石东优，张 军，曹井国,⋆，杨宗政,，董泽樟，张大群

（1.重庆克那维环保科技有限公司，重庆401147；2.天津科技大学 化工与材料学院，天津300457；3.天津水工业工程设备有限公司，天津300070）

非开挖技术是一种新型管道修复技术，具有开挖量小、无接口、费用低、寿命长等优点，近年来在城镇排水管道维修中被广泛应用。非开挖管道修复施工方法有穿插法、原位固化法（CIPP）、碎（裂）管法、折叠内衬法、缩径内衬法、螺旋缠绕法、局部修复法和喷涂法等[1～4]，其中原位固化法（CIPP）因质量易控制、操作简单、适应性广，在城镇排水管道修复中的应用越来越多。原位固化法（CIPP）是将浸透树脂的内衬管作为管道内衬材料，形成一层坚硬的“管中管”，使地下管道在原位得到修补和更新，其修复质量取决于内衬管与树脂浸润的效果。

在浸渍过程中，内衬管基材与树脂基体要经过接触、浸润[5]。内衬管基材与树脂之间的浸润直接影响固化管的各项性能，浸润与黏附作用好，界面黏结强度就高[6～7]；如果浸润与黏附作用差，界面出现空隙，黏结界面应力传递差，成为应力集中点，就会导致内衬管各项性能变差。因此，对内衬管基材与树脂基体间的浸润与黏附作用研究，有助于理解不同内衬管固化性能差异，提高原位固化法（CIPP）修复管道质量。

前期试验发现，真空度对内衬管及树脂的浸渍速率产生较大影响[8]，不同厂家的内衬管材料浸润效果差异很大。在此基础上，本文基于树脂及内衬管材料自身的特性（包括表面张力、黏度及表面能），在不同温度下测定树脂与内衬管材料接触角、黏附功，对比分析了3个厂家内衬管材料与树脂的浸润、黏附作用相关规律，以期为原位固化法（CIPP）内衬管选材、运用及研究提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

3种涤纶材质的无纺布内衬管材料；Z455TV-901不饱和环氧树脂、TXC叔丁脂（催化剂）及PX16（固化剂），使用质量比100∶1∶0.8。见表1。

表1 不同内衬管无纺布材料参数

T/CECS 559—2018《给水排水管道原位固化法修复工程技术规程》规定，内衬管主材的抗拉强度应＞5 MPa。3种材料单位质量厚度相近，国产A无纺布的抗拉强度优于国产B和进口C无纺布，但均能满足使用要求。

1.2 试验方法

1.2.1 内衬管与树脂的浸润

内衬管一端插入真空管，两端密封，开启真空泵，达到设置真空度，一端继续抽真空，另一端打开密封胶带，灌入配制好的树脂，待内衬管浸润饱和。

1.2.2 固化试验流程

内衬管充填树脂→扎口→固定在翻转架上→常温水翻转→循环水加热、树脂固化→切样检测。

1.2.3 表征方法

采用Sigma 701全自动表面张力仪测试树脂表面张力，检测临界感应值为2 mg，测试速度为0.2 mm/s。

基于座滴法[5]，采用DSA30全自动接触角测定仪测试树脂与纤维前进接触角，检测临界感应值为0.15 mg，测试速度为0.01 mm/s。

纤维表面、色散及极性分量采用IGC[9]间接测定，用甲烷测量死体积，载气为氦气，流速为10 mL/min，探针箱温度35℃，柱温箱温度30℃，相对湿度为0。在注射探测液体小分子之前，先对样品预处理30 min，除去表面吸附的杂质。

用TH-060型土工布测厚仪测定无纺布厚度，孔隙率参考文献[10]进行测定；使用美国BROOKFIEL博力飞DV-III黏度计测试树脂黏度；按照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》，采用CCMT 4503万能电子拉力机进行抗拉强度测量；按照GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测定》进行弯曲强度和弯曲模量测试。

1.3 无纺布与树脂表面能及黏附功计算

无纺布与树脂的表面能和黏附功分别采用Owens-Wendt-Kaelble法和Young-Dupre法计算得到。

Owens-Wendt-Kaelble法[11～14]是1969年Owens and Wendt在Foukes法的基础上考虑极性部分。理论方程为

Young-Dupre法[15～16]是Dupre在Young方程的基础上推导得到黏附功Wa与接触角θ之间的关系

式中：γLV为树脂表面张力；θ为树脂与无纺布接触角。

2 结果与讨论

2.1 不同厂家内衬管与树脂浸润速率

对3种内衬管与树脂在不同真空度下浸润速率进行了研究。国产A、国产B及进口C 3种内衬管无纺布的孔隙率相差不大，随着真空度的升高，浸润速率加快；在相同真空度下，进口C的浸润速率优于国产A及国产B。见表2。

