电缆预埋预制排管用芯管及其制备工艺的制作方法

本发明涉及电力工程电缆保护，尤其是涉及电缆预埋预制排管用芯管及其制备工艺，尤其涉及一种用于预制混凝土排管成型模具中的可重复使用的芯管，该芯管以钢芯管为基体、外壁通过注塑成型包裹复合材料层，具有易脱模、耐热、耐磨、高寿命的特点。

背景技术：

1、电缆预埋预制排管是一种预先在工厂内制作完成的模块化电缆保护管道系统，通过将芯管（又称芯模、管芯）按设计要求布置在排管模具内，然后浇筑混凝土，待混凝土凝固后将芯管抽出，形成规整的电缆通道。这种工艺具有孔径准确、内壁光滑、生产效率高、质量稳定等优点，广泛应用于城市综合管廊、电力隧道、市政道路等电缆敷设工程。

2、现有技术中，中国发明专利cn120657650b公开了一种电缆预制排管及其加工方法，包括预制排管、排管模具与芯管工装，通过排管模具与芯管工装的配合实现对预制排管的浇筑。该技术方案中，芯管工装作为成型模具使用，在混凝土浇筑完成后需要抽芯取出。然而，该方案并未对芯管本身的结构和材料进行优化，实际使用中芯管存在以下问题：一是钢制芯管表面与混凝土粘结力大，抽芯阻力大，容易导致芯管拔出困难，甚至损坏排管内壁；二是钢制芯管表面易生锈，每次使用后需要清理涂油，维护成本高；三是钢制芯管在混凝土水化热作用下受热膨胀，冷却后收缩，容易卡死在混凝土孔道内。

3、中国实用新型专利cn214755296u公开了一种现场装配化施工的预制混凝土电缆排管，其采用金属芯管作为成型工装，但同样未解决芯管脱模困难的问题。中国发明专利申请cn116111542a公开了一种带有低碳芯的装配式电缆排管及其生产工艺，其采用低碳芯作为定位和填充材料，但低碳芯并不作为可抽出的芯管使用，其构思与本发明不同。

4、在芯管表面处理方面，中国专利cn115464829a公开了一种复合电缆保护管及其生产方法，涉及注塑成型工艺，但其保护管为永久性管道，不涉及可抽出的芯管。中国专利cn103183954a公开了一种用于通信电缆包覆的阻燃热塑性聚氨酯树脂组合物，但该组合物主要关注阻燃性，未涉及芯管脱模性能。

5、现有技术中，为了提高芯管的脱模性能，通常采用在钢芯管表面涂覆脱模剂或包裹塑料薄膜的方式。但这些方法存在以下缺陷：脱模剂涂覆不均匀，且容易在高温混凝土水化热作用下失效；塑料薄膜易破损，且难以保证芯管表面光滑度。此外，钢芯管本身的热膨胀系数与混凝土差异较大，在混凝土凝固过程中，芯管受热膨胀，冷却后收缩，加剧了脱模难度，甚至导致芯管变形或排管孔道尺寸超差。

6、综上所述，现有电缆预埋预制排管用芯管存在以下技术问题：

7、第一，芯管与混凝土之间的粘结力大，脱模阻力大，抽芯操作困难，容易损伤排管孔道内壁，影响排管质量。

8、第二，钢制芯管表面易生锈和磨损，使用次数有限，需要频繁维护和更换，增加了生产成本和施工周期。

9、第三，芯管在混凝土水化热作用下（温度可达60～80℃）容易发生热变形，冷却后收缩卡滞，导致芯管无法顺利抽出。

10、第四，现有芯管表面光滑度不足，且缺乏耐热、耐磨的防护层，难以满足多次重复使用的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供电缆预埋预制排管用芯管及其制备工艺，旨在提供一种脱模阻力小、耐热耐磨、使用寿命长、可重复使用的芯管。

2、本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本发明的第一方面提供了一种电缆预埋预制排管用芯管，包括钢芯管，所述钢芯管的外壁通过注塑成型包裹有复合材料层。

4、优选地，所述复合材料层由以下重量份数的原料制成：热塑性聚氨酯弹性体100份、ebc改性树脂15～35份、环氧改性有机硅树脂5～15份、纳米二氧化硅3～10份、硅烷偶联剂1～5份、抗氧剂0.5～2份、紫外线吸收剂0.3～1.5份、润滑剂0.5～3份。所述复合材料层中还包含反应性增容剂1～5份和耐磨协同填料1～5份；所述反应性增容剂为马来酸酐接枝乙烯-丁烯共聚物和/或马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物；所述耐磨协同填料为经表面活化处理的二硫化钼和/或聚四氟乙烯微粉。

