纤维丝/带为交叉编织结构，依次类推；单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。本领域技术人员在本实施例中还可以明了的是，本实施例中单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向既可以是同向也可以是异向。

实施例10

参考附图10所示，本实施例与上述实施例9类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由多层单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构层叠组合而成，其中第一层的单聚合物复合材料纤维丝/带为交叉编织结构，相邻第二层单聚合物复合材料纤维丝/带为为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第三层单聚合物复合材料纤维丝/带为交叉编织结构，相邻第四层单聚合物复合材料纤维丝/带为为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为右旋或左旋，依次类推；单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。本领域技术人员在本实施例中还可以明了的是，本实施例中单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向既可以是同向也可以是异向。

实施例11

参考附图11所示，本实施例与上述实施例9类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由多层单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构层叠组合而成，其中第一层的单聚合物复合材料纤维丝为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第二层单聚合物复合材料纤维带为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第三层单聚合物复合材料纤维丝为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第四层单聚合物复合材料纤维带为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，依次类推；单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。本领域技术人员在本实施例中还可以明了的是，本实施例中单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向既可以是同向也可以是异向。

实施例12

参考附图12所示，本实施例与上述实施例11类似，不同之处在于，本实施例中的一种单聚合物复合材料管，由多层单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构层叠组合而成，其中第一层的单聚合物复合材料纤维带为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第二层单聚合物复合材料纤维丝为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第三层单聚合物复合材料纤维带为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，相邻第四层单聚合物复合材料纤维丝为交叉编织结构或为螺旋缠绕、螺旋缠绕方向为左旋或右旋，依次类推；单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构。单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)，连续聚合物纤维丝增强体(3)和聚合物基体(4)来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝增强体(3)紧密均匀分布于聚合物基体(4)中间。本领域技术人员在本实施例中还可以明了的是，本实施例中单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向既可以是同向也可以是异向。

通过上述各个实施例的描述，本领域技术人员可以明了的是，无论本发明各个实施例中采用单聚合物复合材料纤维丝还是单聚合物复合材料纤维带，无论各层采用编织还是缠绕，无论各层采用聚合物复合材料纤维丝还是单聚合物复合材料纤维带，无论编织方式如何，也无论缠绕方向如何，本领域技术人员通过排列组合方式即可获得各种实施例，故本发明不再赘述。但也明确声明未例举出的实施例不适用于“公众捐献”原则。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种单聚合物复合材料管，包括n层管状结构，其中n≥1；其特征在于：每层管状结构又包括m个子层单聚合物复合材料纤维丝/带，其中m≥1；所述单聚合物复合材料纤维丝/带通过交叉缠绕或交叉编织层叠在一起；其中所述m个子层中的每个子层单聚合物复合材料纤维丝/带之间无缝熔接，所述n层管状结构的每层管状结构之间无缝熔接；其中n、m的各个取值为各自然数排列组合，所述交叉缠绕的方向为螺旋左旋或螺旋右旋，相邻子层的交叉缠绕方向为同向或异向，所述m个子层中的每个子层单聚合物复合材料选择为单聚合物复合材料纤维丝或单聚合物复合材料纤维带；而当n＝1、且m＝1时，所述单聚合物复合材料管仅包含一个子层的单聚合物复合材料纤维丝/带，此时，所述单聚合物复合材料纤维丝/带之间无缝熔接。

2.如权利要求1所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述单聚合物复合材料管还包括内衬层，所述内衬层位于所述n层管状结构的最内侧，所述内衬层与其相邻的所述管状结构无缝熔接或者所述n层管状结构套设在所述内衬层的外侧。

3.如权利要求1至2中任一项所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述单聚合物复合材料管还包括外保护层，所述外保护层位于所述n层管状结构的最外侧，所述外保护层与其相邻的所述管状结构无缝熔接或者所述外保护层套设在所述n层管状结构的外侧。

4.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体，连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝紧密均匀分布于聚合物基体中间。

5.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述单聚合物复合材料管的管壁孔隙含量为0-20％。

6.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述单聚合物复合材料管具有内衬层时，所述内衬层采用与聚合物基体材料相同的材料。

7.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述单聚合物复合材料管具有外保护层时，所述外保护层采用与聚合物基体材料相同的材料。

8.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体的材料选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯中任意化学式相同的聚合物，其中共聚聚丙烯包括聚丙烯嵌段共聚物和聚丙烯无规共聚物。

9.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：，所述单聚合物复合材料丝/带包括2根及以上连续聚合物纤维丝/带。

10.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：单聚合物复合材料丝/带为双/多组份单聚合物复合材料纤维丝/带，各组分材料均属于化学式相同的同种聚合物，其中一个组分的熔点低于其他组分的熔点。

11.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：，所述连续聚合物纤维丝增强体的含量≥50％。

12.如前述任意一项权利要求所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：所述连续聚合物纤维丝增强体的材料为均聚聚丙烯，聚合物基体的材料为共聚聚丙烯。

13.一种单聚合物复合材料管，由交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带组成，其特征在于：单聚合物复合材料纤维丝/带交叉缠绕无缝熔接形成管状整体结构，单聚合物复合材料纤维丝/带包含连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体，连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体来自同种聚合物材料，连续聚合物纤维丝紧密均匀分布于聚合物基体中间，管壁孔隙含量为0-20％。

14.如权利要求13所述的单聚合物复合材料管，其特征在于：连续聚合物纤维丝增强体和聚合物基体的材料选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯中任意化学式相同的聚合物，其中共聚聚丙烯包括聚丙烯嵌段共聚物和聚丙烯无规共聚物；由多层单聚合物复合材料纤维丝/带交叉编织管状结构层叠组合而成，每层单聚合物复合材料纤维丝/带为交叉编织结构，单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构；由偶数层单聚合物复合材料纤维丝/带螺旋缠绕管状结构层叠组合而成，其中一层的单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向为右旋，其相邻层的单聚合物复合材料纤维丝/带的螺旋缠绕方向为左旋，单聚合物复合材料纤维丝/带之间和层与层之间无缝熔接形成管状整体结构；还包含内衬层和外保护层，分别位于交叉缠绕的单聚合物复合材料纤维丝/带管状结构的最内和最外侧，内衬层和外保护层采用与聚合物基体材料相同的材料；单聚合物复合材料丝/带由多根尺寸更小的连续聚合物纤维丝/带组合而成；单聚合物复合材料丝/带为双/多组份单聚合物复合材料纤维丝/带，各组分材料均属于化学式相同的同种聚合物，其中一个组分的熔点低于其他组分的熔点；连续聚合物纤维丝增强体的材料为均聚聚丙烯，聚合物基体的材料为共聚聚丙烯；连续聚合物纤维丝增强体的含量不低于50％。

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