表2 不同真空度下内衬管的浸润速率

工程实践中，内衬管绝对真空度越高，说明无纺布内所含气体量越少；在浸润过程中，树脂与内衬管无纺布表面分子充分接触、链段间能够相互扩散，形成良好界面。

2.2 温度对树脂黏度及表面张力的影响

黏度是流体黏滞性的一种量度，是流体流动力对其内部的摩擦现象；根据Darcy定律可知，树脂在增强无纺布中的流动速率随黏度的增大而减小，在其他变量一致的情况下，浸润速率与树脂的黏度成反比。Z455TV-901树脂及Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系的黏度都随温度的升高而降低，有利于树脂与无纺布间的浸润。见图1。

图1 树脂及树脂体系的黏度随温度的变化曲线

作为润湿现象中的一个重要物理量，在树脂与无纺布浸润过程中，树脂的表面张力越小，越有利于浸润。相同温度下Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系的表面张力均比Z455TV-901树脂低，见图2。

图2 树脂及树脂体系的表面张力随温度的变化曲线

这是由于树脂体系的表面张力与其各自的化学组分密切相关，如：分子间的相互作用力；同时，小分子、低密度的固化剂，在热运动作用下自发的从能量高的位置迁移到能量低的位置，改变了Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系的表面熵和表面内能，最终导致表面张力降低[5]。

2.3 无纺布表面能对比

测出小分子液体与无纺布丝束接触角，见表3。

表3 小分子液体与无纺布的接触角

3种小分子液体的表面张力、色散及极性分量见表4。

表4 小分子液体的表面张力、色散及极性分量mN/m

将表3和表4检测的结果代入式（1），计算得出3种无纺布的表面能大小关系：进口C＞国产B＞国产A。见表5。

表5 3种无纺布的表面能、其色散及极性分量mN/m

常温下Z455TV-901树脂的表面张力高于Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系的表面张力，因此，常温条件下Z455TV-901树脂和Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系对进口C的浸润性较好。从浸润热力学角度分析，要获得良好的表面浸润和界面粘接性能，要求树脂的表面张力应低于无纺布的表面能，而且无纺布的表面能越高，越有利于浸润[9]；因此，进口C无纺布与树脂的浸润效果优于国产A和国产B无纺布。

无纺布的极性和色散分量也反映了分子键的极性与非极性相互作用，他们的大小同样会对树脂和无纺布的界面粘接产生一定影响[17]。

2.4 温度对无纺布与树脂接触角的影响

为进一步研究不同温度下树脂与无纺布的浸润特性，采用座滴法[5]对树脂与无纺布的接触形态进行分析。接触角是衡量液体对固体浸润能力的一个重要指标，是润湿程度的量度，液体对固体润湿程度可用接触角表示。

在20～80℃条件下，树脂与无纺布束的表观接触角随温度的升高而减小，这主要是树脂表面张力和黏度随温度的变化导致[18～19]。随着温度的升高，树脂的表面张力减小，树脂对无纺布束的接触角也减小，接触角越小越有利于树脂与无纺布的浸润，因此升温（未发生固化反应）可以有效改善树脂与无纺布的浸润性；相同温度下3种无纺布与Z455TV-901树脂的接触角大于与树脂体系接触角，这是因为固化剂小分子的加入导致树脂体系黏度和表面张力降低，改善了树脂对无纺布的润湿性[20]；相同温度范围内，进口C无纺布与树脂的接触角小于国产A和国产B无纺布与树脂的接触角，进口C无纺布与树脂的浸润效果优于国产A和国产B无纺布。见图3和图4。