5、优选地，所述ebc改性树脂为乙烯-丁烯共聚物与乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的混合物，其中乙烯-丁烯共聚物与乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的质量比为1∶（0.5～2）。所述复合材料层在与混凝土接触的外表面具有因环氧改性有机硅树脂梯度迁移而形成的富硅自润滑表层，所述富硅自润滑表层的硅元素含量为复合材料层内部基体硅元素含量的1.5～3.5倍，且所述富硅自润滑表层的厚度为0.5～2μm。

6、优选地，所述复合材料层与所述钢芯管外壁之间的剥离强度不小于6kn/m。

7、优选地，所述复合材料层的肖氏硬度为85a～95a，断裂伸长率为300%～600%。

8、优选地，所述复合材料层的外表面为光滑表面，表面粗糙度ra不大于1.6μm。

9、优选地，所述复合材料层在80℃下的热变形率不大于2%。

10、优选地，所述复合材料层与混凝土之间的脱模力比未包覆复合材料的钢芯管降低50%以上。

11、优选地，所述热塑性聚氨酯弹性体为聚酯型热塑性聚氨酯弹性体和/或聚醚型热塑性聚氨酯弹性体，其数均分子量为80000～200000，邵氏硬度为80a～98a。

12、优选地，所述ebc改性树脂中，乙烯-丁烯共聚物的门尼粘度为20～50（ml1+4，100℃），乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的乙酸乙烯酯含量为18%～40%。

13、优选地，所述纳米二氧化硅的粒径为10～100nm，比表面积为150～400m²/g，所述纳米二氧化硅经硅烷偶联剂进行表面改性处理。

14、优选地，所述耐磨协同填料二硫化钼的平均粒径为0.5～5μm，所述聚四氟乙烯微粉的平均分子量为50000～200000，平均粒径为1～10μm。

15、优选地，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。

16、优选地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和/或亚磷酸酯类抗氧剂。

17、优选地，所述紫外线吸收剂为苯并三唑类紫外线吸收剂和/或二苯甲酮类紫外线吸收剂。

18、优选地，所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡中的至少一种。

19、优选地，所述复合材料层的厚度为2～15mm。

20、优选地，所述钢芯管为无缝钢管或焊接钢管，其外径为50～300mm，壁厚为2～10mm。

21、优选地，所述钢芯管的外壁经喷砂或磷化处理，表面粗糙度ra为3.2～12.5μm。

22、本发明的第二方面提供了一种电缆预埋预制排管用芯管的制备工艺，包括以下步骤：

23、步骤一、钢芯管预处理：对钢芯管的外壁进行除油、除锈和表面粗糙化处理，使钢芯管外壁的表面粗糙度ra达到3.2～12.5μm，然后涂覆底涂剂并烘干；在涂覆底涂剂之前，对喷砂或磷化后的钢芯管外壁进行大气压等离子体活化处理，等离子体处理气氛为氮气或氩气，处理功率为500～2000w，处理时间为10～60s，以进一步提高钢芯管表面润湿性和界面结合活性。

24、步骤二、复合材料制备：按重量份数称取热塑性聚氨酯弹性体100份、ebc改性树脂15～35份、环氧改性有机硅树脂5～15份、纳米二氧化硅3～10份、硅烷偶联剂1～5份、抗氧剂0.5～2份、紫外线吸收剂0.3～1.5份、润滑剂0.5～3份、反应性增容剂1～5份和耐磨协同填料1～5份，将各组分投入高速混合机中混合均匀，然后经双螺杆挤出机熔融共混、挤出造粒，得到复合材料注塑材料；

25、步骤三、注塑成型：将经预处理的钢芯管置于注塑模具的型腔中，将步骤二制得的复合材料注塑材料加热至熔融状态，注入注塑模具的型腔中，使熔融的复合材料包覆于钢芯管的外壁，所述注塑模具的型腔内壁为镜面抛光面，其表面粗糙度ra不大于0.4μm；

26、步骤四、冷却脱模：注塑完成后进行冷却，使复合材料固化，然后脱模，得到电缆预埋预制排管用芯管。

27、优选地，步骤一中，所述表面粗糙化处理采用喷砂处理或磷化处理。

28、优选地，步骤一中，所述底涂剂为聚氨酯底涂剂或环氧底涂剂，涂覆厚度为5～20μm，烘干温度为60～100℃，烘干时间为10～30min。

29、优选地，步骤二中，所述高速混合机的混合转速为500～1500r/min，混合时间为5～15min。

30、优选地，步骤二中，所述双螺杆挤出机的挤出温度为160～240℃，螺杆转速为200～600r/min。

31、优选地，步骤三中，所述注塑模具的型腔温度为40～80℃，熔融注塑温度为180～250℃，注塑压力为50～150mpa，保压压力为30～100mpa，保压时间为5～30s。

32、优选地，所述注塑模具为立式注塑模具或卧式注塑模具，所述注塑模具包括上模和下模，所述上模和下模合模后形成与钢芯管同轴设置的环形型腔，所述环形型腔的内壁经镜面抛光处理。

33、优选地，步骤四中，冷却方式为自然冷却或水冷，冷却至复合材料层的温度降至40～60℃后脱模。

34、优选地，步骤二中，所述双螺杆挤出机熔融共混过程中，各原料在双螺杆挤出机中的停留时间为1～5min，挤出造粒后的复合材料注塑材料的含水率控制在0.05%以下。

35、优选地，步骤三注塑成型前，将复合材料注塑材料在80～110℃下干燥2～6小时。

36、综上所述，与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

37、本发明采用钢芯管作为芯管的基体结构，提供了足够的抗弯刚度和抗压强度，确保芯管在反复使用和抽芯过程中不发生变形。同时，钢芯管外壁通过注塑成型包裹复合材料层，该复合材料层具有低表面能、高光滑度、低摩擦系数的特性，能够显著降低芯管与混凝土之间的粘结力和摩擦阻力，使抽芯操作更加顺畅，避免损伤排管孔道内壁。

38、本发明通过在聚氨酯基体中引入特定比例的ebc改性树脂，显著提高了复合材料与钢芯管之间的界面结合强度。ebc改性树脂中的乙烯-丁烯共聚物提供柔韧性，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物提供极性基团，两者协同作用使复合材料层与钢芯管外壁之间的剥离强度达到6kn/m以上，确保在多次抽芯过程中复合材料层不会与钢芯管脱离。

39、本发明通过添加环氧改性有机硅树脂和纳米二氧化硅，使复合材料层具有优异的耐热性和尺寸稳定性。环氧改性有机硅树脂的有机硅链段赋予材料良好的热稳定性和低表面能，使其在混凝土水化热（60～80℃）条件下仍能保持形状稳定，热变形率不大于2%；同时，其低表面能特性进一步降低了与混凝土的粘结力。纳米二氧化硅的加入提高了材料的刚性和耐磨性，延长了芯管的使用寿命。

40、本发明通过注塑成型工艺直接在钢芯管外壁形成复合材料层，注塑模具型腔内壁经镜面抛光处理，使复合材料层外表面获得极高的光滑度（ra≤1.6μm），避免了传统涂覆或缠绕工艺表面不平整的缺陷，进一步减小了抽芯阻力。

41、本发明制备的芯管无需在每次使用前涂抹脱模剂，节约了施工时间和材料成本，且复合材料层本身具有优异的耐腐蚀性和耐老化性，可重复使用数百次，大大降低了预制排管的生产成本。

42、本发明制备的芯管外表面光滑，且复合材料层具有一定的弹性，在抽芯过程中能够适应微小的形状偏差，减少对混凝土孔道的刮擦，提高了排管的内壁质量，有利于后续电缆的穿设和敷设。

43、本发明通过引入反应性增容剂（马来酸酐接枝乙烯-丁烯共聚物和/或马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物）与耐磨协同填料（二硫化钼和/或聚四氟乙烯微粉），取得了如下预料不到的技术效果：首先，反应性增容剂上的马来酸酐基团能够与钢芯管表面的磷化层及底涂剂中的活性羟基发生化学键合，同时其主链与tpu及ebc树脂具有优异的物理缠结能力，从而在钢芯管与复合材料层之间构建起了“化学键-物理交联”的双重界面锚定结构，使得剥离强度在原有基础上进一步提升20%～30%。更出人意料的是，在注塑成型的高温高压剪切流场下，环氧改性有机硅树脂的有机硅链段与润滑剂、耐磨协同填料中的聚四氟乙烯微粉会产生“共迁移富集效应”，协同促使复合材料外表面形成硅元素含量为内部基体1.5～3.5倍的自润滑表层，该表层的形成不仅未因有机硅的加入而降低界面粘接力（克服了本领域“低表面能物质降低粘接强度”的技术偏见），反而由于反应性增容剂对内部基体的强化，使整体剥离强度维持在7.0kn/m以上。

44、此外，ebc改性树脂中的乙烯-丁烯共聚物柔性链段与环氧改性有机硅树脂的刚性硅氧链段在反应性增容剂的桥接下，形成了“柔性-刚性”互穿网络结构，该结构配合纳米二氧化硅的无机交联点，在80℃高温水化热环境下能够有效限制tpu分子链的滑移，使得热变形率进一步降低至1.5%以下。最意想不到的是，该复合材料体系在经历100次模拟高温（80℃）混凝土浇筑和冷却脱模的冷热循环（20℃80℃）后，其剥离强度保持率仍高达92%，而缺乏反应性增容剂或缺乏环氧改性有机硅树脂的对比例体系，在同等循环条件下的剥离强度保持率均低于60%。这表明本发明各特征之间产生了远超单一特征叠加的协同增益效应，赋予了芯管在严苛施工环境下超长的重复使用寿命。