图3 不同温度下树脂与国产A无纺布束接触角的初始形态

图4 不同温度下树脂和树脂体系与无纺布的接触角

2.5 温度对无纺布与树脂黏附功的影响

热力学黏附功是表征界面结合能力强弱的一种热力学量度，是用来研究复合材料无纺布/基体界面粘接强度的重要参数；热力学黏附功越大，界面粘接强度越高[21]。

在试验范围内，3种无纺布与Z455TV-901树脂的黏附功均随温度的升高而逐渐增大，当温度达到60℃以后，黏附功变化趋于平缓，与图1和图2对应的黏度和表面张力变化趋势相一致，因此60℃以后，表面张力和黏度不是影响黏附功的主要因素。在固化反应并未发生前Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系与3种无纺布的热力学黏附功以40℃为界线，40℃之前随温度的升高有明显的增大，40℃以后趋于平缓。随着温度升高,小分子PX16固化剂极易迁移至体系表面，导致体系的表面张力降低，促进无纺布/树脂体系间的黏附性。进口C无纺布与树脂的黏附功高于国产A和国产B无纺布，进口C无纺布与树脂的黏附性强于国产A和国产B无纺布；此外，3种无纺布与树脂体系的黏附功低于相同温度下与树脂的黏附功；从黏附和扩散理论角度来分析，只有树脂与无纺布表面分子充分接触、链段间能够产生相互扩散时[22]才能获得较大的黏附强度，当树脂中加入小分子固化剂后，树脂体系中悬浮颗粒增多，导致树脂连续相组分与无纺布表面活性基团相互作用的比例降低，不利于树脂与无纺布表面分子的相互接近，从而导致黏附性降低[10]。见图5。

图5 不同温度下树脂和树脂体系与无纺布的黏附功

研究结果表明，原位固化法（CIPP）修复管道过程中，热固化阶段（固化反应并未发生）升温有利于二次浸润，随着温度的升高，树脂的黏度与表面张力均降低，树脂与无纺布接触角减小，黏附性增强，有利于浸润及界面黏附；但温度升高致使树脂进入低黏度区间后，继续提高温度对无纺布/树脂的黏附作用效果不大。

良好的浸润使树脂更易于在无纺布表面铺展，保证分子间充分接触，是良好界面形成和黏附的先决条件。在无纺布/树脂浸润阶段，提高真空度及适当延长接触时间都可以保证充分浸润；在热固化过程中（固化反应并未发生），随着温度的升高，树脂的黏度、表面张力均降低，树脂与无纺布接触角降低、黏附作用增强，有利于浸润及界面黏附，可有效促进良好界面的形成。

2.6 3种内衬管复合材料性能

复合材料中基体与增强纤维通过界面发生结合，同时通过界面将荷载从基体传递到增强纤维上。因此，复合材料的性能不仅受纤维和基体性能的影响，还受界面性能的影响[23～24]。

无纺布增强复合材料弯曲强度、弯曲模量、抗拉强度、热变形温度4个指标可以作为评价复合材料的性能指标。国产A、国产B及进口C无纺布固化后的热变形温度：进口C＞国产A＞国产B；弯曲模量：国产A＞进口C＞国产B；弯曲强度：国产B＞进口C＞国产A；抗拉强度：国产A＞进口C＞国产B。除弯曲强度指标外，其他指标相差不大。见表6。

表6 无纺布增强复合材料力学性能

表6 中，不满足标准要求的抗拉强度＞21 MPa，主要是由于真空度较大，浸润速率较快。在实际树脂充填过程中，应以各项指标达标为前提，控制真空度条件，降低浸润速率。此外，进口C无纺布与树脂浸润和热力学黏附功都优于国产无纺布，说明界面粘接强度进口C无纺布优于国产无纺布；但复合材料的性能不仅受浸润及粘接界面性能的影响，还受到基材和基体性能的影响。

试验结果表明，进口C无纺布的浸润速率较快，理论上，浸润越快越有利于提高树脂充填速度，缩短浸润时间；但另一方面，有可能造成浸润不充分，降低固化强度。研究所用的2种国产无纺布密度较进口无纺布高，所以浸润速率相对较慢，浸润后，其固化性能差异并不十分明显，也就是说，国产无纺布在浸润、固化方面的性能与国外无纺布相差不大。

研究结果表明：可通过进一步优化，在保证抗拉强度的基础上，降低国产无纺布的密度，以提高树脂浸润量；或通过改性办法[25～29]，提高树脂浸润速率。

3 结论

1）3种无纺布孔隙率相差不大，提高绝对真空度可以加快无纺布与树脂的浸润速率，有利于无纺布与树脂的浸润，促进良好界面的形成；但较快的浸渍速率会减少树脂浸润量，从而降低固化效果。

2）Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系与3种无纺布的黏附功，随温度的升高呈现先增加、后趋于恒定的变化趋势。此外，升温固化阶段（固化反应并未发生），树脂与无纺布的接触角减小，有利于促进树脂与无纺布的二次浸润，促进良好界面的形成。

3）3种无纺布与Z455TV-901/TXC/PX16树脂体系的润湿性优于纯Z455TV-901树脂，但黏附性恰好相反；进口无纺布表面能大于国产无纺布。因此，进口无纺布与树脂的浸润性和黏附性较好，但国产无纺布弯曲模量、弯曲强度固化性能要优于进口无纺布。